1.2 Funktionsweise bipolarer Transistoren

Die Funktionsweise soll im Folgenden an einem NPN-Transistor erklärt werden. Bei einem PNP-Transistor sind lediglich die dotierten Schichten anders angeordnet und die Stromrichtung gedreht. Bei beiden Transistor-Typen sind die Grundfunktionen gleich.

Für die folgenden Erläuterungen wird die physikalische Stromrichtung (Elektronenströmung) zugrunde gelegt (Stromfluss von Minus nach Plus). Ferner gehen wir zunächst davon aus, dass der Transistor mit Gleichspannung betrieben wird. Die beiden n-dotierten Bereiche an Emitter (E) und Kollektor (C) weisen einen Überschuss an freien Elektronen auf. Wobei der Emitter stärker dotiert ist, also eine größere Zahl freier Elektronen aufweist. Die Basis (B) ist p-dotiert, besitzt also (Elektronen-)Löchern bzw. Defektelektronen, hier als weiße Punkte dargestellt.

An den beiden pn-Übergängen füllen die freien Elektronen die Löcher, wodurch sich eine isolierende

Sperrschicht, hier grün dargestellt, bildet.

Beim NPN-Transistor wird der Emitter mit dem Minusanschluss, der Kollektor mit dem Plusanschluss einer Spannungsquelle verbunden. Die zu schaltende Last (R_L) wird zwischen Plusanschluss und Kollektor in die Schaltung eingebunden. R_L dient somit auch zur Begrenzung des Kollektorstromes.

Der Basisstrom kann entweder durch einen Basisvorwiederstand oder durch einen Basis-Spannungsteiler begrenzt werden.

Durch das Anlegen der Spannung (U_V) wird die Anzahl der Elektronen im Kollektor verringert und im Emitter erhöht. Dadurch wird die Schicht zwischen Basis und Kollektor dicker und die Schicht zwischen Basis und Emitter dünner. Noch reicht aber der Potenzialunterschied nicht aus, um einen ausreichenden Strom fließen zu lassen.

Wird zusätzlich an die Basis eine Spannung von z.B. U_B=0,2V angelegt, können die Elektronen vom n-dotierten Bereich des Emitters in den p-dotierten Bereich der Basis fließen. Es bildet sich ein kleiner Basisstrom aus, ohne jedoch einen Stromfluss vom Kollektor zum Emitter zu bewirken.

Erst wenn die Basisspannung etwa U_B≈0,7V beträgt, tritt eine so große Anzahl an Elektronen aus dem Emitter aus, dass diese nicht mehr über die Basis abfließen können. Deshalb durchströmen die meisten Ladungsträger die Basisschicht in Richtung Kollektor und von dort weiter durch den Verbraucher in Richtung Pluspol der Spannungsquelle. Somit fließt ein elektrischer Strom vom Emitter zum Kollektor und der Stromkreis durch den Verbraucher ist geschlossen. In physikalischer Stromrichtung gesehen gibt also der Emitter die Elektronen ab, die der Kollektor aufnimmt. Bezüglich des Stromflusses lassen sich Impulsgeschwindigkeit und Elektronengeschwindigkeit unterscheiden. Mit Impulsgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit gemeint, mit der sich das Potenzial im Leiter ausbreitet. Sie beträgt etwa ¾ der Lichtgeschwindigkeit also ca. 23cm/ns. Die tatsächliche Elektronengeschwindigkeit hingegen beträgt nur wenige cm/min.

Aufgrund der dünnen Basisschicht bewirkt eine kleine Änderung der Basis-Emitter-Spannung und somit des Basis-Stromes eine große Änderung des Kollektor-Stromes und somit des Spannungsfalls am Verbraucher. Man spricht deshalb von einer Strom- bzw. Spannungsverstärkung.