Basen emitter spannung gleich kollektor emitter spannung

Transistoren sind Halbleiter-Bauteile, die als Schalter, Regler und Verstärker vielerlei Anwendung finden.

Inhaltsverzeichnis Show

npn-Transistoren¶
pnp-Transistoren¶
Ströme und Spannungen bei bipolaren Transistoren¶
Wie groß ist bei einem Transistor die Basis
Was ist der Unterschied zwischen NPN und PNP?
Was macht der Kollektor Transistor?
Wie kann durch den Transistor vom Emitter zum Kollektor ein Strom fließen?

Ein Transistor (Kurzwort für „transfer resistor“) kann, je nach Schaltungsart, tatsächlich wie ein elektrisch regelbarer Widerstand eingesetzt werden. Grundsätzlich ähnelt ein Transistor allerdings vielmehr einer Röhrentriode, weshalb er auch als „Halbleiter-Triode“ bezeichnet wird. Transistoren werden insbesondere verwendet, um Ströme zu schalten, zu verstärken oder zu steuern.

Im Elektronik-Selbstbau werden häufig so genannte „bipolare“ Transistoren eingesetzt. Diese bestehen aus drei Halbleiterschichten, wobei je nach Reihenfolge der Dotierungen zwischen

- und

-Transistoren unterschieden wird. Die drei an den Halbleiterschichten angebrachten Anschlüsse eines bipolaren Transistors werden Kollektor

, Basis

und Emitter

genannt.[1]

Bauformen von

-Transistoren. Bei

-Transistoren sind

und

vertauscht.

SVG: Bauformen von npn-Transistoren

Neben den bipolaren Transistoren gibt es auch „unipolare“ Feldeffekttransistoren (FETs), die im Hobby-Bereich meist zum Steuern größerer Stromstärken genutzt werden. In großen Stückzahlen bilden sie darüber hinaus die wichtigsten Bestandteile von integrierten Schaltkreisen, beispielsweise Operationsverstärkern oder Mikroprozessoren.

npn-Transistoren¶

Ein

-Transistor besteht aus drei aufeinander folgenden Halbleiter-Schichten, wobei die beiden äußeren eine negative und die mittlere Schicht eine positive Dotierung aufweisen. Der Aufbau entspricht einem doppelten n-p-Übergang; nach außen sind die drei Schichten mit metallischen Anschluss-Kontakten verbunden.[2]

Innerer Aufbau eines

-Transistors (stark vereinfacht).

SVG: Aufbau npn-Transistor

Gewöhnlich verläuft der zu steuernde Hauptstrom zwischen dem Kollektor

und dem Emitter

. Die Wirkungsweise des Transistors wird dabei durch die Stromstärke bestimmt, die durch die Basis

zum Emitter

fließt:

Fließt durch die Basis
kein Strom, so ist die Kollektor-Emitter-Strecke
des Transistors gesperrt. In seiner Wirkung entspricht er dabei einem unendlich großen Widerstand beziehungsweise einem geöffneten Schalter.
Fließt ein schwacher Strom durch die Basis
, so wird die Kollektor-Emitter-Strecke
leitfähig; es wird also ein Vielfaches des Basis-Stroms durch die Kollektor-Emitter-Strecke durchgelassen. Je nach Art der Transistor-Schaltung entspricht die Wirkungsweise des Transistors einem elektrisch regelbaren Widerstand oder einer leitenden Verbindung (fast) ohne Widerstand.

Schaltzeichen eines

-Transistors.

SVG: Schaltzeichen npn-Transistor

Da Transistoren sehr hohe Schaltfrequenzen (rund

, teilweise sogar noch mehr) zulassen, können beispielsweise auch niedrig-frequente Spannungsimpulse eines Audio-Eingangs (

durch Anlegen an die Basis eines Transistors auf dem erheblich größeren Kollektor-Emitter-Strom abgebildet beziehungsweise verstärkt werden:[3]

(1)¶

Der Verstärkungsfaktor

eines einzelnen Transistors liegt, je nach Bauart, bei rund

; beispielsweise kann bei einem Transistor mit einem Verstärkungsfaktor von

ein Basis-Strom von

einen Kollektor-Emitter-Strom von maximal

steuern.

Beispiel einer

-Kennlinie eines Transistors (vereinfacht).

SVG: Transistor-Kennlinie

Ist der durch die Basis fließende Strom groß genug, so ist der Transistor „in Sättigung“ – zwischen Kollektor und Emitter fließt entsprechend der maximal mögliche (durch die restliche Schaltung vorgegebene) Strom; eine Verstärkung des Basis-Stroms führt zu keiner weiteren Erhöhung des Kollektor-Emitter-Stroms. Der Transistor wirkt bei Anlegen derartiger Basis-Spannungen vielmehr wie ein Schalter.

pnp-Transistoren¶

Ein

-Transistor besteht ebenfalls aus drei aufeinander folgenden Halbleiter-Schichten, wobei die beiden äußeren eine positive und die mittlere Schicht eine negative Dotierung aufweisen.

Schaltzeichen eines

-Transistors.

SVG: Schaltzeichen pnp-Transistor

Da die Schichten eines

-Transistors im Vergleich zu einem

-Transistor eine genau umgekehrte Dotierung aufweisen, müssen auch die Ströme in die entgegengesetzte Richtung fließen. Im Schaltzeichen ist dies dadurch gekennzeichnet, dass der Pfeil nicht von der Basis weg, sondern zur Basis hin zeigt.

Hierzu gibt es folgende Merksprüche:

-Transistor:
„NPN means ‚Not Pointing iN‘“, oder
„Naus, Pfeil ‚Naus!“
-Transistor:
„PNP heißt ‚Pfeil Nach Platte‘“, oder
„Tut der Pfeil der Basis weh, handelt sich’s um PNP“

Entsprechend sind auch der Kollektor- und der Emitter-Anschluss eines

-Transistors im Vergleich zu einem

-Transistor vertauscht. Die Besonderheit von

-Transistoren gegenüber

-Transistoren liegt darin, dass man zum Freischalten der Kollektor-Emitter-Strecke keinen Stromfluss in die Basis hinein (und aus dem Emitter hinaus) verursachen muss, sondern vielmehr einen Stromfluss (vom Emitter kommend) aus der Basis heraus zulassen muss.

Ströme und Spannungen bei bipolaren Transistoren¶

In der folgenden Abbildung sind die für einen Transistor relevanten Ströme und Spannungen explizit für die üblichere Transistor-Variante, nämlich einen

-Transistor eingezeichnet:[4]

Ströme und Spannungen bei einem

-Transistor

SVG: npn-Transistor (Ströme und Spannungen)

Für die Spannung

zwischen Basis und Kollektor und der Basis-Stromstärke

gilt im Wesentlichen die gleiche Beziehung wie zwischen zwischen Spannung und Strom an einer Diode. Ab einem bestimmten Grenzwert (bei normalen Transistoren rund

) steigt die Basis-Stromstärke

mit einer zunehmenden Spannung

sehr schnell an. Um einen Transistor steuern zu können, muss also die Basis-Stromstärke gezielt begrenzt werden.[5]

Stromstärken bei einem

-Transistor

Für den Zusammenhang zwischen den Stromstärken

und

ist es für viele Anwendungen ausreichend, einen konstanten Verstärkungsfaktor

anzunehmen; dieser Wert kann üblicherweise dem Datenblatt des Transistors entnommen werden. Ein Verstärkungsfaktor von

bedeutet beispielsweise, dass ein Basis-Strom von mit einer Stärke von

einen Kollektor-Emitter-Strom

zur Folge hat. Was passiert nun allerdings, wenn bei einer ansonsten unveränderten Schaltung plötzlich der Anschluss des Kollektors gekappt wird? Es können dann nicht mehr

in den Kollektor hinein fließen.

Man kann feststellen, dass sich in diesem Fall auch die Stromstärke durch die Basis verändert: Die Basis-Emitter-Strecke und die Kollektor-Emitter-Strecke bilden gewissermaßen eine gemeinsame Diode, allerdings mit einem festem Stromteiler. Wird die eine Seite des Stromteilers nicht mit Strom versorgt, so muss der gesamte Strom durch die andere Seite fließen. Bei einer ansonsten unveränderten Schaltung fließen somit nicht mehr

durch die Basis, sondern plötzlich

. Der Verstärkungsfaktor

beschreibt somit vielmehr den auftretenden Emitterstrom, der sich gewöhnlich so aufteilt, dass nur

von der Basis bezogen wird, und der restliche Strom vom Kollektor kommt (solange dort Strom zur Verfügung steht).

Spannungen bei einem

-Transistor

Der Wert der Spannung

entlang der Kollektor-Emitter-Strecke hängt von der Verwendungsweise des Transistors ab.

Wird der Transistor als Schalter verwendet, so ist dessen Widerstand bei einem fehlenden Basis-Strom unendlich groß; an der
-Strecke des Transistors fällt somit die komplette von außen anliegende Spannung ab – solange der Transistor nicht „durchbricht“, was je nach Transistor-Typ ab Spannungen von etwa
der Fall sein kann.
Wird der Transistor durch einen ausreichend hohen Basis-Strom hingegen voll durchgeschaltet, so würde bei einem idealen Transistor entlang der
-Strecke überhaupt keine Spannung abfallen. In der Praxis stellt man bei realen Transistoren allerdings einen Spannungsabfall von minimal
fest.
Allgemein hängt der Spannungsabfall an der
-Strecke von der äußeren Schaltung ab. Dies kann man anhand der folgenden (idealisierten) Schaltung erkennen:
Spannungsabfall entlang der
-Strecke bei einem Transistor.
SVG: Spannungsabfall CE-Strecke (Transistor)
Der Spannungsabfall entlang der
-Strecke wird sowohl durch
als auch durch
beeinflusst. Am Widerstand
fällt nämlich die Spannung
ab. Die an der
-Strecke des Transistors abfallende Spannung beträgt demnach
. Ist beispielsweise
und
, so ergibt sich am Widerstand ein Spannungsabfall von
und entsprechend ein Spannungsabfall an der
-Strecke von
.

Ein bipolarer Transistor sollte also, wie das obige Beispiel zeigt, weniger als ein variabler Widerstand als vielmehr als eine regelbare Stromquelle aufgefasst werden: Während bei einem Potentiometer der Widerstand

(also das Verhältnis

aus der anliegenden Spannung und der resultierenden Stromstärke) reguliert werden kann, kann bei einem bipolaren Transistor ausschließlich die Stromstärke

aktiv geregelt werden; die entsprechende Spannung entlang der

-Strecke stellt der Transistor automatisch ein.

Bauteil-Schwankungen

Bei einem bipolaren Transistor wird, wie im letzten Abschnitt beschrieben, ein Last-Strom

mittels eines Steuer-Stroms

gesteuert. Der Verstärkungsfaktor

, der das Verhältnis dieser beiden Ströme angibt, weist allerdings auch bei gleichen Transistor-Typen von Bauteil zu Bauteil teilweise erhebliche Unterschiede auf.

Mittels (meist billigeren) Multimetern lässt sich der Verstärkungsfaktor

eines Transistors einfach bestimmen, da diese über eine entsprechende eingebaute Funktion verfügen. In der Praxis wird diese Funktion nämlich nicht oft verwendet, beispielsweise weil der Verstärkungsfaktor

stark frequenzabhängig ist (Transistoren verstärken bei niedrigen Frequenzen meist bessr als bei höheren). Um einen Transistor zu charakterisieren, genügt daher ein einzelner Zahlenwert nicht. Da eine derartige Mess-Schaltung aber recht simpel ist, lässt sich eine Verstärkungs-Mess-Funktion (oft auch als h_{\mathrm{FE}} bezeichnet) gut als Zusatz-Feature vermarkten.

Den in Europa häufig als Standard verwendeten BC547-Transistor gibt beispielsweise in drei Verstärker-Klassen:

und

. Aus einem Datenblatt kann man für den BC547-Transistor damit folgende Werte-Bereiche für den Verstärkungsfaktor

entnehmen:

BC547A:
BC547B:
SVG: Aufbau npn-Transistor0:

Da der konkrete Wert

des Stromverstärkungsfaktors variieren kann, sollten Transistor-Schaltungen möglichst so konzipiert sein, dass sie bezüglich Abweichungen dieses Parameters unempfindlich sind.

Kennlinien-Felder von Transistoren

Um das Verhalten eines Transistors in einer Schaltung planen zu können, sollte man einen groben Wert für den Stromverstärkungsfaktor

, den maximal erlaubten Kollektorstrom

, die maximale Kollektor-Emitterspannung

sowie die maximale Verlustleistung

kennen.

Möchte man einen Transistor allerdings nicht als Schalter, sondern als Verstärker betreiben, so genügen einzelne Werte oft nicht zur Charakterisierung eines Transistors. Weitaus nützlicher sind sogenannte „Kennlinienfelder“, in denen der Kollektor-Strom

als Funktion der Kollektor-Spannung

angegeben wird. Dieser Zusammenhang ist abhängig von der Stromstärke

durch die Basis des Transistors, so dass es in einem Kennlinienfeld nicht nur eine, sondern mehrere Kennlinien gibt.

Kennlinienfeld eines SVG: Aufbau npn-Transistor1-Transistors (Quelle: Datasheetcatalog): Kollektor-Emitter-Strom

als Funktion von

Alle Kennlinien haben (unabhängig vom Basis-Strom

) gemeinsam, dass der Strom

gleich Null ist, wenn keine Spannung

zwischen dem Kollektor und dem Emitter anliegt. Je größer die Spannung

wird, desto größer wird auch der Strom

durch den Transistor. Der Wert von

ist allerdings nach oben hin begrenzt, da schließlich eine Sättigung eintritt – dies ist gleichbedeutend damit, dass der Transistor voll durchschaltet.[6]

Eine zweite wichtige Kennlinie gibt den Kollektor-Emitter-Strom

in Abhängigkeit von der Basis-Emitter-Spannung

an. Hierfür wird für

meist eine logarithmische Skalierung gewählt. Die Gerade, die sich in einem solchen Diagramm ergibt, entspricht einer (logarithmisch skalierten) Dioden-Kennlinie.

Kollektor-Emitter-Strom

als Funktion der Basis-Spannung

bei einem SVG: Aufbau npn-Transistor1-Transistor (Quelle: Datasheetcatalog)

Mittels einer solchen Kennlinie kann abgeschätzt werden, welcher

-Strom bei einer bestimmten an der Basis anliegenden Spannung auftritt. Ebenso kann man mit Hilfe dieses Diagramms ungefähr abschätzen, wie groß der Basis-Strom

bei einer bestimmten Basis-Spannung

ist, indem man den Kollektor-Strom

durch den (ebenfalls geschätzten) Stromverstärkungsfaktor des Transistors dividiert.

Wirklich exakte Werte darf man nicht erwarten, wenn man sich an den Kennlinien eines Transistors orientiert; dies wäre auch kaum sinnvoll, da die einzelnen Exemplare eines Transistor-Typs, wie im letzten Abschnitt beschrieben, erhebliche Schwankungen aufweisen können.

Anmerkungen:

[1]Im Englischen wird die Basis in Anlehnung an das Gitter einer Röhrentriode als „gate“ bezeichnet.[2]

Die schematische Darstellung in der Abbildung Innerer Aufbau eines npn-Transistors ist insofern stark vereinfacht dargestellt, als dass ein

-Transistor in der Realität nicht symmetrisch ist: Die Halbleiterschicht zwischen Kollektor und Basis ist wesentlich dünner als als diejenige zwischen der Basis und dem Emitter-Ausgang; zudem sind die einzelnen Bereiche in reellen Transistoren anders angeordnet und unterscheiden sich in ihren Dotierungen. Letztlich kann nur der Basis-Emitter-Übergang als „echte“ Diode angesehen werden, wenn auch mit einer nur geringen Durchbruchspannung.

Dies ist insofern von Bedeutung, als dass man einen

-Transistor nicht „umgekehrt“, also mit Stromflüssen von der Basis beziehungsweise vom Emitter zum Kollektor hin betreiben sollte. Dies ist zwar prinzipiell möglich, allerdings verhält sich der Transistor so nur wie ein sehr schlechter Transistor mit einem sehr geringen Verstärkungsfaktor und einem sehr starken Rauschen.

Der doppelte

-Übergang lässt sich auch nicht mittels zweier Dioden nachbauen. Eine (ebenfalls vereinfachte) Vorstellung ist vielmehr, dass die sehr dünne mittlere Schicht mittels eines Stromflusses durch die Basis mit freien Ladungsträgern „geflutet“ werden kann und der Transistor somit insgesamt leitfähig wird.

[3]In Wirklichkeit ist der Verstärkungs-Faktor nicht konstant, sondern beispielsweise von der Frequenz des an der Basis anliegenden Eingang-Signals abhängig. Für einfache Anwendungen ist die Annahme eine konstanten Verstärkungsfaktors jedoch ausreichend.[4]Auf die Begrenzung des Basis-Stroms sollte gut geachtet werden, da zu hohe Basis-Ströme die Lebenszeit eines Transistors erheblich verkürzen. Transistoren werden zudem oftmals nicht schlagartig zerstört, sondern verändern bei Überlastung zunehmend ihre Bauteil-Parameter, so dass sie sich im Lauf der Zeit immer weniger wie ein „normaler“ Transistor verhalten. Derartige Fehler sind in der Praxis oftmals nur schwer zu finden.[5]Bisweilen werden die Ströme

und

auch kurz mit

beziehungsweise

bezeichnet, da beide Ströme ohnehin stets beim Emitter abfließen.[6]Eine einfache Möglichkeit die Basis-Stromstärke zu begrenzen ist – wie bei LEDs – die Verwendung eines Vorwiderstands. Hat man beispielsweise eine Spannung von

anliegen und möchte den Basis-Strom auf maximal maximal

begrenzen, so wäre dafür ein Vorwiderstand mit einem Wert von

geeignet.[7][7]

Hat man einen anderen Basis-Strom

als im Kennlinienfeld angegeben ist, so kann man dennoch die dazugehörige Linie anhand der übrigen Linien mittels Interpolation abschätzen.

Aus dem flachen Berech des Kennlinienfelds kann auch in grober Näherung der Stromverstärkungs-Faktor des Transistors abgelesen werden; die Vorstellung eines einzelnen solchen Werts gilt schließlich in erster Linie für den Fall, dass der Transistor voll durchschaltet.

Wie groß ist bei einem Transistor die Basis

Die Basis-Emitter-Spannung, ab der ein Bipolartransistor „durchlässig“ wird, hängt sowohl vom verwendeten Halbleitermaterial als auch von der Temperatur ab. Für Silicium bei Raumtemperatur beträgt der Wert etwa 600–700 mV, für Germanium liegt er bei etwa 200–300 mV.

Was ist der Unterschied zwischen NPN und PNP?

Unterscheidung von PNP und NPN Entweder ist die Last direkt mit dem Minuspol verbunden und die positive Versorgungsspannung wird vom Sensor geschaltet (PNP). Im Gegensatz dazu hängt beim NPN-Sensor die Last direkt an der Plus-Seite der Versorgungsspannung und der Minuspol wird vom Sensor geschaltet.

Was macht der Kollektor Transistor?

Der durch die Basis-Emitter-Spannung verursachte Kollektor-Emitter-Strom ist im Allgemeinen das Ausgangssignal in einem Transistorverstärker. Jeder Transistor hat einen maximal zulässigen Kollektor-Emitter-Strom, welcher auch als I_CE _max bezeichnet wird.

Wie kann durch den Transistor vom Emitter zum Kollektor ein Strom fließen?

Wenn beim npn-Transistor die Basis genügend postiv gegenüber dem Emitter ist, kann ein Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke fließen (Transistor-Effekt). Mithilfe eines kleinen Basisstroms kann ein großer Stromfluss zwischen Emitter und Kollektor gesteuert werden.