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Bipolare Transistoren

n p n
Emitter
Basis
Kollektor
pn-Übergänge
p n p
Emitter
Basis
Kollektor
pn-Übergänge

Bild 1: Anordnung des Halbleitermaterials in einem Transistor

Ein npn- Transistor
n p n
Emitter
Basis
Kollektor
pn-Übergänge
Ein pnp- Transistor
p n p
Emitter
Basis
Kollektor
pn-Übergänge

Bild 1: Anordnung des Halbleitermaterials in einem Transistor

Es wurden bisher sehr viele unterschiedliche bipolare Transistortypen entwickelt, doch das Grundprinzip ist bei allen das Gleiche. Grundsätzlich gilt die gleiche Theorie, wie sie schon bei der Halbleiterdiode mit nur einem pn- Übergang angewendet wurde. Ein Transistor hat jedoch zwei solcher pn- Übergänge und verwendet mindestens drei Anschlüsse, welche

  1. Emitter, der Anschluss, welcher die Ladungsträger aussendet
  2. Basis, der Anschluss, welcher den Ladungsträgerstrom steuert, und
  3. Kollektor der Anschluss, der die Ladungsträger aufnimmt

genannt werden.

Unterteilung

Transistoren werden auf Grund ihrer Zonenfolge entweder in npn oder pnp- Transistoren eingeteilt. Der grundsätzliche Aufbau ist somit schon im Namen verankert. So ist der npn- Transistor eine Anordnung von einer dünnen p- Schicht eingebettet zwischen zwei n- Schichten. Analog dazu ist der pnp- Transistor eine Anordnung von einer dünnen n- Schicht eingebettet zwischen zwei p- Schichten. Diese Art Transistoren haben also zwei pn Übergänge wie im Bild 2 gezeigt wird. Der eine pn Übergang liegt zwischen Basis und Kollektor. Der zweite pn Übergang liegt zwischen Basis und Emitter. Beide pn Übergänge verbinden drei Halbleiterzonen mit unterschiedlicher Dotierung. Ein bipolarer Transistor besteht also aus drei Halbleiterzonen.

n p n
Emitter
Basis
Kollektor
p n p
Emitter
Basis
Kollektor

Bild 2: Schaltsymbole von Transistoren

Ein npn- Transistor
n p n
Emitter
Basis
Kollektor
p n p
Emitter
Basis
Kollektor

Bild 2: Schaltsymbole von Transistoren

Da Majoritäts- und Minoritätsträger im n und p dotierten Halbleitermaterial unterschiedlich sind, funktionieren beide Transistortypen auch unterschiedlich. Genauer wird das auf den nächsten Seiten beschrieben.

Bei der Betrachtung von Schaltbildern muss zwischen diesen beiden Typen von Transistoren unterschieden werden. Bild 2 zeigt die unterschiedlichen Symbole. Es gibt da eine Eselsbrücke, die aber in so schlechtem Deutsch formuliert ist, dass ich sie hier nur ungern wiedergebe:
pnp heißt demnach soviel wie „Pfeil nach Platte”.

Eine zweite Möglichkeit, sich die Symbole einzuprägen ist der Umstand, dass der Pfeil wie bei einer Halbleiterdiode immer in Bewegungsrichtung der Elektronenlöcher zeigt, also vom p- Material weg zum n- Material.

Aufbau eines Transistors

Die ersten Transistoren waren alle mit pn Übergängen ausgestattet, die wie eine Spitzendiode einem Metallspitzenkontakt konstruiert wurden. Im Unterschied zur Diode hatte der Transistor allerdings zwei solcher Spitzenkontakte wie das Bild 3, Ansicht A) zeigt. Jeder dieser Spitzenkontakte ist zu einem Anschluss herausgeführt und wird als Emitter und Kollektor bezeichnet.

Emitter
Basis
Kollektor
Emitter
Basis
Kollektor
Emitter
Basis
Kollektor
Emitter
Basis
Kollektor

Bild 3: prinzipieller Aufbau von Transistoren

Emitter
Basis
Kollektor
Emitter
Basis
Kollektor
Emitter
Basis
Kollektor
Emitter
Basis
Kollektor

Bild 3: prinzipieller Aufbau von Transistoren

Emitter
Basis
Kollektor
Emitter
Basis
Kollektor
Emitter
Basis
Kollektor
Emitter
Basis
Kollektor
Spitzenkontakttransistor Monokristall angeschmolzenes Halbleitermaterial hineindiffundiertes Halbleitermaterial

Bild 3: prinzipieller Aufbau von Transistoren

Diese Spitzenkontakttransistoren sind aber mittlerweile technisch veraltet. Sie werden durch Transistoren ersetzt, die in allen Beziehungen weitaus günstigere Eigenschaften haben und sich auch besser herstellen lassen. Monokristalline Transistoren haben ein sehr viel besseres Rauschverhalten, verarbeiten höhere Leistungen, haben höhere Stromverstärkungen und sind spannungsfester als die Spitzenkontakttransistoren. Die komplizierteste Technologie weist der Transistor aus einem gewachsenen Kristall (Ansicht B) auf, da hier die dünne Basisschicht durch zweimaligen Wechsel des flüssigen Halbleitermaterials wachsen muss. Wie bei einer Diode kann das unterschiedlich dotierte Halbleitermaterial aber auch angeschmolzen (Ansicht C) oder in das Basismaterial hineindiffundiert (Ansicht D) werden.

Das Innere eines Silizium-Planar-Transistors
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Bild 4: Das Innere eines Silizium-Planar-Transistors

Trotz der unterschiedlichen Herstellungstechnologien ist ein Faktor bei der Herstellung wesentlich: die Qualitätskontrolle. Bei der Herstellung von Transistoren ist die Ausschussrate immer noch extrem hoch. Selbst geringste Schwankungen z.B. in der Umgebungstemperatur hat bei der Herstellung von Transistoren einen wesentlichen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Produktes. Auch danach muss der Transistor vorsichtig behandelt werden, um eine lange Lebensdauer zu realisieren. Deshalb werden bei Transistoren:

  1. die Elektroden mit dünnen, meist goldenen Anschlussdrähten („Bond-Drähte”) an den Lötanschlüssen „verbondet”,
  2. der Kristall mit einem speziellen Gehäuse vor mechanischen Einflüssen geschützt und
  3. zum Schutz vor Verschmutzung versiegelt.