Bipolarer Transistor

Viele von Ihnen werden dieses Bauteil wahrscheinlich noch nicht gesehen haben. Dieses Bauteil nennt sich bipolarer Transistor. Der Transistor ist deswegen bipolar, weil sein Aufbau nicht symmetrisch, sondern asymmetrisch ist. Die meisten Transistoren sind Siliziumtransistoren, jedoch gibt es auch Transistoren, die aus Germanium bestehen, jedoch sind diese seltener. Es gibt noch eine weitere Transistorart, den Feldeffekttransistor dieser wird hier in diesem Artikel nicht beschrieben. 

Von den Bipolartransistoren gibt es zwei Arten, einmal den NPN-Transistor (negativ, positiv, negativ) und den pnp Transistor (PNP) positiv, negativ, positiv. Beide Transistoren bestehen aus drei Halbleiterschichten. Diese liegen übereinander. Die mittlere Schicht  Bei einer Widerstandsänderung in der einen Schicht, ändert sich auch der Widerstand in der anderen Schicht. Transistoren können als Schalter, als auch Verstärker agieren. 

Funktionsprinzip eines NPN-Transistors

Wenn man eine Spannung von 0,7V an die Basis und Emitter anschließt ist die untere Diode (prinzip) in Durchlassrichtung geschaltet. Die p-Schicht zieht die Elektronen an, da diese aber nur sehr schwach ist, gelangen die Elektronen zum Kollektor. Eine weitere Spannung, die am Kollektor und Emitter anliegt, zieht die Elektronen an. 99% Prozent der Elektronen landen so beim Kollektor, während nur ein Prozent an der Basis abfließen.

Eigenschaften eines bipolaren NPN-Transistors

1. Der Kollektorstrom IC fließt nur, wenn auch ein Basisstrom IB fließt. Wird der Basisstrom IB verändert, dann verändert sich auch der Kollektorstrom IC. Innerhalb des Transistors wirkt die Basisstromänderung wie eine Widerstandsänderung. Der Transistor wirkt bei einer Basisstromänderung wie ein elektrisch gesteuerter Widerstand.
2. Der Kollektorstrom IC ist um ein vielfaches von 20 bis 10000 mal größer als der Basisstrom IB. Dieser Größenunterschied kommt von der Aufteilung des Elektronenflusses von Kollektor (C) und Basis (B). Diesen Größenunterschied nennt man Stromverstärkung B. Er lässt sich aus dem Verhältnis IC zu IB berechnen.
3. Der Basisstrom IB fließt erst dann, wenn die Schwellspannung UBE an der Basis-Emitter-Strecke erreicht ist. Der Schwellwert ist abhängig vom Halbleitermaterial. Üblicherweise nimmt man Silizium-Transistoren, mit einem Schwellwert von 0,6 bis 0,7 V. Es gibt auch Germanium-Transistoren mit einem Schwellwert von 0,3 V.
   Mittels einer Hilfsspannung UBE kann der Schwellwert vorab eingestellt werden. Dieses Vorgehen wird als Arbeitspunkteinstellung bezeichnet. Um diese eingestellte Spannung kann nun der Basisstrom den Kollektorstrom steuern.
4. Wenn kein Basisstrom IB fließt, dann sperrt der Transistor. Sein Widerstand in der Kollektor-Emitter-Strecke ist unendlich groß. Die Spannung am Kollektor-Emitter ist sehr groß. Fließt ein Basisstrom, dann wird der Transistor leitend. Sein Widerstand ist kleiner geworden. Damit ist auch die Spannung am Kollektor-Emitter kleiner. Genauer betrachtet führt eine Zunahme am Eingang (Basis) zu einer Abnahme am Ausgang (Kollektor-Emitter). Man nennt das auch invertierendes Verhalten. Diese Eigenschaft ist das Schaltverhalten des bipolaren Transistors und wird in der Elektronik sehr häufig angewendet (Transistor als Schalter).
5. Wenn die Spannung UCE kleiner ist, als die Spannung UBE, dann befindet sich der bipolare Transistor in der Sättigung oder im Sättigungsbetrieb. Das passiert dann, wenn der Transistor durch den Basisstrom überflutet wird. Der Basisstrom ist dann so groß, dass die maximale Stromverstärkung schon längst erreicht ist und der Kollektorstrom nicht mehr weiter steigt.
   Generell hat das keine negativen Auswirkungen, solange der maximale Basisstrom nicht überschritten wird. Wenn doch, dann wird der Transistor zerstört.
   Allerdings hat der Sättigungsbetrieb negative Auswirkungen auf das Schaltverhalten eines Transistors. Bei einem schnellen Schaltvorgang, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung UCE schnell wechseln muss. Dann muss der Transistor erst von der Ladungsträgerüberflutung freigeräumt werden. Das dauert länger, als wenn nur wenige Ladungsträger über die Basis abfließen. Diese Verzögerung macht sich bei hohen Schaltfrequenzen negativ bemerkbar. Dann sollte der Sättigungsbetrieb vermieden werden.
6. Der bipolare Transistor vereint zwei Stromkreise in sich. Der Stromkreis mit der Spannung UBE wird als Steuerstromkreis bezeichnet. Der Stromkreis mit der Spannung UCE wird als Arbeits- oder Laststromkreis bezeichnet. (Zitat: Elektronik Kompendium; Bipolarer Transistor ;https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0201291.htm) 
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