Funktionsweise von Bipolartransistoren

Ein Bipolartransistor – im Englischen als bipolar junction transistor (BJT) oder auch als bipolar transistor bezeichnet – ist ein vielseitig einsetzbares diskretes Halbleitergerät, welches häufig in Schaltungen und Elektronikgeräten eingesetzt wird. Der Begriff "Transistor" ist eine Kombination aus "Transfer" und "Resistor" (Widerstand), was auf seine Fähigkeit hinweist, Widerstand zu übertragen oder zu steuern. Diskrete Halbleiter dienen in erster Linie dazu, eine Funktion als einzelner Halbleiter zu erfüllen, anders als der Einbau mehrerer Halbleiterkomponenten in einen integrierten Schaltkreis auf einer Leiterplatte. Bipolartransistoren sind Halbleiterrelaiskomponenten aus Silizium oder Germanium mit drei Pins (Basis, Kollektor und Emitter), die aus drei Siliziumschichten aufgebaut sind. Es gibt zwei Haupttypen von Transistoren: den PNP- (positiv-negativ-positiv) und den NPN-Typ (negativ-positiv-negativ). Wie bei allen Transistoren besteht die Grundfunktion eines Bipolartransistors in der Regel in der Leistungsverstärkung.

Bipolartransistoren sind stromverstärkende Bauelemente auf Halbleiterbasis, d. h. ein viel geringerer Basisstrom erzeugt einen stärkeren Strom, der vom Emitter zum Kollektor fließt. Im Gegensatz zu Transformatoren, die entweder Strom oder Spannung verstärken können, können Transistoren beides verstärken, daher die Bezeichnung als bipolarer Transistor. In seiner Rohkonfiguration verstärkt ein Bipolartransistor natürlich den Strom, kann aber bei der Integration in einen Stromkreis leicht für die Verstärkung der Spannung sorgen. Daher findet ein Bipolartransistor häufig zur Signalverstärkung über ein breites Spektrum von Stromkreisen, Systemen und Produkttypen hinweg Verwendung.

Bipolartransistoren können sowohl analoge als auch digitale Signale verstärken und bieten gleichzeitig die Möglichkeit, Gleichstrom zu schalten oder als Oszillator zu arbeiten.

Bipolartransistoren gehören zu den ersten funktionellen Transistoren, die je entwickelt wurden und waren das Ergebnis der unternehmerischen Arbeit der renommierten Physiker und Ingenieure John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley. Die drei bauten in der Nachkriegszeit zunächst in den Bell Laboratories Transistoren, welche sich in den darauffolgenden Jahrzehnten zum Standardbauteil in der Elektronik etablierten. Für seinen Beitrag, Bipolartransistoren in der Großserienfertigung einzuführen, erhielt das Erfindertrio 1956 den Nobelpreis.

Der Begriff "Transistor" ist ein Oberbegriff, der verschiedene Arten von Geräten umfasst, die zur Steuerung des elektrischen Stroms verwendet werden. Bipolartransistoren sind eine bestimmte Art von Transistor. Ein anderer weit verbreiteter Transistortyp ist der Feldeffekttransistor (FET).

Der Hauptunterschied zwischen Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren besteht in der Art und Weise, wie sie den Strom steuern.

Bipolartransistoren sind stromgesteuerte Geräte. Das bedeutet, dass eine kleine Änderung des Stroms, der in die Basis (die mittlere Schicht des Transistors) fließt, eine große Änderung des Stroms bewirkt, der zwischen dem Emitter (der "Eingangsschicht") und dem Kollektor (der "Ausgangsschicht") fließt. Dies macht sie besonders nützlich für Anwendungen wie Signalverstärkung.

Feldeffekttransistoren hingegen sind spannungsgesteuert. Sie verwenden ein elektrisches Feld, um den Stromfluss durch ein Halbleitermaterial zu steuern. Diese Spannungssteuerung macht FETs ideal für Anwendungen, die hohe Eingangsimpedanz erfordern, wie beispielsweise in integrierten Schaltungen, wo sie dazu beitragen, den Stromverbrauch zu reduzieren.

In der Praxis werden beide Typen von Transistoren in einer Vielzahl von elektronischen Geräten und Schaltungen verwendet, abhängig von den spezifischen Anforderungen der Anwendung.

Signalverstärkung: In Audioverstärkern, Radios und anderen Kommunikationsgeräten kommen häufig Bipolartransistoren zum Einsatz. Ihre Fähigkeit, kleine elektrische Signale stark zu verstärken, macht sie hier besonders nützlich. Ein minimaler Spannungswechsel am Basis-Emitter-Übergang kann einen großen Stromwechsel vom Kollektor zum Emitter bewirken, was einer Signalverstärkung entspricht.

Oszillatoren: Diese speziellen Schaltungen erzeugen Wellenformen mit bestimmten Frequenzen, die in Funkkommunikationssystemen, Computertaktsignalen und ähnlichen Bereichen genutzt werden. Bipolartransistoren spielen eine zentrale Rolle in der Funktion dieser Oszillatoren.

Als Schalter: In digitalen Logikschaltungen dienen Bipolartransistoren oft als Schalter, die den Stromfluss steuern. Sie sind entweder vollständig "ein" (leitend) oder "aus" (nichtleitend). Mikroprozessoren und andere digitale Schaltungen verwenden diese Transistoren häufig als Schaltelemente.

Spannungs- und Stromregelung: Um eine konstante Ausgangsspannung oder einen konstanten Ausgangsstrom zu liefern, werden Bipolartransistoren oft in Strom- und Spannungsreglerschaltungen verwendet.

MOSFET vs. Transistor

Obwohl moderne Logikschaltkreise, Mikroprozessoren und Speicherchips immer häufiger mit MOSFETs bestückt werden, ist eine Vielzahl anspruchsvoller Anwendungen immer noch auf Bipolartransistoren angewiesen. Dazu gehören das Verstärken von Mikrowellenstrahlung und Mobiltelefonen, Leistungsschaltanwendungen sowie Hochgeschwindigkeitslogikschaltkreise.

Übersicht der Unterschiede von Bipolartransistoren und MOSFETs:

Bipolartransistoren, auch als Bipolar Junction Transistoren (BJT) bekannt, bestehen aus drei Teilen: dem Emitter, der Basis und dem Kollektor. Diese Teile sind in der Regel aus halbleitendem Material gefertigt, wie z.B. Silizium oder Germanium.

Emitter (E)

Der Emitter ist die Region, aus der Ladungsträger (Elektronen oder Elektronenlöcher) in den Transistor injiziert werden. Im Falle eines NPN-Transistors werden Elektronen vom Emitter in die Basis injiziert, während im PNP-Transistor Löcher vom Emitter in die Basis injiziert werden. Der Emitter ist in der Regel stark dotiert, um eine hohe Injektionsrate von Ladungsträgern zu gewährleisten.

Basis (B)

Die Basis ist die mittlere Region, durch die die Ladungsträger transportiert werden. Sie ist sehr dünn und schwach dotiert. Die Basis hat zwei Aufgaben: Sie kontrolliert den Strom, der vom Emitter zum Kollektor fließt (da nur ein kleiner Teil der Ladungsträger in der Basis rekombiniert und der Rest zum Kollektor gelangt), und sie stellt eine Barriere für den Stromfluss vom Kollektor zum Emitter dar.

Kollektor (C)

Der Kollektor ist die Region, in der die injizierten Ladungsträger gesammelt werden. Er ist typischerweise weniger dotiert als der Emitter, aber stärker dotiert als die Basis. Der Kollektor ist auch größer als der Emitter, um eine hohe Leistungsaufnahme zu ermöglichen.

Wie der Name des Bipolartransistorsschon verrät, vereint ein solcher Transistor positive und negative Ladungen (also bipolare Ladungen) in einem Halbleiter. Ermöglicht wird dies durch das Schichten unterschiedlicher Arten von Halbleitern, üblicherweise Silizium oder Germanium, zu einer Verbindung, entweder in der Konfiguration NPN oder PNP. Zwischen den beiden Außenschichten, Kollektor (C) und Emitter (E), befindet sich die Basis (B). Diese werden über Klemmen oder Pins mit dem Schaltkreis verbunden.

Wie bei anderen Transistoren auch besteht das grundsätzliche Funktionsprinzip eines Bipolartransistors darin, eine geringe Menge Strom, die zwischen Basis- und Kollektor fließt, in einen stärkeren Strom zwischen Kollektor- und Emitter umzuwandeln. In dieser Hinsicht gleicht ein Bipolartransistor im Wesentlichen einem Verstärker. Daher überrascht es wenig, dass diese Technologie häufig im Audiobereich Einsatz findet. Besonders gut funktionieren Bipolartransistoren in elektronischen Audio-E/A-Konfigurationen sowie in der Funktechnik bzw. im Mobilfunk.

Bipolartransistoren funktionieren sowohl linear als auch nichtlinear, je nach Bereich des Basis-Emitter-Stroms. Außerhalb des in der jeweiligen Spezifikation des Transistors angegebenen Strombereichs hört die Beziehung zwischen dem Basis-Emitter-Strom und Kollektor-Emitter-Strom (auch Verstärkung genannt) auf linear zu sein. Der Bipolartransistor kann deshalb in einer von drei Betriebsarten betrieben werden: "Sperrbetrieb" (aus), "Sättigung" (ein) sowie die standardmäßige "aktive" (Verstärkungs)-Betriebsart.

Zur besseren Veranschaulichung stellen Sie sich die Schaltung via Transistor einfach als eine Art Ventil vor, das den Elektronenfluss durch die Komponente zum Rest des Stromkreises steuert. In dieser Analogie wäre der Basispin quasi das Ventilrad: Je nachdem, in welcher Betriebsart sich der Transistor befindet (abhängig von den relativen Spannungen an jedem seiner drei Pins), ist die Art und Weise, wie der Strom durch ihn hindurchfließt, unterschiedlich:

Betriebsart "Aktiv"

• Hier kann der Transistor als Verstärker für den Strom fungieren, der von Basis zum Kollektor fließt, und diesen Stromfluss vom Kollektor zum Emitter proportional verstärken.
• Dies ist eine der vielseitigsten und leistungsfähigsten Betriebsarten von Transistoren und wahrscheinlich die gängigste Anwendung für Transistoren, die in Stromkreisen verwendet werden.

"Ein" oder Betriebsart "Sättigung"

• In dieser Betriebsart fungiert der Transistor tatsächlich als Kurzschluss zwischen Kollektor und Emitter, wobei der Stromfluss zwischen den beiden im Wesentlichen unbeschränkt ist (der Transistor arbeitet als geschlossener oder vollständiger Stromkreis).

"Aus" oder Betriebsart "Sperrbetrieb"

• Quasi das Gegenteil der Sättigung. Der Transistor ähnelt hierbei im Wesentlichen einem unterbrochenen oder offenen Stromkreis. Es darf kein Kollektorstrom fließen und es gibt daher keinen Emitter-Stromausgang.

Wie aus den oben genannten Aufzählungspunkten hervorgeht, funktioniert der Bipolartransistor beim Betrieb in der Betriebsart "Sperrbetrieb" oder "Sättigung" tatsächlich eher wie ein binärer (Ein-/Aus)-Stromkreisschalter. Neben der Verstärkung zählt dies zu den leistungsstärksten und vielseitigsten Verwendungen von Transistoren, auf die wir im folgenden Abschnitt näher eingehen werden.

• Infineon Technologies AG: Ein deutsches Halbleiterunternehmen, das für eine Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen Automobil-, Industrie-, Kommunikations- und Digitaltechnik Komponenten wie Bipolartransistoren liefert.
• NXP Semiconductors: Ein niederländisches Halbleiterunternehmen, das Produkte in einer breiten Palette von Automobil-, Identifikations-, Mobilfunk-, Verbraucher-, Kommunikationsinfrastruktur-, Industrie- und IoT-Anwendungen anbietet.
• Texas Instruments: Ein amerikanisches Unternehmen, das eine der weltweit größten Ranges an Halbleiterlösungen anbietet. Sie produzieren auch Bipolartransistoren für eine Vielzahl von Anwendungen.
• STMicroelectronics: Ein schweizerisch-italienisches Halbleiterunternehmen, das eine Vielzahl von Halbleiterlösungen, einschließlich Bipolartransistoren, für vielfältige industrielle und kommerzielle Anwendungen anbietet.
• ON Semiconductor: Ein amerikanisches Halbleiterunternehmen, das Lösungen für energieeffiziente Innovationen liefert und sich auf die Herstellung von Bipolartransistoren und anderen Halbleiterprodukten konzentriert.
• Toshiba Corporation: Ein japanisches Unternehmen, das eine Vielzahl von Elektronikprodukten, einschließlich Bipolartransistoren, herstellt.
• Rohm Semiconductor: Ein japanischer Halbleiterhersteller, der eine Reihe von elektronischen Komponenten herstellt, einschließlich Bipolartransistoren.
• DiodesZetex (Teil von Diodes Incorporated): Ein globaler Hersteller und Lieferant von Hochleistungs-Halbleitern. Das Unternehmen produziert eine breite Palette von Produkten, einschließlich Bipolartransistoren. DiodesZetex ist besonders bekannt für seine Lösungen im Bereich der Leistungshalbleiter.
• Nexperia: Ein niederländisches Halbleiterunternehmen, das sich auf die Produktion von diskreten Geräten, MOSFETs und Logikgeräten spezialisiert hat. Nexperia ist auch bekannt für die Herstellung von Bipolartransistoren und bietet eine breite Palette von diesen für verschiedene Anwendungen an.
• Panasonic Corporation: Ein japanisches Elektronikunternehmen, das neben einer Vielzahl von elektronischen Geräten und Komponenten auch Bipolartransistoren herstellt.

Eine der Schlüsselfunktionen von Transistoren stellt die Steuerung des Stromflusses von einem Teil einer elektronischen Schaltung zu einem anderen dar. Wie bereits oben erwähnt, reproduziert ein sich in gesperrter oder gesättigter Betriebsart befindlicher Bipolartransistor im Wesentlichen die binäre Ein-/Aus-Funktion eines regulären Stromkreisschalters. Auf diese Weise kann er zum Erstellen von Logikgattern verwendet werden. Durch die Kombination von Transistoren können zudem alle Grundtypen von Logikgattern (AND, OR und NOT) erzeugt werden. Dies ermöglicht den Aufbau aller Arten von integrierten Schaltkreisen – von einfachen Mikrocontrollern bis hin zu sehr komplexen Mikroprozessoreinheiten. Die Bedeutung von Transistorschaltern für den Aufbau moderner elektronischer Schaltungen kann daher kaum überschätzt werden.

Bipolare und andere Transistortypen weisen verschiedene nützliche Eigenschaften auf, die sie für den Einsatz als Elektronikschalter besonders effizient machen:

• Sie können Zustände unglaublich schnell wechseln, z.B. bei extrem hohen Frequenzen, wie sie für den Betrieb moderner System-on-Chip-Stromkreise (SoC) in Computern erforderlich sind.
• Sie können einen niedrigen Eingangsstrom aufnehmen und nutzen, um einen viel stärkeren Strom auszugeben.
• Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern, die ein Betätigungselement benötigen, um zu funktionieren, können Transistorschalter allein durch die Spannung ein- und ausschalten.
• Darüber hinaus können sie über ein PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) gesteuert werden
• Bei Transistorschaltern kommt es im Gegensatz zu mechanischen Ausführungen nicht zu Kontaktprellen

Wie oben bereits angesprochen, besteht der Aufbau eines Bipolartransistors aus drei Schichten eines Halbleitermaterials. Die gesamte Leitfähigkeit eines bestimmten Halbleitermaterials kann durch die Einführung verschiedener Fremdatome in der Fertigungsphase in einem als „Dotierung“ bezeichneten Verfahren beeinflusst werden. Durch Beeinflussung der Anzahl der Elektronen im Halbleitermaterial kann die Dotierung dessen Leitfähigkeit sowohl erhöhen oder verringern als auch die Richtung des Stromflusses von einer Schicht zur nächsten beeinflussen, je nachdem, welche Art von Fremdatomen hinzugefügt oder entfernt wurde und wie die Schichten angeordnet sind.

Wurde eine der Halbleiterschichten in einem Bipolartransistor dotiert, um die Elektronenanzahl zu erhöhen, wird er negativ geladen und somit zum N-Typ. Werden hingegen die restlichen ein oder zwei Schichten mit Löchern dotiert, um einen Elektronenmangel zu erzeugen, wird er dadurch positiv geladen und somit zum P-Typ. Je nach Anordnung dieser Schichten ergibt sich einer der zwei Haupttypen von Bipolartransistoren mit jeweils unterschiedlicher Stromflussrichtung: PNP und NPN. Ein PNP-Transistor hat eine N-Typ-Halbleiterschicht, die sich zwischen zwei Schichten aus P-Typ-Material befindet, während es bei einem NPN-Transistor genau umgekehrt ist.

Im Folgenden halten wir die Unterschiede zwischen NPN und PNP genauer fest: