Ratgeber
Ein bipolarer Transistor (englisch „Bipolar Junction Transistor“ - BJT) ist aus drei unterschiedlich dotierten Schichten von Halbleitermaterial aufgebaut, heute vornehmlich aus Silizium. Die Dotierung erfolgt, indem in das monokristalline Silizium Fremdatome eingebracht werden, die zu einem Überschuss von Ladungsträgern führen, den „Majoritätsladungsträgern“. Bei P-Dotierung sind das die Defektelektronen oder Löcher im Kristallgitter, die entstehen, wo ein Elektron abwandert, bei N-Dotierung sind es die Elektronen. In der Kristallstruktur eines Halbleiters wird der Strom sowohl von Elektronen als auch von Löchern transportiert. Die Grenzfläche zwischen einem N- und P-dotierten Bereich bildet eine Sperrschicht, der pn-Übergang, durch die Strom nur in eine Richtung fließen kann. Das ist dann eine Diode.
In einem Transistor werden zwei entgegengesetzt polarisierte PN-Übergänge in Reihe geschaltet, wobei die mittlere Schicht, die Basis, sehr dünn ist. Die äußeren Schichten sind der gering dotierte Kollektor und der hoch dotierte Emitter. Die Folge der Dotierungsschichten kann NPN oder PNP sein, der Wirkmechanismus bipolarer Transistoren ist der gleiche: Zwischen Basis und Emitter wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt. Über die dadurch abgebaute Sperrschicht gelangen dann aus dem Emitter sehr viele Majoritätsladungsträger in die Basis, die in die Sperrschicht zwischen Basis und Kollektor eindringen.
Erklärung v.l.n.r:
Schichtfolge der Dotierung
Dioden-Ersatzschaltbild
Transistor-Schaltbild
C: Kollektor
B: Basis
E: Emitter
Wenn zwischen Emitter und Kollektor eine größere Spannungsdifferenz als zwischen Basis und Emitter anliegt, werden die Ladungsträger nicht über den Basisanschluss abgeleitet, sondern von der in der Basis-Kollektor-Sperrschicht herrschenden Feldstärke in Richtung Kollektor beschleunigt. Damit überwinden sie die Sperrschicht und werden vom Kollektor-Anschluss abgeleitet. Weil die Menge dieser Ladungsträger wesentlich größer ist als die Menge derjenigen, die in die Basis einfließen, besitzt der Transistor den Effekt der Stromverstärkung: Ein kleiner Basisstrom steuert einen großen Strom, der über die Kollektor-Emitter-Strecke fließt.
Während beim NPN-Transistor Elektronen als Majoritätsladungsträger den Leitungsvorgang übernehmen, sind es beim PNP-Transistor die Defektelektronen oder Löcher. Die beiden Transistortypen unterscheiden sich deshalb hauptsächlich durch die Polarität der anliegenden Spannungen: Beim NPN-Transistor liegt der Emitter auf Null Volt, die Basis auf leicht positiver Spannung (Flussspannung der Basis-Emitter-Diode, etwa 0,6 … 0,7 V bei Silizium), und der Kollektor liegt auf einer höheren positiven Spannung. Hier fließt ein geringer Strom in die Basis und ein um den Stromverstärkungsfaktor größerer Strom aus dem Kollektor heraus. Beim PNP-Transistor sind die Verhältnisse umgekehrt: Der Emitter liegt auf positivem Potenzial, die Basis um den Betrag der Spannung UBE darunter (Ube etwa -0,6 .. -0,7 V bei Silizium, also eine negative Spannung), der Kollektor gibt seinen Strom zum Nullpotenzial hin ab.
Ströme (rot) und Spannungen (blau) am PNP-Transistor (die Pfeile beziehen sich auf die technische Stromrichtung. Elektronen sind negativ und bewegen sich in umgekehrter Richtung!)
Ein weiterer Unterschied zwischen den beiden Transistor-Konstruktionen besteht darin, dass Elektronen als Majoritätsladungsträger eine höhere Beweglichkeit aufweisen als Defektelektronen. Das macht sich in der maximalen Frequenz, mit der Transistoren noch funktionieren (Transitfrequenz), bemerkbar, die bei NPN-Typen typischerweise doppelt oder dreifach so hoch ist als bei vergleichbaren PNP-Typen. Allerdings spielt das in der Praxis keine grosse Rolle, weil die Grenzfrequenzen moderner Transistoren weit über den Frequenzen liegen, mit denen sie üblicherweise betrieben werden. Ausnahme machen hier ausgesprochene Hochfrequenzanwendungen.
Die meisten Elektronikschaltungen lassen sich mit NPN-Transistoren aufbauen. Diese werden meistens schon deshalb bevorzugt, weil sich bei den meisten Elektroniksystemen als Massebezug recht einfach die Null-Volt-Schiene der Spannungsversorgung nutzen lässt.
PNP-Transistoren sind aber trotzdem unverzichtbar, denn mit ihnen lassen sich Schaltungen einfach realisieren, die mit nur einer Transistor-Bauart komplizierter wären.
Hier einige Beispiele:
Wenn Strom in einen Verbraucher abgegeben werden soll, der mit einem Anschluss auf Massepotential liegt, geht das sehr einfach mit einem PNP-Transistor, dessen Emitter auf der Versorgungsspannung liegt. Hier hat die angesteuerte Basis auch gleichzeitig einen eindeutigen Potenzialbezug. Der Verbraucher liegt zwischen Kollektor und Masse.
Anschluss eines Verbrauchers an den Kollektor, der mit einem Pol auf Massepotenzial liegt.
Mit zwei Komplementär-Gegentaktendstufen lässt sich eine Brückenschaltung aufbauen, in denen der Verbraucher in den Querzweig geschaltet ist. Wenn das in einem Audioverstärker der Lautsprecher ist, lässt sich auf diese Weise eine analoge Endstufe hoher Ausgangsleistung realisieren, die mit relativ geringer Betriebsspannung, z. B. 12 Volt aus der Autobatterie, auskommt.
Brückenschaltung mit zwei Komplementär-Gegentaktendstufen zur Ansteuerung von Stell- und Servomotoren.
Wenn Darlingtonschaltungen nur mit einem Transistortyp aufgebaut werden, addieren sich die beiden Flussspannungen zwischen Basis und Emitter. Das wäre bei Silizium etwa 2 x 0,7 V = 1,4 V. Das ist in vielen Fällen nachteilig und lässt sich vermeiden, wenn nicht zwei gleiche, sondern zwei komplementäre Transistoren zusammengeschaltet werden. Das sind zwei Transistoren mit ähnlichen technische Eigenschaften, aber unterschiedlicher Zonenfolge. Das ergibt dann die Komplementär-Darlington-Schaltung oder auch „Sziklai“-Schaltung. Diese bietet die hohe Stromverstärkung der Darlington-Schaltung, erfordert aber an der Basis eine Spannung von nur etwa 0,6 … 0,7 Volt.
Sziklai-Schaltung. Bei dieser Darlington-Schaltung beträgt die Basis-Emitterspannung mur etwa 0,6 ... 0,7 V (Silizium!)
Mit jeweils einem NPN- und einem PNP-Transistor lässt sich echt einfach eine komplementäre Gegentaktendstufe aufbauen. Es handelt sich hier um die Reihenschaltung von zwei Emitterfolgern, die einen niedrigen Ausgangswiderstand aufweisen. Der NPN-Transistor verstärkt die positive Halbwelle und der NPN-Transistor die negative Halbwelle des Signals. Die beiden Dioden erzeugen Vorspannungen, die Übernahmeverzerrungen verhindern. Wenn die Schaltung aus nur einer Spannungsquelle betrieben wird, ist am Ausgang ein Kondensator erforderlich. Die Schaltung findet als Endstufe in Audioverstärkern häufig Anwendung.
Komplementäre Gegentaktendstufe für Audioanwendungen
Die jeweiligen Komplementär-Typen sollten ausser der Schichtenfolge und Polarität der anliegenden Spannungen jeweils etwa gleichartige technische Daten aufweisen, z.B. Verlustleistung, zulässige Kollektor-Emitterspannung, Stromverstärkung usw.
PNP-Transistoren gibt es in einer ähnlichen Vielfalt von Ausführungen wie vergleichbare Silizium-Transistoren vom NPN-Typ. Die Gehäuseform hängt vornehmlich von der Verlustleistung ab, die an dem Transistor in der jeweiligen Anwendung anfällt. So reicht das Spektrum von oberflächenmontierbaren Typen im SOT-Gehäuse über die klassischen Kleinleistungstypen im TO92-Kunststoffgehäuse bis zu den Leistungstypen, die beispielsweise im TO220-Gehäuse untergebracht sind, die sich an einer Kühlfläche befestigen lassen, um so die Verlustwärme effizient abführen zu können.
Was muss bei Betrieb und Verarbeitung von PNP-Transistoren beachtet werden?
Wie andere bipolare Halbleiterelemente können auch PNP-Transistoren durch Überlastung beschädigt oder zerstört werden. Deshalb dürfen die in den Datenblättern der Hersteller angegebenen Grenzwerte z. B. für Bauelmente-Temperatur, Kollektor-Verlustleistung, Kollektor-Emitter-Spannung und -Strom in keinem Betriebszustand überschritten werden. Weil die wichtigen Parameter eines bipolaren Halbleiters temperaturabhängig sind, muss neben einer ausreichenden Kühlung auch mit schaltungstechnischen Vorkehrungen für eine Temperaturstabilisierung gesorgt werden: Mit zunehmender Temperatur fällt die Basis-Emitter-Spannung (Schwellenspannung), das darf nicht dazu führen, dass der Basisstrom und damit der Kollektorstrom unkontrolliert zunehmen.
Obwohl es sich bei Bipolartransistoren um relativ robuste Bauelemente handelt, ist bei der Verarbeitung darauf zu achten, dass sie keinen unzulässig hohen Spannungen, z. B. elektrostatische Entladungen, ausgesetzt werden. Deshalb empfiehlt sich, die Verarbeitung auf einem ESD-sicheren Arbeitsplatz vorzunehmen.