Transistor (npn)
Ein NPN-Transistor ist ein Bipolartransistor, der aus zwei n-dotierten Halbleiterschichten besteht, die eine p-dotierte Schicht dazwischen haben. Er wird häufig als Schalter oder Verstärker in elektronischen Schaltungen verwendet.
Aufbau und Funktionsweise:
NPN steht für die Schichtfolge: n-dotiert (Emitter) – p-dotiert (Basis) – n-dotiert (Kollektor).
Der Transistor (npn) hat drei Anschlüsse: Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C).
Wenn an die Basis eine kleine positive Spannung gegenüber dem Emitter angelegt wird, fließt ein kleiner Basisstrom.
Dieser Basisstrom steuert einen viel größeren Stromfluss vom Kollektor zum Emitter.
Der Transistor wirkt also als Stromverstärker: Ein kleiner Basisstrom steuert einen großen Kollektorstrom.
Anwendung:
Schalter: Der Transistor (npn) kann als elektronischer Schalter verwendet werden, der durch Anlegen einer Spannung an die Basis ein- oder ausgeschaltet wird.
Verstärker: In Verstärkerschaltungen wird ein schwaches Eingangssignal an die Basis gelegt, das am Kollektor verstärkt ausgegeben wird.
Beispiel einer einfachen Schaltung:
Emitter ist mit Masse verbunden.
Kollektor ist über eine Last (z.B. eine LED mit Vorwiderstand) an die Versorgungsspannung angeschlossen.
Basis wird über einen Widerstand mit einem Steuersignal verbunden.
Wenn das Steuersignal an der Basis hoch ist, leitet der Transistor (npn) und die LED leuchtet.
Wichtige Parameter:
hFE (Verstärkungsfaktor): Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom.
U_BE: Spannung zwischen Basis und Emitter, typischerweise ca. 0,7 V für Siliziumtransistoren.
U_CE: Spannung zwischen Kollektor und Emitter.
Transistor (pnp)
Ein PNP-Transistor ist ein Bipolartransistor, der aus zwei p-dotierten Halbleiterschichten besteht, die eine n-dotierte Schicht dazwischen haben. Er ist das Gegenstück zum NPN-Transistor und wird ebenfalls als Schalter oder Verstärker in elektronischen Schaltungen verwendet.
Aufbau und Funktionsweise:
PNP steht für die Schichtfolge: p-dotiert (Emitter) – n-dotiert (Basis) – p-dotiert (Kollektor). Der Transistor hat drei Anschlüsse: Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C).
Beim PNP-Transistor fließt der Strom vom Emitter zum Kollektor.
Um den Transistor (pnp) durchzuschalten, muss die Basis gegenüber dem Emitter negativ gepolt sein (also eine niedrigere Spannung als der Emitter haben).
Ein kleiner Basisstrom fließt aus der Basis heraus, wodurch ein größerer Strom vom Emitter zum Kollektor fließt.
Anwendung:
Schalter: Der PNP-Transistor schaltet durch, wenn die Basis auf ein niedrigeres Potential als der Emitter gezogen wird.
Verstärker: Ein kleines Signal an der Basis steuert einen größeren Stromfluss vom Emitter zum Kollektor.
Beispiel einer einfachen Schaltung:
Der Emitter ist mit der positiven Versorgungsspannung verbunden.
Der Kollektor ist über eine Last (z.B. eine LED mit Vorwiderstand) mit Masse verbunden.
Die Basis wird über einen Widerstand mit einem Steuersignal verbunden.
Wenn das Steuersignal an der Basis niedrig ist (nahe Masse), schaltet der Transistor (pnp) durch und die LED leuchtet.
Wichtige Parameter:
hFE (Verstärkungsfaktor): Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom.
U_BE: Spannung zwischen Basis und Emitter, typischerweise ca. -0,7 V (Basis ist negativer als Emitter).
U_CE: Spannung zwischen Kollektor und Emitter.
Aufbau eines Bipolartransistors
Ein Bipolartransistor besteht aus drei Halbleiterschichten, die abwechselnd dotiert sind:
○ Emitter (E): Stark dotiert, gibt Ladungsträger ab.
○ Basis (B): Dünn und schwach dotiert, steuert den Stromfluss.
○ Kollektor (C): Mittel bis stark dotiert, sammelt die Ladungsträger.
Es gibt zwei Typen von BJTs:
○ NPN-Transistor: Die Schichten sind n-dotiert (Emitter), p-dotiert (Basis), n-dotiert (Kollektor).
○ PNP-Transistor: Die Schichten sind p-dotiert (Emitter), n-dotiert (Basis), p-dotiert (Kollektor).
Funktionsprinzip
Der Bipolartransistor arbeitet mit zwei pn-Übergängen:
○ Emitter-Basis-Übergang (EB): Wird in Durchlassrichtung betrieben.
○ Basis-Kollektor-Übergang (BK): Wird in Sperrrichtung betrieben.
1. Basis-Emitter-Strecke (Forward-Bias)
Wenn eine kleine positive Spannung an die Basis gegenüber dem Emitter angelegt wird (bei NPN-Transistor), wird der Emitter-Basis-Übergang in Durchlassrichtung geschaltet. Dadurch können Elektronen (bei NPN) vom Emitter in die Basis injiziert werden.
2. Basis-Kollektor-Strecke (Reverse-Bias)
Die Basis-Kollektor-Strecke ist in Sperrrichtung geschaltet, sodass die meisten Elektronen, die in die dünne Basis gelangen, durch den Kollektor aufgenommen werden.
3. Steuerung des Kollektorstroms
Die Basis ist sehr dünn und schwach dotiert, sodass nur wenige Elektronen in der Basis rekombinieren. Der Großteil der Elektronen wandert weiter zum Kollektor. Dadurch fließt ein großer Strom vom Kollektor zum Emitter, der durch einen kleinen Basisstrom gesteuert wird.
Stromverstärkung
Der Transistor wirkt als Stromverstärker. Die Stromverstärkung (β oder hFE) ist das Verhältnis von Kollektorstrom (IC) zu Basisstrom (IB):
IC ≈ β * IB
Das bedeutet, ein kleiner Basisstrom steuert einen viel größeren Kollektorstrom.
Zusammenfassung der Funktionsweise
○ Ein kleiner Strom an der Basis steuert einen großen Strom zwischen Kollektor und Emitter.
○ Der Transistor kann als Verstärker oder Schalter verwendet werden.
○ Die Steuerung erfolgt durch die Ladungsträgerinjektion an der Basis-Emitter-Strecke und deren Sammlung am Kollektor.
Beispiel:
NPN-Transistor im Schaltbetrieb
○ Basis-Emitter-Spannung > ca. 0,7 V (Silizium): Transistor schaltet durch (Sättigung).
○ Basis-Emitter-Spannung < ca. 0,7 V: Transistor sperrt, kein Kollektorstrom.