Bipolartransistor

Ein Mikrocontroller-Pin liefert vielleicht 10 mA, das Relais daneben braucht 70 mA. Ein Mikrofon gibt ein paar Millivolt ab, der Lautsprecher will Volt. In beiden Fällen sitzt dazwischen oft ein unscheinbares schwarzes Bauteil mit drei Beinchen: der Bipolartransistor. Er lässt einen kleinen Strom einen viel größeren steuern – mal als Schalter, der ganz ein- oder ausschaltet, mal als Verstärker, der ein Signal stufenlos vergrößert. Seit 1947 in den Bell Labs der erste Transistor verstärkte, ist er der Grundbaustein der Elektronik; in jedem Chip stecken heute Milliarden davon, als Einzelbauteil kostet er wenige Cent.

„Bipolar“ heißt er, weil beide Ladungsträgerarten am Stromfluss beteiligt sind: Elektronen und Löcher. Daneben gibt es den Feldeffekttransistor, der mit einer Spannung statt mit einem Strom gesteuert wird und nur eine Ladungsträgerart nutzt.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Bipolartransistor besteht aus drei abwechselnd dotierten Schichten im selben Siliziumkristall: entweder n-p-n oder p-n-p. Die drei Gebiete heißen Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C). Damit entstehen zwei pn-Übergänge, die Basis-Emitter- und die Basis-Kollektor-Diode. Die beiden Gebiete sind nicht gleichwertig:

• Der Emitter ist sehr stark dotiert (n⁺). Er soll möglichst viele Ladungsträger in die Basis schicken.
• Die Basis ist nur schwach dotiert und extrem dünn – je nach Typ unter einem Mikrometer bis einige Mikrometer.
• Der Kollektor ist schwächer dotiert als der Emitter und flächenmäßig groß, weil an ihm die meiste Wärme entsteht.

Am NPN-Transistor sieht das so aus: Liegt zwischen Basis und Emitter eine Spannung von etwa 0,6 bis 0,7 V, wird der Basis-Emitter-Übergang leitend, und der Emitter schießt Elektronen in die Basis. Dort würden sie in einer gewöhnlichen Diode mit Löchern rekombinieren. Weil die Basis aber so dünn und schwach dotiert ist, schafft das nur ein kleiner Teil – meist weniger als ein Prozent. Der große Rest gerät in die Raumladungszone der gesperrten Basis-Kollektor-Diode, deren Feld die Elektronen zum Kollektor hinüberzieht. So fließt ein großer Kollektorstrom, obwohl die Basis nur den kleinen Rest abführt.

Aus diesem Grund lassen sich zwei einzelne Dioden nicht zu einem Transistor zusammenlöten: Ohne die gemeinsame, hauchdünne Basis gibt es keine Transistorwirkung. Mit dem Diodenmodell kannst du einen Transistor allerdings gut durchmessen – zwischen Basis und Emitter sowie Basis und Kollektor muss das Multimeter je eine Diode anzeigen.

Der Name kommt übrigens aus dem Englischen: transfer resistor, ein Widerstand, dessen Wert sich von außen übertragen, also steuern lässt.

Schaltzeichen

Im Schaltzeichen ist die Basis der dicke Querstrich, Kollektor und Emitter sind die beiden schrägen Linien. Nur der Emitter trägt einen Pfeil, und der zeigt die technische Stromrichtung im Basis-Emitter-Übergang: Beim NPN zeigt er nach außen, beim PNP nach innen. Eine Eselsbrücke für den PNP: „Pfeil Nach Platte“. Der Kreis um das Symbol ist nach DIN üblich, darf aber fehlen – besonders in integrierten Schaltungen wird er weggelassen. Mehr Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Die Details zu den beiden Varianten stehen in eigenen Artikeln: NPN-Transistor und PNP-Transistor.

Ströme, Spannungen und Kennwerte

Am Transistor treffen sich drei Ströme. Was über Basis und Kollektor hineinfließt, kommt am Emitter wieder heraus (Knotenregel):

Im Datenblatt heißt die Gleichstromverstärkung h_FE. Sie ist keine Konstante: Sie streut von Exemplar zu Exemplar, hängt vom Kollektorstrom ab und steigt mit der Temperatur. Deshalb sortieren die Hersteller Kleinsignaltransistoren in Gruppen (A, B, C); wie du die Buchstaben liest, steht unter Kennzeichnung von Transistoren. Die wichtigsten Werte an drei verbreiteten Typen:

Wie Strom und Spannung genau zusammenhängen, zeigen die Eingangs- und Ausgangskennlinien – siehe Transistor-Kennlinienfelder. Für den Alltag reichen meist drei Faustwerte: U_BE ≈ 0,7 V im leitenden Zustand, I_C ≈ B · I_B im Verstärkerbetrieb und U_CE(sat) von 0,1 bis 0,3 V, wenn der Transistor als Schalter voll durchgesteuert ist.

Hinzu kommt die Temperatur: U_BE sinkt um etwa 2 mV je Kelvin. Bei fester Basisspannung steigt der Strom mit der Erwärmung, der Transistor wird noch wärmer – ohne Gegenmaßnahme kann sich das bei Leistungsstufen bis zur Zerstörung hochschaukeln. Hintergründe unter Temperaturverhalten von Halbleitern.

Betriebsbereiche

Je nachdem, wie die beiden Übergänge gepolt sind, arbeitet der Transistor in einem von drei Bereichen:

• Sperrbereich: U_BE unter etwa 0,5 V, es fließt praktisch kein Basis- und kein Kollektorstrom. Der Transistor ist ein offener Schalter.
• Aktiver Bereich: Basis-Emitter leitet, Basis-Kollektor sperrt. Hier gilt I_C = B · I_B, der Transistor verstärkt.
• Sättigung: Der Basisstrom ist größer als nötig, beide Übergänge leiten. U_CE fällt auf wenige Zehntel Volt, der Kollektorstrom wird nur noch von der Last begrenzt. Das ist der geschlossene Schalter – mehr unter Übersteuerung und Sättigung.

Grundschaltungen

Welcher Anschluss Eingang und Ausgang gemeinsam benutzen, bestimmt das Verhalten einer Verstärkerstufe:

Die Emitterschaltung ist die mit Abstand häufigste; in ihr arbeitet auch der Transistor als Schalter. Was Verstärkung in Dezibel bedeutet, erklärt Verstärkung und Dämpfung. Reicht die Stromverstärkung eines einzelnen Transistors nicht, schaltest du zwei hintereinander zum Darlington-Transistor.

Bauformen

Kleinsignaltransistoren gibt es bedrahtet im TO-92 und als SMD im SOT-23 (BC847, MMBT3904) oder im noch kleineren SOT-323. Für mittlere Leistungen bis etwa 1,5 A dient das TO-126 (BD139/BD140), für größere Leistungen das TO-220 oder als SMD das D-PAK. Der klassische TO-3-Metallbecher mit dem 2N3055 findet sich heute fast nur noch in älteren Netzteilen und Verstärkern. Eine Übersicht der Gehäuse gibt IC-Gehäuse.

Wie viel Leistung ein Gehäuse tatsächlich abführen kann, hängt von Kühlung und Umgebung ab. Die P_tot des BD139 von 12,5 W gilt nur, wenn das Gehäuse auf 25 °C gehalten wird – frei in der Luft schafft das TO-126 nur gut 1 W. Wie du das rechnest, steht unter Wärme und Kühlung.

Auswahl und Praxistipps

Für die meisten Aufgaben reicht ein Allzwecktyp: BC547/BC557 oder BC847/BC857 bis 100 mA, BC337/BC327 bis 800 mA, darüber BD139/BD140. Prüfe bei der Auswahl:

1. Spannung: U_CEO mit Reserve über der höchsten Betriebsspannung, bei induktiven Lasten auch über der Abschaltspitze.
2. Strom: I_C im Datenblatt deutlich über dem Laststrom; bei hohem Strom bricht h_FE ein.
3. Verlustleistung: P = U_CE · I_C für den ungünstigsten Fall rechnen und mit der Kühlung vergleichen.
4. Stromverstärkung: immer mit dem kleinsten Wert der Gruppe rechnen.

Häufige Fehler:

• Kein Basiswiderstand: Die Basis-Emitter-Strecke ist eine Diode. Direkt an einen Pin gelegt, zieht sie einen Strom, den nur der Pin begrenzt – im schlimmsten Fall sterben beide.
• Pinbelegung verwechselt: BC547 (C-B-E) und 2N3904 (E-B-C) sitzen im gleichen TO-92, aber gespiegelt.
• Mit typischem h_FE gerechnet: Das Exemplar aus der Tüte kann weit darunter liegen.
• Basis offen gelassen: Ohne definierten Pegel fängt die Basis Störungen ein; ein Widerstand nach Emitter (etwa 10 kΩ bis 100 kΩ) hält den Transistor sicher gesperrt.
• Basis-Emitter in Sperrrichtung überlastet: Mehr als etwa 5–6 V in Sperrrichtung verträgt die Basis-Emitter-Diode nicht.

Den Basiswiderstand für einen Schalttransistor kannst du mit dem Rechner Transistor als Schalter bestimmen.

Selbsttest