Bipolartransistor

Grundidee, Typen und Aufbau

Ein Bipolartransistor, englisch bipolar junction transistor (BJT), ist ein Halbleiterbauelement zum elektronischen Schalten und Verstärken. Anders als beim Unipolartransistor tragen beide Arten beweglicher Ladungsträger zum Stromtransport bei: negativ geladene Elektronen und positiv wirkende Defektelektronen, auch Löcher genannt. Gesteuert wird der BJT durch einen elektrischen Strom. Leistungstransistoren sind dabei für höhere Ströme und Spannungen ausgelegt.

Es gibt zwei Grundtypen: npn und pnp. Die Buchstaben bezeichnen die Reihenfolge der p- und n-dotierten Halbleiterschichten. Beide Typen besitzen die Anschlüsse Emitter E, Basis B und Kollektor C. Im Schaltzeichen liegt der Pfeil am Emitter und zeigt in die technische Stromrichtung der positiven Ladungsträger: beim npn-Transistor nach außen, beim pnp-Transistor nach innen.

Der Transistor enthält zwei nahe beieinanderliegende pn-Übergänge: Basis–Emitter und Basis–Kollektor. Eine bloße Verbindung zweier einzelner, entgegengesetzt gepolter Dioden erzeugt jedoch keinen Transistoreffekt. Entscheidend ist eine sehr dünne Basis, deren Dicke kleiner als die Diffusionslänge der Ladungsträger sein muss. Der Emitter ist stärker dotiert als die Basis, diese wiederum stärker als der Kollektor. Wegen dieses asymmetrischen Aufbaus unterscheiden sich Normal- und Inversbetrieb.

Moderne Bipolartransistoren besitzen praktisch mehr als drei Schichten, weil die drei Hauptbereiche nochmals in Zonen unterschiedlicher Dotierungsdichte gegliedert sind. Die Bezeichnungen npn und pnp beziehen sich daher auf den aktiven inneren Bereich. Einzeltransistoren und integrierte Transistoren werden meist in Epitaxial-Planarbauweise gefertigt. In integrierten Schaltungen unterscheidet man vertikale und laterale Bauweisen. Elektrisch möglichst ähnliche npn- und pnp-Typen heißen Komplementärtransistoren; passende Paare werden etwa in Gegentakt-Endstufen eingesetzt. Bei parallelgeschalteten Leistungstransistoren sorgen Emitterwiderstände für eine möglichst gleichmäßige Stromaufteilung.

Stromsteuerung und Ladungstransport

Jeder der beiden pn-Übergänge kann in Fluss- oder Sperrrichtung betrieben werden. Im üblichen Verstärkungsbetrieb ist der Basis-Emitter-Übergang in Flussrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung gepolt. Ein kleiner Basisstrom I_B steuert dann einen wesentlich größeren Kollektorstrom I_C. Das Verhältnis wird als statischer Stromverstärkungsfaktor B bezeichnet und liegt je nach Transistortyp und Kollektorstrom ungefähr zwischen 4 und 1000.

Beim npn-Transistor gilt im Vorwärtsbetrieb U_BE > 0 und U_CB > 0. Ohne leitenden Basis-Emitter-Kreis fließt zwischen Kollektor und Emitter nur ein kleiner Sperrstrom. Wird U_BE größer als die Diffusionsspannung U_D, bei Silizium typischerweise größer als 0,7 V, leitet der Basis-Emitter-Übergang. Elektronen werden aus dem stark dotierten Emitter in die schwächer dotierte Basis injiziert. Gleichzeitig gelangen Löcher aus der Basis in den Emitter, doch wegen der stärkeren Emitterdotierung überwiegt der Elektronenstrom deutlich.

Da die Basis sehr dünn ist, rekombiniert dort nur ein kleiner Teil der Elektronen mit Löchern. Etwa 99 % diffundieren durch die Basis bis zur Basis-Kollektor-Sperrschicht und werden durch deren elektrisches Feld in den Kollektor gezogen. Die in der Basis rekombinierten Ladungsträger müssen über den Basisanschluss ersetzt werden; daraus entsteht ein Teil des Basisstroms. Eine Änderung von I_B beeinflusst deshalb den viel größeren Strom I_C. Beim pnp-Transistor läuft der Vorgang entsprechend mit umgekehrten Vorzeichen und vertauschten Rollen von Elektronen und Löchern ab.

Das Schalten ist nicht vollkommen symmetrisch: Ein größerer Basisstrom lässt den Kollektorstrom schnell ansteigen, beim Abschalten müssen gespeicherte Ladungsträger jedoch erst abgebaut werden. Besonders in Sättigung verlängert dieser Ladungsüberschuss die Abschaltzeit. Ein weiterer begrenzender Einfluss ist der Miller-Effekt durch die Kapazität C_CB zwischen Kollektor und Basis, die bei Kleinsignaltransistoren wenige Pikofarad beträgt. Änderungen des Kollektorpotenzials erzeugen dadurch einen Umladestrom, der der Änderung entgegenwirkt. Eine Kaskodenschaltung kann diesen Effekt vermeiden.

Arbeitsbereiche und Kennlinien

Aus der Fluss- oder Sperrpolung der beiden pn-Übergänge ergeben sich vier grundlegende Arbeitsbereiche sowie ein Übergangsbereich:

• Im Sperrbereich sperren beide Übergänge. Der Transistor entspricht näherungsweise einem geöffneten Schalter; praktisch fließt ein kleiner Leckstrom.

• Im Verstärkungsbereich leitet der Emitterübergang, während der Kollektorübergang sperrt. Näherungsweise gilt I_C = β · I_B. Kleine Änderungen des Basisstroms bewirken daher große Änderungen des Kollektorstroms. Dieser Bereich dient zur möglichst linearen Signalverstärkung. Auch schnelle Digitalschaltungen wie LVPECL, LVDS und CML arbeiten dort, um Sättigungsverzögerungen zu vermeiden.

• Im Sättigungsbereich leiten beide Übergänge. In der Basis befinden sich mehr Ladungsträger, als für den Kollektorstrom benötigt werden; I_C wird dadurch unabhängig von I_B. Der Transistor wirkt wie ein geschlossener, aber nicht idealer Schalter. Bei einem Linearverstärker führt das Erreichen dieses Bereichs zur Begrenzung und Verzerrung des Signals. Beim Ausschalten müssen zunächst die überschüssigen Ladungsträger abfließen.

• Der Quasi-Sättigungsbereich liegt zwischen Verstärkung und vollständiger Sättigung. Er verkürzt Ausschaltzeit und Ausschaltverluste, erhöht aber die Durchlassspannung um ungefähr 0,4 V. Eine Anwendung ist Schottky-TTL.

• Im inversen Verstärkungsbereich leitet der Basis-Kollektor-Übergang, während der Basis-Emitter-Übergang sperrt. Das Verhalten ähnelt dem normalen Verstärkungsbetrieb mit umgekehrten Spannungszeichen, doch die Stromverstärkung ist deutlich kleiner. Die maximale Sperrspannung der Basis-Emitterdiode beträgt nur einige Volt. Voll durchgesteuert kann die Durchlassspannung unter 10 mV sinken.

Kennlinienfelder stellen das elektrische Verhalten grafisch dar. Das Eingangskennlinienfeld zeigt I_B in Abhängigkeit von U_BE und entspricht im Wesentlichen einer Diodenkennlinie. Das Ausgangskennlinienfeld zeigt I_C in Abhängigkeit von U_CE für verschiedene Werte von I_B. Die Stromsteuerkennlinie stellt I_C über I_B bei konstantem U_CE dar; ihre annähernd lineare Steigung entspricht β. Das Spannungsrückwirkungskennlinienfeld beschreibt, wie U_CE auf U_BE zurückwirkt. Zusammen bilden diese Darstellungen ein Vierquadrantenkennlinienfeld.

Modelle und mathematische Beschreibung

Ein vereinfachtes Großsignalmodell beschreibt den Transistor durch eine Basis-Emitter-Diode und eine von I_B gesteuerte Stromsenke zwischen Kollektor und Emitter. Es gilt im Verstärkungsbereich, wenn der Basis-Emitter-Übergang vorwärts und der Basis-Kollektor-Übergang rückwärts gepolt ist. Zu den genaueren Großsignalmodellen gehören das Ebers-Moll-, das Transport- und das Gummel-Poon-Modell. Großsignalmodelle beschreiben den gesamten zulässigen Spannungsbereich.

Das Kleinsignalmodell linearisiert das Verhalten in einem engen Bereich um einen festgelegten Arbeitspunkt. Dadurch lassen sich Verfahren für lineare Schaltungen verwenden. Zu seinen Größen gehören der differentielle Basis-Emitter-Widerstand r_BE als Tangente an die Diodenkennlinie, der differentielle Kollektor-Emitter-Widerstand r_CE aus der Steigung der Ausgangskennlinie unter Einfluss des Early-Effekts und der differentielle Stromverstärkungsfaktor β. Der Datenblattwert h_FE entspricht β. Dynamische Modelle berücksichtigen zusätzlich die Kapazitäten der Sperrschichten und eignen sich für mittlere bis hohe Frequenzen.

Das einfache Stromverstärkungsmodell verwendet I_C = β · I_B. β kann jedoch selbst zwischen Transistoren desselben Typs und derselben Charge stark schwanken und hängt außerdem von Temperatur und Kollektorstrom ab. Das Ebers-Moll-Modell betrachtet den Transistor dagegen als Transkonduktanzbauelement: Der Kollektorstrom wird durch die Basis-Emitter-Spannung V_BE gesteuert. Es gilt I_C = I_S · (e^(V_BE/V_T) − 1) und umgekehrt V_BE = V_T · ln(I_C/I_S + 1). V_T ist die thermische Spannung und beträgt bei Raumtemperatur etwa 26 mV. I_S ist der stark temperaturabhängige Sättigungsstrom, bei einem Kleinsignaltransistor typischerweise 10^−15 A. In der üblichen Näherung werden die Beziehungen zu I_C = I_S · e^(V_BE/V_T) und V_BE = V_T · ln(I_C/I_S).

Anwendungen, Kenngrößen und Bauformen

Bipolartransistoren wurden in vielen Bereichen durch MOSFETs verdrängt, bleiben aber unter anderem für translineare Schaltungen bedeutsam. Diese nutzen das exponentielle Verhalten des pn-Übergangs für nichtlineare Funktionen wie Multiplikation, Division, Quadrieren, Pythagoras, variable Verstärkung und Frequenzmischung. Solche Schaltungen können in der Hochfrequenztechnik bei weit über 100 MHz arbeiten; ein bekanntes Beispiel ist die Gilbertzelle. Weitere Anwendungen lagen in analogen Computern und künstlichen neuronalen Netzen.

Wichtige elektrische Kenngrößen sind der maximale Kollektorstrom I_C von einigen Milliampere bis etwa 50 A, die maximale Kollektor-Emitter-Sperrspannung U_CE von einigen Volt bis einigen hundert Volt, die maximale Verlustleistung P_max von einigen Milliwatt bis einigen hundert Watt, die Stromverstärkung B von ungefähr 5 bis 1000 und die Grenzfrequenz von etwa 10 kHz bis 100 GHz.

Ein typisches Kleinsignal-Komplementärpaar ist BC547B (npn) und BC557B (pnp) im TO-92-Gehäuse: P_max = 0,50 W, |I_C| ≤ 100 mA, |U_CE| ≤ 45 V und B ≈ 290 bei I_C = 2 mA. Ein Beispiel für Leistungstransistoren ist das Paar 2N3055/MJ2955 im TO-3-Gehäuse mit P_max = 115 W, I_C ≤ 15 A, U_CEO ≤ 60 V, B = 20…70 bei |I_C| = 4 A und einer minimalen Transitfrequenz von 0,8 MHz.

Darlington-Transistoren enthalten zwei Transistoren, wobei der kleinere die Basis des größeren ansteuert. Ihre Stromverstärkung beträgt ungefähr 1.000 bis 30.000, ist also deutlich höher als bei einem Einzeltransistor. Dafür liegen die Sättigungsspannung bei etwa 1 V und die Basis-Emitter-Spannung bei ungefähr 1,4 V.

Diskrete Transistoren gibt es als bedrahtete THT-Gehäuse, beispielsweise TO-92, TO-220 oder TO-247, sowie als SMD-Gehäuse für die Oberflächenmontage, beispielsweise SOT-23, SOT-89, SOT-223, D-PAK und D2-PAK. Leistungsgehäuse besitzen häufig Metallflächen oder Laschen zur Kühlkörpermontage; bei SMD-Bauformen wird Wärme über die Lötverbindungen zur Leiterplatte abgeführt.