Übersteuerungsbereich

verschiedene Transistor-Bauformen

Ein Bipolartransistor, meist als BJT (Bipolar Junction Transistor) bezeichnet, ist ein Transistor, bei dem Ladungsträger beider Polarität (Elektronen und Defektelektronen) zur Funktion beitragen.

Im Gegensatz zu Unipolartransistoren (Feldeffekttransistoren) kann mit einem Bipolartransistor nur Strom einer Richtung gesteuert werden.

oben: Anordnung der p-n-Übergänge (Dioden) in einem npn-Bipolartransistor (keine Ersatzschaltung!).
unten: Schaltzeichen eines npn-Bipolartransistors

oben: Anordnung der p-n-Übergänge (Dioden) in einem pnp-Bipolartransistor (keine Ersatzschaltung!).
unten: Schaltzeichen eines pnp-Bipolartransistors

Typen und Schaltzeichen

Die Bezeichnung „Basis“ rührt von frühen Transistorbauformen her, bei denen der Chip, beidseitig kontaktiert, über ein Blechloch (=Basisanschluss) montiert war (Germanium-PNP-Transistor OC603 von TFK, Baujahr ca. 1959)

Bipolartransistoren werden in npn- und pnp-Typen unterteilt. Die Buchstaben geben die Reihenfolge und den Dotierungstyp der Schichtung an. Somit bildet ein Bipolartransistor im Wesentlichen immer zwei gegeneinander geschaltete pn-Übergänge (ähnlich dem in einer pn-Diode). Die drei Anschlüsse werden Kollektor (C, collector) Basis (B, base) und Emitter (E, emitter) genannt.

Beim pnp-Transistor ist die Reihenfolge der Schichten p-n-p, d. h., die beiden Dioden zwischen Basis und Emitter sowie zwischen Basis und Kollektor haben jeweils die entgegengesetzte Polung gegenüber dem npn-Typ.

Im Schaltzeichen drückt man diesen Unterschied aus, indem man den Richtungspfeil der Basis-Emitter-Diode umdreht.

Um sich die Pfeilrichtung des Schaltzeichens besser merken zu können, gibt es einen einprägsamen Spruch: „Tut der Pfeil der Basis weh, handelt sich′s um pnp.“ Ein einfacher Satz für den pnp-Typ ist auch: Pfeil-Nach-Platte → pnp

Die Pfeilrichtung kann man auch mit der technischen Stromrichtung erklären, die immer von Plus nach Minus verläuft. Bei npn-Transistor (negativ-positiv-negativ) zeigt der Pfeil also nach außen. Umgekehrt zeigt beim pnp-Transistor (positiv-negativ-positiv) der Pfeil nach innen.

Es handelt sich hierbei nur um Ersatzschaltbilder. Das bedeutet, dass man mit zwei Dioden keinen Transistoreffekt erzeugen kann, denn die Ladungsträger würden in dem Gebiet einer solchen Pseudobasis rekombinieren. Dies gilt auch für Strukturen, bei denen der Abstand zwischen Emitter-Basis- und Kollektor-Basis-Zone zu groß, d. h. die Basiszone zu dick ist. Für die Ausbildung des Transistoreffekts muss die Bedingung erfüllt sein, dass die Basisdicke kleiner als die Diffusionslänge ist (W<<L_b).

Aufbau

Kleinleistungstransistor im früher typischen Metallgehäuse (der Emitter-Bonddraht ist beim Öffnen des Gehäuses abgebrochen)

Innenansicht eines Leistungstransistors für ca. 10 A Kollektorstrom (Gehäuse TO-3), Blick auf den strukturierten und gebondeten Chip, ca. 4,5×4,5 mm². Zu sehen sind die kammartigen Kontaktstrukturen von Basis (oben) und Emitter (unten). Der Kollektoranschluss wird durch Löten der Chiprückseite auf das Gehäuse gebildet.

Freigelegtes "Herz" eines Leistungstransistors für Ströme von bis zu 15 A

Der Bipolartransistor ist eine Kombination aus drei abwechselnden p- und n-dotierten Halbleiterschichten (npn beziehungsweise pnp). Diese entgegengesetzt geschalteten p-n-Übergängen müssen nahe beieinanderliegenden, um die Transistorfunktion zu realisieren. (Oftmals findet man auch die etwas irreführend Beschreibung durch pn-Dioden, diese sperren den elektrischen Stromfluss jedoch in eine Richtung, so dass antiseriell geschaltete pn-Dioden keinen Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor zulassen würden. ) Die drei unterschiedlich dotierten Bereiche werden als Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E) bezeichnet. Die Basis ist besonders dünn und liegt zwischen Kollektor und Emitter. Erste Bipolartransistoren wurden aus einem n-leitenden Halbleiterplättchen hergestellt, in welches von beiden Seiten durch Diffusion von p-Dotanden die Emitter- und die Kollektorzone eingebracht wurden, bis zwischen diesen p-leitenden Gebieten nur noch ein geringer Abstand im Inneren des Plättchens war. Die beidseitige Kontaktierung erfolgte durch Drähte, während der Basisanschluss durch das Halbleiterplättchen selbst gebildet wurde (daher die Bezeichnung Basis). Kollektor- und Emittergebiet sind unterschiedlich stark dotiert. Dieser asymmetrische Aufbau bewirkt ein unterschiedliches Verhalten im Normal- und Inversbetrieb.

Aufgrund von Optimierungen sind Bipolartransistoren heutzutage aus mehr als drei Schichten aufgebaut, die zusätzlichen Schichten nicht in Form von weiteren p-n-Übergängen zusammengesetzt, sondern die drei Hauptschichten sind in Zonen unterschiedlicher Dotierungsdichte gegliedert. Die Kollektorzone besteht hierbei immer aus mindestens zwei unterschiedlich stark dotierten Zonen. Die Bezeichnungen npn und pnp beziehen sich nur auf den aktiven inneren Bereich, jedoch nicht den tatsächlichen Aufbau.

Schematischer Aufbau eines pnp-dotierten Bipolartransistors in Epitaxial-Planar Technik

Schematischer Aufbau eines npn-dotierten Bipolartransistors in Epitaxial-Planar Technik

Praktischer Aufbau eines npn-Transistors in Epitaxial-Planar-Technik

Einzeltransistoren werden heute meist in der Epitaxial-Planar-Bauweise hergestellt. Integrierte Transistoren werden ebenfalls in Epitaxial-Planar-Bauweise hergestellt, allerdings befindet sich der Kollektoranschluss an der Oberseite. Der Substratanschluss (S) ist eine Verbindung mit den tieferen Schichten. Am Substratanschluss wird eine negative Spannung angelegt. Dies bewirkt eine Sperre der Substratdiode und damit eine Trennung der einzelnen Transistoren.

Man unterscheidet bei integrierten Transistoren grundsätzlich zwischen vertikal und lateral aufgebauten Transistoren. npn-Transistoren werden in der Praxis vertikal und pnp-Transistoren lateral aufgebaut. Vertikale Transistoren weisen einen vertikalen Stromfluss auf. Bei lateralen Transistoren erfolgt der Stromfluss horizontal und die Stromverstärkung ist um das 3- bis 10-fache größer und die Schaltfrequenzen sind höher, da die Basiszone kleiner aufgebaut werden kann. Aus diesem Grund können auch npn-Transistoren lateral aufgebaut sein, dann sind alle p- durch n- sowie n- durch p-Zonen, inklusive dem Substrat, ersetzt und das Substrat ist an eine positive Spannung angeschlossen.

npn- und pnp-Transistoren nennt man komplementär, wenn deren elektrische Daten bis auf das Vorzeichen ähnlich sind. Solche auf gute Übereinstimmung der Parameter selektierte „Transistorpärchen“ (entscheidend sind Stromverstärkung sowie Basis-Emitterspannung) werden z. B. in sogenannten Gegentaktschaltungen wie Verstärker-Endstufen eingesetzt, um Verzerrungen niedrig zu halten.

Sind große Ströme gefordert, können mehrere Transistoren parallelgeschaltet werden. Die Übereinstimmung deren Parameter ist hier ebenfalls wichtig, dennoch muss durch Emitterwiderstände dafür gesorgt werden, dass sich die Ströme gleichmäßig auf alle parallelen Transistoren aufteilen.

Schematischer Aufbau eines integrierten vertikalen npn-Transistors

Schematischer Aufbau eines integrierten lateralen pnp-Transistors

Halbleiterbauelemente, die aus mehr als drei Schichten aufgebaut sind (z. B. pnpn), besitzen mehr als einen statischen Zustand des Stromflusses. Dazu zählen Vierschichtdioden (Thyristoren, Diacs) und Triacs.

siehe auch: Herstellung integrierter Schaltungen

Funktionsweise

Emitterschaltung eines Bipolartransistors

Beim Bipolartransistor steuert ein Strom I_B im Basis-Emitter-Kreis einen (stärkeren) Strom I_C im Kollektor-Emitter-Kreis.

Die drei Kristallschichten bilden zwei p-n-Übergänge aus, d. h., es handelt sich um zwei Dioden mit einer gemeinsamen Elektrode. Als Beispiel ist ein npn-Transistor gewählt.

Nachfolgend sind schematisch die Verhältnisse als Bändermodell im Kristall dargestellt. Hierbei stellen die kleinen ±-Symbole bewegliche Ladungsträger (Majoritätsladungsträger, Elektronen bzw. Defektelektronen) dar, während die großen die ionisierten Dotieratome symbolisieren.

Kristallaufbau und Bändermodell eines Bipolartransistors

Werden nur Kollektor und Emitter angeschlossen (+ am Kollektor, − am Emitter) entspricht dies schaltungstechnisch zwei Dioden von denen eine gesperrt ist, es fließt also nur ein kleiner Strom, welcher betragsgleich mit dem Sperrstrom der BC-Diode ist. Die angelegte Spannung verkleinert zwar die B-E-Sperrschicht, vergrößert jedoch die C-B-Sperrschicht.

Kristallaufbau und Bändermodell eines Bipolartransistors bei angelegter Kollektor-Emitter-Spannung

Durch Schließen des Basis-Emitter-Stromkreises (+ an der Basis, − am Emitter) wird die Basis-Emitter-Diode leitend. Es gelangen Elektronen aus dem Emitter (lat. emittere = aussenden) in die Basiszone. Wegen der geringen Weite der Basis können die meisten Elektronen in die Kollektor-Basis-Sperrschicht diffundieren, zumal diese für sie keinen Potenzialwall, sondern ein Gefälle darstellt. Bei positiv geladenem Kollektoranschluss werden die Elektronen in Richtung Kollektor (lat. colligere = sammeln) beschleunigt. Dort werden sie abgeführt. Somit fließt ein Strom im Kollektor-Emitter-Stromkreis.

Kristallaufbau und Bändermodell eines Bipolartransistors mit angelegter Basis-Emitter-Spannung

Da der zwischen Basis und Emitter fließende Strom nur die Basis-Emitter-Sperrschicht leitend machen muss, genügt hier eine kleine Spannung an der Basis. Die einmal in die Basis gelangten Elektronen fließen zum größten Teil (ca. 99 %) weiter zum Kollektor. Es wird also durch den kleinen Basistrom ein viel größerer Kollektorstrom gesteuert. Das Verhältnis der Ströme ist vom Typ abhängig, man bezeichnet es als den Stromverstärkungsfaktor β. Er beträgt etwa 4 bis 1000, je nach Konstruktion des Transistors und der Größe des Kollektorstromes.

Die Wirkungsweise eines pnp-Transistors ist entsprechend, jedoch sind die Polungen beider Stromkreise umzukehren, um der entgegengesetzten Polung der beiden Sperrschichten Rechnung zu tragen.

Arbeitsbereiche

Der Bipolartransistor besteht aus zwei pn-Übergängen. Indem man entsprechende Spannungen anlegt, kann man beide Übergänge unabhängig voneinander sperren oder durchschalten. Dadurch ergeben sich vier mögliche Arbeitsbereiche, in denen der Transistor ein je eigenes Verhalten zeigt.

• Sperrbereich:

  Im Sperrbereich (engl. cut-off region) oder Sperrbetrieb sperren beide Übergänge, d. h. die Kollektor- und die Emitterdiode. In diesem Betriebszustand leitet der Transistor theoretisch keinen Strom. Der Transistor entspricht damit einem geöffneten Schalter. Praktisch fließt auch im Sperrbetrieb ein geringer Strom, der Transistor im Sperrbetrieb stellt also einen nichtidealen Schalter dar.

• Verstärkungsbereich:

  Der Verstärkungsbereich (engl. forward region) tritt im sogenannten Normalbetrieb auf. Hierbei wird die Emitterdiode in Flussrichtung und die Kollektordiode in Sperrrichtung betrieben.

  Im Verstärkungsbereich gilt näherungsweise die Formel $I_{\rm C} = \beta \cdot I_{\rm B}$, wobei β der Stromverstärkungsfaktor ist. Da β relativ groß ist, führen hier kleine Änderungen des Basisstroms I_B zu großen Änderungen des Kollektorstroms I_C. Transistoren werden in diesem Bereich betrieben, um Signale zu verstärken. Im Normalbetrieb wird der Transistor üblicherweise nur in dem Bereich betrieben, in dem die Verstärkung näherungsweise linear gemäß obiger Formel verläuft.

• Sättigungsbereich:

  Der Sättigungsbereich wird auch Sättigungsbetrieb oder Sättigung genannt. Beide pn-Übergänge leiten, in der Basiszone befinden sich jedoch mehr Ladungsträger als für den Kollektorstrom benötigt werden.

  Der Kollektorstrom I_C ist unabhängig vom Basisstrom I_B. Der Transistor entspricht einem geschlossenen Schalter mit konstantem Durchgangswiderstand (Linker Bereich im Ausgangskennlinienfeld).

  Sofern sich der Arbeitspunkt eines Linearverstärkers nicht weit genug entfernt vom Sättigungsbereich befindet oder die Amplitude des Signals zu hoch ist, tritt Übersteuerung ein, der Verstärker begrenzt das Signal und es treten Verzerrungen auf.

  Das Sperren der Basis-Kollektor-Strecke verzögert sich, da erst alle überschüssigen Ladungsträger aus der Basiszone abfließen müssen.

• Quasi-Sättigungsbereich:

  Dieser Bereich liegt zwischen Verstärkungsbereich und Sättigungsbereich.

  Der Transistor wird nicht gesättigt betrieben, wodurch sich Ausschaltzeit und damit die Ausschaltverlustleistung gegenüber dem Betrieb in vollständiger Sättigung deutlich vermindern, was für Schalt-Anwendungen wichtig ist.

  Erkauft wird dieser Vorteil jedoch durch höhere Durchlassverluste, da die Durchlassspannung

  um ca. 0,4 V höher liegt.

• inverser Verstärkungsbereich:

  Der inverse Verstärkungsbereich (reverse region) wird auch Inversbetrieb genannt. Dabei werden der Basis-Kollektor-Übergang in Durchlassrichtung und der Basis-Emitter-Übergang in Sperrrichtung betrieben. Dieser Bereich funktioniert ähnlich wie der normale Verstärkungsbereich, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen der Spannungen. Der Stromverstärkungsfaktor ist deutlich kleiner.

  Die maximale Sperrspannung der Basis-Emitterdiode beträgt nur einige Volt.

Während in der analogen Signaltechnik Transistoren meistens im linearen Verstärkungsbereich arbeiten, werden sie in der älteren Digitalelektronik und bei Schaltanwendungen fast ausschließlich im Sperr- und im (Quasi-)Sättigungsbereich betrieben. Für diese beiden in der Praxis grundsätzlich unterschiedlichen Betriebsarten werden auch die Bezeichnungen „Linearbetrieb“ (Betrieb nur im Verstärkungsbereich) und „Schaltbetrieb“ (Betrieb nur im Sperr- und Sättigungsbereich bzw. Quasi-Sättigungsbereich) verwendet. Schnelle moderne Digitalschaltungen arbeiten aber ebenfalls im linearen Bereich (LVPECL, LVDS, CML, …) um die Verzögerungen durch die Sättigung zu vermeiden.

Alternativ werden heute bei Schaltanwendungen häufig Feldeffekttransistoren (z. B. MOSFETs) eingesetzt. Sie weisen keine Sättigungserscheinungen durch überschüssige Ladungsträger und somit keine Sperrverzögerungen auf.

Ausführungsbeispiele

Elektrische Parameter

Für verschiedene Einsatzzwecke gibt es tausende Transistortypen mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Wichtige Kenngrößen sind die Strombelastbarkeit (Kollektorstrom; einige Milliampere bis ca. 50 Ampere), die maximale Spannungsbelastbarkeit (Kollektor-Emitter-Sperrspannung; einige V bis einige 100 V), die maximale Verlustleistung (einige mW bis einige 100 Watt), die Stromverstärkung (ca. 5 bis ca. 1000) und die Grenzfrequenz (ca. 10 kHz bis einige GHz).

Oft verwendet man in der Praxis einige wenige Typen häufiger als andere. Viele Transistoren gibt es als Komplementärtypen: es existieren ein pnp- und ein npn-Typ mit betragsmäßig gleichen Parametern, jedoch unterschiedlicher Polarität. Stellvertretend seien hier einige Komplementärtypen und deren Parameter genannt:

Kleinsignaltransistoren (allgemeine Anwendung)

• TO-92-Gehäuse (bedrahtet): BC547B (npn-Transistor) / BC557B (pnp-Transistor): Verlustleistung P_max = 0,50 W; Betrag des Kollektorstromes I_C ≤ 100 mA; Betrag der Sperrspannung U_CE ≤ 45 V; Stromverstärkung B ≈ 290 (bei I_C = 2 mA)

• SOT-23-Gehäuse (SMD): BC817 (npn) / BC807 (pnp): P_max=0,25 W; |I_C| ≤ 500…800 mA; |U_CE| ≤ 45 V; B = 100…600 (bei |I_C| = 100 mA); Transitfrequenz F_{T (min.)} 100 MHz

Der Preis dieser Typen liegt bei Abnahme geringer Stückzahlen bei ca. 3 ct, bei größeren Abnahmemengen sinkt der Preis noch einmal deutlich.

Leistungstransistoren

• TO-3-Gehäuse: 2N3055 (npn) / MJ2955 (pnp): P_max = 115 Watt; |I_C| ≤ 15 A; |U_CEO| ≤ 60 V; B = 20…70 (bei |I_C| = 4 A); Transitfrequenz min. 0,8 MHz
• TO-220-Gehäuse, Darlington-Transistoren: TIP130…132 (npn)/ TIP135…137 (pnp); Kollektorströme bis 8 Ampere, Stromverstärkung min. 1000 (bei 4 Ampere Kollektorstrom), Sperrspannung 60 bis 100 Volt.

2N3055 aus den 1980er Jahren. Siehe Unterschied in der Fertigungstechnik zum Bild oben: Bonding Technik, Abstand der Leitungen

Leistungsdarlington aus den 1980er Jahren

Darlington-Transistoren vereinen zwei Transistoren in einem Gehäuse auf einem Chip, wobei der kleinere davon in einer Emitterfolger-Schaltung der Ansteuerung der Basis des größeren dient. Die Stromverstärkung ist höher (1000 bis 10.000), die Sättigungsspannung jedoch ebenfalls.

Gehäuse-Bauformen

Diskrete Bipolartransistoren werden abhängig vom Einsatzzweck in unterschiedlichen Gehäusen untergebracht. Die gängigsten Gehäuseformen sind:

• Bedrahtete Gehäuse (Durchsteckmontage, kurz THT von engl. through hole technology):
  • TO-92 (Plastikgehäuse 5 × 5,2 mm²)
  • TO-18 und TO-39 (becherförmige Metallgehäuse, vergossen; veraltet)
  • TO-220 (Plastikgeh. mit Lasche zur Kühlkörper-Montage, 9,9 × 15,6 mm²)
  • TO-218 (15 × 20,3 mm²; Plaste mit Metall-Kühlfläche)
  • TO-247 (Plastikgeh. mit Metallfläche zur Kühlkörper-Montage)
  • TO-3 (Metallgehäuse zur Kühlkörper-Montage; veraltet)
  • TO-3P (ähnlich TO-218; mit Metallfläche zur Kühlkörper-Montage)

• Gehäuse für Oberflächenmontage (SMD von engl. surface mounted device); Wärmeableitung über Lötverbindungen zur Leiterplatte:
  • SOT-23 (1,3 × 2,9 mm²)
  • SOT-89 (2,6 × 4,5 mm²)
  • SOT-223 (3,5 × 6,5 mm²)
  • D-PAK, D2-PAK (höhere Verlustleistungen)

Detailbeschreibung

Der Bipolartransistor ist ein sehr gut untersuchtes Bauelement. Um sein Verhalten zu beschreiben gibt es zahlreiche Modelle. Da diese Detailbeschreibungen sehr umfangreich sind, wurden sie in entsprechende Unterartikel ausgegliedert:

• Mathematische Beschreibung des Bipolartransistors
• Transistormodelle und Ersatzschaltbilder des Bipolartransistors
• Transistorrauschen beim Bipolartransistor z. B. in Verstärkern oder allgemein Vierpolen entsteht durch die reellen Widerstände (Johnson-Rauschen) und den Leckstrom, der das Schrotrauschen zur Folge hat.

Siehe auch

• Bipolarer Leistungstransistor
• Transistorgrundschaltungen
• Feldeffekttransistor
• IGBT (eine Mischung aus bipolarem Transistor und MOSFET)
• Liste von Halbleitergehäusen

Literatur

• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-5404-2849-6. 
• Stefan Goßner: Grundlagen der Elektronik. Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen. 7. Auflage. Shaker Verlag GmbH, Aachen 2008, ISBN 978-3-8265-8825-9. 

Weblinks

• Datasheet Catalog (Datenblattsammlung elektronischer Bauelemente)