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Bipolartransistoren

Der Film zum Kapitel


Den Quellcode des Java-Programms gibt's in der Rubrik Download.

Aufbau

Bipolartransistoren bestehen aus einem dreilagigen Halbleiterkristall. Die Schichtfolge lautet dabei PNP oder NPN. Beim NPN-Transistor ist eine P-dotierte Schicht von zwei Lagen N-dotierten Halbleitermaterials umgeben, beim PNP-Transistor besteht die mittlere Schicht entsprechend aus N-dotiertem Material, das von P-dotiertem Material umgeben ist. Die drei Lagen unterschiedlich dotierten Halbleitermaterials sind mit Kontakten versehen:

PNP / NPN Transistor
Figure 1:
In der Abbildung oben ist ein PNP Bipolartransistor abgebildet. Alle drei Halbleiterschichten sind mit Kontakten versehen, an die elektrische Spannungen angelegt werden können. Die Kontakte bezeichnet man als Emitter (E, von dem lateinischen emitio = aussenden), Collector oder Kollektor (C, collectio = einsammeln) und Basis (B).
Die untere Abbildung zeigt einen NPN Transistor.

Transistor ohne angelegte Spannung

Sperrschichten
Figure 2:
In einem Bipolartransistor befinden sich zwei PN-Übergänge. Wie im Kapitel zu Dioden ausführlich erklärt, bildet sich an derartigen Kontaktstellen eine Sperrschicht aus, indem Löcher und überzählige Elektronen rekombinieren.
In Summe sind nun die beiden N-dotierten Schichten von Emitter und Kollektor positiv geladen, während die P-dotierte, mittlere Schicht (Basis) negativ geladen ist. Die Ladungen sind dabei nicht gleichmäßig über die jeweiligen Schichten verteilt, sondern befinden sich in der Sperrschicht (siehe Dioden).
Gelb = fünfwertige Fremdatome (z.B. Phosphor)
Hellblau = dreiwertige Fremdatome (z.B. Aluminium)
Blau = negativ geladene Fremdatome
Rot = positiv geladene Fremdatome

Angelegte Spannung zwischen Emitter und Kollektor

Emitter-Kollektor-Spannung
Figure 3:
Verbinden wir den Emitter mit dem Minuspol und den Kollektor mit dem Pluspol einer Gleichspannungsquelle, so ergibt sich nach kurzer Zeit die in dieser Abbildung gezeigte Situation. Durch die Spannungsquelle werden Elektronen am Emitter in den Kristall injiziert und gleichzeitig am Kollektor dem Kristall entzogen, wodurch in diesem Bereich zusätzliche Elektronenfehlstellen erzeugt werden. Die durch die Spannungsquelle in den Kristall eingebrachten Ladungsträger sind frei beweglich und verteilen sich möglichst gleichmäßig über die jeweilige Schicht.
Das durch die Gleichspannungsquelle erzeugte elektrische Feld wirkt in die gleiche Richtung wie das Feld der rechten Sperrschicht, womit diese Zone anwächst. Die linke Sperrschicht wird durch das Feld der Spannungsquelle geschwächt, wodurch wieder Elektronen in Richtung der P-dotierten, mittleren Halbleiterschicht diffundieren können. Hier kommt es zu Rekombinationsprozessen mit den dort befindlichen Elektronenfehlstellen, wodurch dem Kristall weitere, frei bewegliche Ladungsträger entzogen werden und ortsfeste, geladene Fremdatome in der Sperrschicht zurückbleiben. Die linke Sperrschicht wächst damit ebenfalls an, bis keine weiteren Elektronen durch diese diffundieren können.
Sobald sich ein Gleichgewicht ausgebildet hat, ist die mittlere Schicht in Summe stärker negativ geladen als zuvor.
Große blaue Kreise = Elektronen
Große rote Kreise = Löcher

Wie kann der Transistor zwischen Emitter und Kollektor elektrisch leitend gemacht werden?

Betrachten wir uns die Situation bei angelegter Emitter-Kollektor-Spannung etwas genauer:

Elektrische Felder
Figure 4:
Damit ein Elektron vom Emitter zum Kollektor gelangen kann, muss dieses zwei Sperrschichten durchdringen. Es muss diesem Energie zugeführt werden, um es zu dem in dieser Abbildung gezeigten Punkt zu befördern. Erst ab hier wirkt das elektrische Feld der rechten Sperrschicht und das der Gleichspannungsquelle derart, dass das Elektron nach rechts zum Kollektor beschleunigt wird.
Die thermische Energie der Elektronen ist zu gering, um diesen Energiebetrag aufbringen zu können. Elektronen gelingt es daher nicht, vom Emitter bis zu diesem Punkt zu diffundieren. Es fließt folglich kein Strom vom Emitter zum Kollektor.

Spannung an der Basis

Basisspanmnung
Figure 5:
Nun wird der mittleren, P-dotierten Schicht negative Ladung in Form von Elektronen entzogen, wodurch hier zusätzliche Elektronenfehlstellen entstehen. Für den linken P/N-Übergang ergibt sich nun die gleiche Situation wie bei einer in Vorwärtsrichtung geschalteten Diode. Die hier befindliche Sperrschicht wird durch das Potential der Gleichspannungsquelle geschwächt, womit Elektronen vom Emitter zur Basis diffundieren können. Die rechte Sperrschicht wird durch die zusätzlichen Löcher ebenfalls, jedoch nur gering geschwächt. Die Schwächung dieser Barriere ist jedoch ausreichend, dass nun Elektronen so weit in die rechte Sperrschicht diffundieren können, dass diese den Punkt erreichen, ab dem Elektronen von den elektrischen Feldern von Transistor und Emitter-Kollektor-Spannung weiter nach rechts zum Kollektor gezogen werden.
Damit wird es den Elektronen ermöglicht, vom Emitter zum Kollektor zu gelangen. Der Transistor ist in Emitter-Kollektor-Richtung elektrisch leitend.

Verstärkung

Wie gesehen, muss die linke Sperrschicht des Transistors durch Anlegen einer Spannung an die Basis elektrisch leitend gemacht werden, um Elektronen die Überwindung der P-dotierten, mittleren Schicht in Emitter-Kollektor-Richtung zu ermöglichen. Um diesen Zustand aufrecht erhalten zu können, muss ein Strom aus Elektronen vom Emitter zur Basis, beziehungsweise von Löchern von der Basis zum Emitter fließen. Es fließt also sowohl ein Strom in Emitter-Basis-Richtung, als auch in Emitter-Kollektor-Richtung. Das Verhältnis dieser beiden Stromstärken bezeichnet man als die Verstärkung eines Bipolartransistors:

[7.1]    


Dabei bedeutet:
β - Verstärkungsfaktor, IB - Basisstrom, IC - Kollektorstrom

In der Praxis wird meist ein möglichst hoher Verstärkungsfaktor gefordert.
Je dicker die mittlere, P-dotierte Schicht, um so wahrscheinlicher trifft ein Elektron auf seinem Weg vom Emitter zum Kollektor auf ein Loch, rekombiniert und geht damit in den Basisstrom ein. Bei einer zu dünnen mittleren Schicht, können Elektronen auch ohne Anlegen einer Basisspannung durch diese diffundieren - die Barriere wird zu schwach.
Mit der Konzentration an Fremdatomen in der mittleren Schicht wächst auch die Konzentration an Elektronenfehlstellen. Befinden sich zu viele Löcher in der P-dotierten Schicht, steigt der Basisstrom ebenfalls an, weil die Wahrscheinlichkeit steigt, dass ein Elektron und ein Loch aufeinander treffen. Bei einer zu geringen Konzentration wird die Barriere für die Elektronen jedoch ebenfalls zu stark abgeschwächt und der Transistor sperrt nicht mehr in Emitter-Kollektor-Richtung.

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