Transistoren — Grundwissen Elektronik (2023)

npn-Transistoren¶

Ein -Transistor besteht aus drei aufeinander folgendenHalbleiter-Schichten, wobei die beiden äußeren eine negative und die mittlereSchicht eine positive Dotierung aufweisen. Der Aufbau entspricht einem doppeltenn-p-Übergang; nach außen sind die drei Schichten mitmetallischen Anschluss-Kontakten verbunden.[2]

Gewöhnlich verläuft der zu steuernde Hauptstrom zwischen dem Kollektor und dem Emitter . Die Wirkungsweise desTransistors wird dabei durch die Stromstärke bestimmt, die durch die Basis zum Emitter fließt:

• Fließt durch die Basis kein Strom, so ist dieKollektor-Emitter-Strecke des Transistors gesperrt. Inseiner Wirkung entspricht er dabei einem unendlich großen Widerstandbeziehungsweise einem geöffneten Schalter.
• Fließt ein schwacher Strom durch die Basis , so wird dieKollektor-Emitter-Strecke leitfähig; es wird also einVielfaches des Basis-Stroms durch die Kollektor-Emitter-Strecke durchgelassen.Je nach Art der Transistor-Schaltung entspricht die Wirkungsweise desTransistors einem elektrisch regelbaren Widerstand oder einer leitendenVerbindung (fast) ohne Widerstand.

Da Transistoren sehr hohe Schaltfrequenzen (rund ,teilweise sogar noch mehr) zulassen, können beispielsweise auchniedrig-frequente Spannungsimpulse eines Audio-Eingangs ( durch Anlegen an die Basis eines Transistors aufdem erheblich größeren Kollektor-Emitter-Strom abgebildet beziehungsweiseverstärkt werden:[3]

Der Verstärkungsfaktor eines einzelnen Transistors liegt, je nachBauart, bei rund ; beispielsweise kann bei einemTransistor mit einem Verstärkungsfaktor von ein Basis-Strom von einen Kollektor-Emitter-Strom von maximal steuern.

Ist der durch die Basis fließende Strom groß genug, so ist der Transistor „inSättigung“ – zwischen Kollektor und Emitter fließt entsprechend der maximalmögliche (durch die restliche Schaltung vorgegebene) Strom; eine Verstärkung desBasis-Stroms führt zu keiner weiteren Erhöhung des Kollektor-Emitter-Stroms. DerTransistor wirkt bei Anlegen derartiger Basis-Spannungen vielmehr wie einSchalter.

pnp-Transistoren¶

Ein -Transistor besteht ebenfalls aus drei aufeinander folgendenHalbleiter-Schichten, wobei die beiden äußeren eine positive und die mittlereSchicht eine negative Dotierung aufweisen.

Da die Schichten eines -Transistors im Vergleich zu einem-Transistor eine genau umgekehrte Dotierung aufweisen, müssen auchdie Ströme in die entgegengesetzte Richtung fließen. Im Schaltzeichen ist diesdadurch gekennzeichnet, dass der Pfeil nicht von der Basis weg, sondern zurBasis hin zeigt.

Hierzu gibt es folgende Merksprüche:

• -Transistor:

  „NPN means ‚Not Pointing iN‘“, oder

  „Naus, Pfeil ‚Naus!“

• -Transistor:

  „PNP heißt ‚Pfeil Nach Platte‘“, oder

  „Tut der Pfeil der Basis weh, handelt sich’s um PNP“

Entsprechend sind auch der Kollektor- und der Emitter-Anschluss eines-Transistors im Vergleich zu einem -Transistor vertauscht.Die Besonderheit von -Transistoren gegenüber -Transistorenliegt darin, dass man zum Freischalten der Kollektor-Emitter-Strecke keinenStromfluss in die Basis hinein (und aus dem Emitter hinaus) verursachen muss,sondern vielmehr einen Stromfluss (vom Emitter kommend) aus der Basis herauszulassen muss.

Ströme und Spannungen bei bipolaren Transistoren¶

In der folgenden Abbildung sind die für einen Transistor relevanten Ströme undSpannungen explizit für die üblichere Transistor-Variante, nämlich einen-Transistor eingezeichnet:[4]

Für die Spannung zwischen Basis und Kollektor und derBasis-Stromstärke gilt im Wesentlichen die gleicheBeziehung wie zwischen zwischen Spannung und Strom an einer Diode. Ab einem bestimmten Grenzwert (bei normalen Transistoren rund) steigt die Basis-Stromstärke miteiner zunehmenden Spannung sehr schnell an. Um einenTransistor steuern zu können, muss also die Basis-Stromstärke gezielt begrenztwerden.[5]

Stromstärken bei einem -Transistor

Für den Zusammenhang zwischen den Stromstärken und ist es für viele Anwendungen ausreichend, einenkonstanten Verstärkungsfaktor anzunehmen; dieser Wert kannüblicherweise dem Datenblatt des Transistors entnommen werden. EinVerstärkungsfaktor von bedeutet beispielsweise, dass einBasis-Strom von mit einer Stärke von einen Kollektor-Emitter-Strom zur Folgehat. Was passiert nun allerdings, wenn bei einer ansonsten unverändertenSchaltung plötzlich der Anschluss des Kollektors gekappt wird? Es können dannnicht mehr in den Kollektor hinein fließen.

Man kann feststellen, dass sich in diesem Fall auch die Stromstärke durch dieBasis verändert: Die Basis-Emitter-Strecke und die Kollektor-Emitter-Streckebilden gewissermaßen eine gemeinsame Diode, allerdings mit einem festemStromteiler. Wird die eine Seite des Stromteilers nicht mit Strom versorgt, somuss der gesamte Strom durch die andere Seite fließen. Bei einer ansonstenunveränderten Schaltung fließen somit nicht mehr durch dieBasis, sondern plötzlich . Der Verstärkungsfaktor beschreibt somit vielmehr den auftretenden Emitterstrom, der sichgewöhnlich so aufteilt, dass nur von der Basis bezogenwird, und der restliche Strom vom Kollektor kommt (solange dort Strom zurVerfügung steht).

Spannungen bei einem -Transistor

Der Wert der Spannung entlang derKollektor-Emitter-Strecke hängt von der Verwendungsweise des Transistors ab.

• Wird der Transistor als Schalter verwendet, so ist dessen Widerstand bei einemfehlenden Basis-Strom unendlich groß; an der -Strecke desTransistors fällt somit die komplette von außen anliegende Spannung ab –solange der Transistor nicht „durchbricht“, was je nach Transistor-Typ abSpannungen von etwa der Fall sein kann.

  Wird der Transistor durch einen ausreichend hohen Basis-Strom hingegen volldurchgeschaltet, so würde bei einem idealen Transistor entlang der-Strecke überhaupt keine Spannung abfallen. In der Praxis stellt manbei realen Transistoren allerdings einen Spannungsabfall von minimal fest.

• Allgemein hängt der Spannungsabfall an der -Strecke von der äußerenSchaltung ab. Dies kann man anhand der folgenden (idealisierten) Schaltungerkennen:

  Spannungsabfall entlang der -Strecke bei einem Transistor.

  SVG: Spannungsabfall CE-Strecke (Transistor)

  Der Spannungsabfall entlang der -Strecke wird sowohl durch als auch durch beeinflusst. Am Widerstand fällt nämlich die Spannung ab. Die ander -Strecke des Transistors abfallende Spannung beträgtdemnach . Istbeispielsweise und ,so ergibt sich am Widerstand ein Spannungsabfall von und entsprechend ein Spannungsabfall an der-Strecke von .

Ein bipolarer Transistor sollte also, wie das obige Beispiel zeigt, weniger alsein variabler Widerstand als vielmehr als eine regelbare Stromquelle aufgefasstwerden: Während bei einem Potentiometer der Widerstand (also dasVerhältnis aus der anliegenden Spannung und derresultierenden Stromstärke) reguliert werden kann, kann bei einem bipolarenTransistor ausschließlich die Stromstärke aktiv geregeltwerden; die entsprechende Spannung entlang der -Streckestellt der Transistor automatisch ein.

Bauteil-Schwankungen

Bei einem bipolaren Transistor wird, wie im letzten Abschnitt beschrieben, einLast-Strom mittels eines Steuer-Stroms gesteuert. Der Verstärkungsfaktor , der dasVerhältnis dieser beiden Ströme angibt, weist allerdings auch bei gleichenTransistor-Typen von Bauteil zu Bauteil teilweise erhebliche Unterschiede auf.

Mittels (meist billigeren) Multimetern lässt sich der Verstärkungsfaktor eines Transistors einfach bestimmen, da diese über eine entsprechendeeingebaute Funktion verfügen. In der Praxis wird diese Funktion nämlich nichtoft verwendet, beispielsweise weil der Verstärkungsfaktor starkfrequenzabhängig ist (Transistoren verstärken bei niedrigen Frequenzen meistbessr als bei höheren). Um einen Transistor zu charakterisieren, genügt daherein einzelner Zahlenwert nicht. Da eine derartige Mess-Schaltung aber rechtsimpel ist, lässt sich eine Verstärkungs-Mess-Funktion (oft auch alsh_{\mathrm{FE}} bezeichnet) gut als Zusatz-Feature vermarkten.

Den in Europa häufig als Standard verwendeten BC547-Transistor gibtbeispielsweise in drei Verstärker-Klassen: , und . Aus einem Datenblatt kann man fürden BC547-Transistor damit folgende Werte-Bereiche für den Verstärkungsfaktor entnehmen:

• BC547A:
• BC547B:
• BC547C:

Da der konkrete Wert des Stromverstärkungsfaktors variieren kann,sollten Transistor-Schaltungen möglichst so konzipiert sein, dass sie bezüglichAbweichungen dieses Parameters unempfindlich sind.

Kennlinien-Felder von Transistoren

Um das Verhalten eines Transistors in einer Schaltung planen zu können, sollteman einen groben Wert für den Stromverstärkungsfaktor , den maximalerlaubten Kollektorstrom , die maximaleKollektor-Emitterspannung sowie die maximaleVerlustleistung kennen.

Möchte man einen Transistor allerdings nicht als Schalter, sondern alsVerstärker betreiben, so genügen einzelne Werte oft nicht zur Charakterisierungeines Transistors. Weitaus nützlicher sind sogenannte „Kennlinienfelder“, indenen der Kollektor-Strom als Funktion derKollektor-Spannung angegeben wird. Dieser Zusammenhangist abhängig von der Stromstärke durch die Basis desTransistors, so dass es in einem Kennlinienfeld nicht nur eine, sondern mehrereKennlinien gibt.

Alle Kennlinien haben (unabhängig vom Basis-Strom )gemeinsam, dass der Strom gleich Null ist, wenn keineSpannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter anliegt.Je größer die Spannung wird, desto größer wird auch derStrom durch den Transistor. Der Wert von ist allerdings nach oben hin begrenzt, da schließlicheine Sättigung eintritt – dies ist gleichbedeutend damit, dass der Transistorvoll durchschaltet.[6]

Eine zweite wichtige Kennlinie gibt den Kollektor-Emitter-Strom in Abhängigkeit von der Basis-Emitter-Spannung an. Hierfür wird für meist einelogarithmische Skalierung gewählt. Die Gerade, die sich in einem solchenDiagramm ergibt, entspricht einer (logarithmisch skalierten) Dioden-Kennlinie.

Mittels einer solchen Kennlinie kann abgeschätzt werden, welcher-Strom bei einer bestimmten an der Basis anliegenden Spannungauftritt. Ebenso kann man mit Hilfe dieses Diagramms ungefähr abschätzen, wiegroß der Basis-Strom bei einer bestimmten Basis-Spannung ist, indem man den Kollektor-Strom durch den (ebenfalls geschätzten)Stromverstärkungsfaktor des Transistors dividiert.

Wirklich exakte Werte darf man nicht erwarten, wenn man sich an den Kennlinieneines Transistors orientiert; dies wäre auch kaum sinnvoll, da die einzelnenExemplare eines Transistor-Typs, wie im letzten Abschnitt beschrieben,erhebliche Schwankungen aufweisen können.

Anmerkungen:

[5]	Bisweilen werden die Ströme und auch kurz mit beziehungsweise bezeichnet, da beide Ströme ohnehin stets beim Emitterabfließen.

[6]	Eine einfache Möglichkeit die Basis-Stromstärke zu begrenzen ist – wiebei LEDs – die Verwendung einesVorwiderstands. Hat man beispielsweise eine Spannung von anliegen und möchte den Basis-Strom auf maximalmaximal begrenzen, so wäre dafür einVorwiderstand mit einem Wert von geeignet.[7]