Bipolartransistoren

Ein Bipolartransistor (engl. Bipolar Junction Transistor BJT) ist ein Halbleiterbauelement, das zum Verstärken und Schalten von elektrischen Signalen verwendet wird.

Aufbau und Funktionsprinzip

Der Bipolartransistor besitzt normalerweise drei Anschlüsse:

• Basis (B): Der Steuereingang
• Kollektor (C)
• Emitter (E)

Ein Bipolartransistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten. Die mittlere Schicht wird als Basis bezeichnet und dient als Steuereingang.

Der Basis-Strom I_B steuert den Kollektor-Strom I_C.
Der Bipolartransistor ist also ein stromgesteuertes Bauelement.

Der Bipolartransistor ist im Vergleich zum MOSFET ein relativ robustes Bauteil. Er ist weitgehend unempfindlich gegen statische Aufladungen an den Anschlüssen. Allerdings fällt im Betrieb immer eine gewisse Verlustleistung an, da ein gewisser Basistrom fließen muss, damit ein Bipolartransistor durchschaltet.

Bipolartransistor Typen

Man unterscheidet zwischen npn und pnp Transistoren je nach Abfolge der dotierten Schichten.

Der pnp-Transistor ist komplementär zum npn-Transistor.

Ein Ersatzschaltbild für die beiden Transistortypen ergibt sich aus der Abfolge der dotierten Schichten. Im Prinzip kann ein Transistor als ein Paar Dioden gesehen werden, von denen eine in Durchlassrichtung und eine in Sperrichtung geschaltet ist.

Der npn-Transistor als Schalter

Um die Funktionsweise eines npn-Transistors als Schalter zu verdeutlichen, wird eine Simulation mit Qucs durchgeführt.

Die Basis des npn-Transistors wird mit einer linear ansteigenden Basis-Emitter-Spannung UBE(t) beaufschlagt.
Der Basisstrom IB(t), der Kollektorstrom IC(t) und die Kollektor-Emitter Spannung UCE(t) werden aufgezeichnet.

Schaltplan der Simulation

Ausgangskennlinien der Simulation

Schaltverhalten des npn-Transistors

Der npn-Transistor verhält sich wie ein stromgesteuerter Schalter. Sobald ein Basisstrom IB(Uin) fließt, wird die Kollektor-Emitter-Strecke leitend.

Ein Basisstrom fließt, sobald die Basis-Emitter-Strecke (Basis-Emitter-Diode) leitend wird, also sobald die Fluss-Spannung der Basis-Emitter-Diode von ca. 0,7 V erreicht wird.

Die Kollektor-Emitter-Strecke kann auch als Widerstand betrachtet werden, dessen Wert vom Basisstrom gesteuert wird.
Fließt kein Basisstrom, ist der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke hoch. Dies entspricht einem offenen Schalter.
Fließt ein Basisstrom, ist der Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke niedrig. Dies entspricht einem geschlossenen Schalter.

Analyse der Schaltung: NPN-Transistor als Inverter

In der Ausgangskennlinie der obigen Schaltung kann man zwei Arbeitspunkte definieren.

Die Pegel beider Arbeitspunkte kann man in eine Wahrheitstabelle eintragen.

Aus dieser Wahrheitstabelle entnimmt man, dass die Schaltung wie ein Inverter oder ein Nicht-Gatter in der Digitaltechnik fungiert.

Vor- und Nachteile der Schaltung

Der Aufbau der Schaltung ist sehr einfach, es genügt ein Transistor.

Allerdings hat diese Schaltung einen Nachteil: Der Ausgang kann niederohmig nur gegen GND (LOW-Pegel) gezogen werden. Dabei fließt auch noch ein relativ hoher Strom, der durch den Kollektor-Widerstand R gegeben ist.
Ein höherer Kollektor-Widerstand kann diesen Strom reduzieren. Wird die Schaltung jedoch belastet, wirkt die Kombination aus Kollektor-Widerstand und Lastwiderstand wie ein Spannungsteiler. Um den High-Pegel am Ausgang sicher erreichen zu können sollte der Lastwiderstand nicht kleiner sein als das Zehnfache des Kollektor-Widerstands.

Zudem muss immer ein Basisstrom fließen, wenn die Kollektor-Emitter-Strecke durchschaltet ist. Dies bedeutet, dass immer eine (kleine) Verlustleistung vorhanden ist.