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Der npn- Transistor

Der in Durchlassrichtung vorgespannte pn- Übergang befindet sich in einem niederohmigen Stromkreis: das heißt, schon bei kleinen Spannungen fließt ein recht großer Strom. Dagegen ist der in Sperrrichtung vorgespannte pn- Übergang Teil eines hochohmigen Stromkreises. Gemäß der Formel P = I2·R ist also bei konstantem Strom von einer höheren Leistung auszugehen. Wenn also ein Strom durch den in Durchlassrichtung vorgespannten pn- Übergang einen gleich großen Strom durch den in Sperrrichtung vorgespannten pn- Übergang verursacht, dann wird von diesem Kristall eine Leistungsverstärkung des Eingangssignales erwartet.
Das waren die Vorstellungen der Erfinder des Transistors im Jahre 1948 und in der Folge wurde der npn Transistor entwickelt. Diese Entwicklung wollen wir jetzt hier gedanklich nachvollziehen.

Kollektor
Basis
Emitter
Durchlass-
polung

Bild 1: Der in Durchlassrichtung vorgespannte pn- Übergang eines npn Transistors

Kollektor
Basis
Emitter
Durchlass-
polung

Bild 1: Der in Durchlassrichtung vorgespannte pn- Übergang eines npn Transistors

Wie bei dem pn- Übergang einer Diode haben die beiden n- dotierten Halbleiterschichten des Transistors eine Anzahl freier Elektronen als Ladungsträger. Die dünne p- dotierte Halbleiterschicht des Transistors hat dagegen als Ladungsträger die Elektronenlöcher. Physikalisch finden hier an jedem pn- Übergang die gleichen Vorgänge statt, wie sie schon bei der Halbleiterdiode beschrieben wurden. Es entsteht also durch Diffusion und gleichzeitiger Rekombination der Ladungsträger im Grenzgebiet eine Raumladungszone, also eine hochohmige Sperrzone, deren Widerstand durch verschiedene Vorspannungspolung verändert werden kann. Um den Transistor als Verstärkerbaustein nutzen zu können, muss die Größe der Raumladungszonen durch unterschiedliche Vorspannungen modifiziert werden. Der erste pn- Übergang (Basis-Emitter) wird in Durchlassrichtung (also niederohmig) betrieben, der zweite pn- Übergang (Basis-Kollektor) wird in Sperrrichtung (also hochohmig) betrieben. Die Buchstaben der Dotierung kann hier als Hilfe verwendet werden, um eine falsche Polung zu vermeiden:

Dabei werden die Anschlüsse des Transistors immer in der Reihenfolge „Emitter-Basis-Kollektor” betrachtet. Wie das Bild 2 zeigt, hat der Emitter, der durch den ersten Buchstaben der npn Zonenfolge gekennzeichnet ist, gegenüber der Basis ein negativeres Potential. die Basis (zweiter Buchstabe) ist also positiver und der Kollektor wieder negativer vorgespannt. (Da sich die Kollektorspannung aber mit der Basisspannung überlagert, muss für die geforderte Sperrpolung der Kollektor eine sehr viel größere positive Spannung bezogen zum Emitter haben.)

Kollektor
Basis
Emitter
Sperr-
polung
Durchlass-
polung

Bild 2: Die Spannungen am npn Transistor

Kollektor
Basis
Emitter
Sperr-
polung
Durchlass-
polung

Bild 2: Die Spannungen am npn Transistor

pn- Übergang in Durchlasspolung

Bei der Betrachtung der Diode war es noch unwichtig, aber hier muss man für das Verständnis der Funktion wissen, dass das n- dotierte Halbleitermaterial sehr viel mehr Störstellen (also Fremdatome) hat als das p- dotierte Halbleitermaterial. Das ermöglicht im n- dotierten Halbleitermaterial einen größeren Strom durch die Majoritätsträger (hier die freien Elektronen), als die Majoritätsträger des p- dotierten Halbleitermaterials (hier die Elektronenlöcher) aufnehmen können. Die Basis wird also mit zusätzlichen freien Elektronen aus dem n- dotierten Halbleitermaterial des Emitters „überschwemmt”.

Löcher-
bewegung
Elektronen-
bewegung

Bild 3: Ströme in einem in Durchlassrichtung betriebenen npn Transistor.

Löcher-
bewegung
Elektronen-
bewegung

Bild 3: Ströme in einem in Durchlassrichtung betriebenen npn Transistor.

Der Strom wird durch freie Elektronen aus dem Minus-Pol der Batterie hin zum n- dotierten Halbleitermaterial realisiert. Auch im n- dotierten Halbleitermaterial des Emitters erfolgt der Stromfluss durch die freien Elektronen. Jedes freie Elektron, welches in die p- dotierten Halbleiterzone der Basis eindringt, füllt dort ein Loch. Gleichzeitig verlässt am Basis-Anschluss ein Elektron das Halbleitermaterial und hinterlässt ein Elektronenloch. Diese Löcher sind positive Ladungsträger und bewegen sich (wie schon im Modell gezeigt) entgegengesetzt zum Elektronenstrom. Der Elektronenstrom verlässt den Transistor am Basisanschluss und fließt zurück zur Batterie.

pn- Übergang in Sperrpolung
Kollektor
Basis
Emitter
Sperr-
polung
Löcher-
bewegung
Elektronen-
bewegung

Bild 4: Der in Sperrrichtung vorgespannte pn- Übergang eines npn Transistors

Kollektor
Basis
Emitter
Sperr-
polung
Löcher-
bewegung
Elektronen-
bewegung

Bild 4: Der in Sperrrichtung vorgespannte pn- Übergang eines npn Transistors

Der zweite pn- Übergang befindet sich zwischen Basis und Kollektor (Bild 4) und ist in Sperrrichtung vorgespannt. Es können also außer dem sehr geringen Sperrstrom keine Elektronen den pn- Übergang passieren. Aber dieser Sperrstrom wird durch die Minoritätsträger verursacht. (Zur Erinnerung: Minoritätsträger sind im n- dotierten Halbleitermaterial die Elektronenlöcher und im p- dotierten Halbleitermaterial die Elektronen.) Und genau dieser Sperrstrom hat hier im Transistor eine entscheidende Bedeutung.

Wechselbeziehung zwischen den pn- Übergängen

Im Bild 5 erhalten die Batterien für die Vorspannung besondere Namen, die vor allem in Datenblättern eine Symbolwirkung erhalten. So ist VCC die Kollektorspannung und VBB die Basisvorspannung. VBB ist übrigens immer sehr viel kleiner als VCC. Die Kollektorspannung liegt meist um die 6 Volt.

Kollektor
Basis
Emitter
Sperr-
polung
Durchlass-
polung
Löcher-
bewegung
Elektronen-
bewegung
VBB
VCC

Bild 5: ein relativ kleiner Basisstrom bewirkt einen relativ großen Kollektorstrom

Kollektor
Basis
Emitter
Sperr-
polung
Durchlass-
polung
Löcher-
bewegung
Elektronen-
bewegung
VBB
VCC

Bild 5: ein relativ kleiner Basisstrom bewirkt einen relativ großen Kollektorstrom.

In der äußeren Beschaltung wird der Strom ausschließlich durch freie Elektronen realisiert. Aus beiden Stromkreisen fließt der Elektronenstrom von den Batterien zum Emitter aus n- dotiertem Halbleitermaterial (IE). Da auch hier die Elektronen die Majoritätsträger sind, ändert sich hier gegenüber dem Stromfluss im Leiter nichts. Erst nach dem pn- Übergang wird im p- dotiertem Halbleitermaterial der Strom durch die dortigen Majoritätsträger (also die Elektronenlöcher) übernommen.

Diejenigen Elektronen, die nun durch Rekombination die Löcher im p- dotierten Halbleitermaterial füllen, sind allerdings nun für einen Kollektorstrom verloren. Wir sprachen schon mal davon, dass die Basis mit zusätzlichen freien Elektronen aus dem n- dotierten Halbleitermaterial des Emitters „überschwemmt” wird. Da diese Halbleiterzone aber extrem dünn und vor allem schwach dotiert ist, werden nur wenige freie Elektronen aus dem n- dotierten Halbleitermaterial zur Rekombination benötigt. Die meisten Elektronen gelangen so unter den Einfluss des starken elektrischen Feldes der Kollektorspannung, überwinden somit die Sperrzone und erzeugen so den Kollektorstrom! Und wenn die Elektronen einmal im n- dotierten Halbleitermaterial des Kollektors angekommen sind, dann haben wir es wieder mit dem normalen Elektronenstrom zu tun und messen einen Kollektorstrom (IC).

Zweckmäßigerweise ist die Kollektorzone sehr viel größer als die Basiszone. Das hat erstens den Vorteil, dass mehr Ladungsträger aufgenommen werden können und zweitens erhöht das auch die Wärmeleitfähigkeit des Kollektors, der somit mehr Strom aufnehmen kann, ohne gleich thermisch zerstört zu werden.

Bild 6: Ströme im npn Transistor

Bild 6: Ströme im npn Transistor

Zusammenfassend fließen alle Transistorströme durch den Emitteranschluss. Prozentual ist davon etwa 2 bis 5 % der Anteil des Basisstromes (IB) und der Rest ist der Kollektorstrom (IC). Es gilt:

IE = IB + IC

Der Emitterstrom teilt sich also in den Basisstrom und den Kollektorstrom. Der Basisstrom verursacht den Kollektorstrom. Kleine Änderungen des Basisstromes haben eine sehr viel größere Änderung des Kollektorstromes zur Folge.