Bipolartransistor

Bipolarer Sperrschichttransistor (BJT) ⓘ

Typische einzelne BJT-Gehäuse. Von oben nach unten: TO-3, TO-126, TO-92, SOT-23
Arbeitsprinzip	Halbleiter
Erfunden	Dezember 1947
Pin-Konfiguration	Kollektor, Basis, Emitter
Elektronisches Symbol
BJTs PNP und NPN schematische Symbole

Ein Bipolartransistor (BJT) ist ein Transistortyp, der sowohl Elektronen als auch Elektronenlöcher als Ladungsträger verwendet. Im Gegensatz dazu verwendet ein unipolarer Transistor, z. B. ein Feldeffekttransistor, nur eine Art von Ladungsträger. Ein bipolarer Transistor ermöglicht es, dass ein kleiner Strom, der an einem seiner Anschlüsse eingespeist wird, einen viel größeren Strom steuert, der zwischen den Anschlüssen fließt, wodurch das Bauelement verstärkt oder geschaltet werden kann. ⓘ

BJTs verwenden zwei Übergänge zwischen zwei Halbleitertypen, n-Typ und p-Typ, die sich in einem Einkristall befinden. Die Übergänge können auf verschiedene Weise hergestellt werden, z. B. durch Änderung der Dotierung des Halbleitermaterials während des Wachstums, durch Abscheidung von Metallkügelchen zur Bildung von Legierungsübergängen oder durch Methoden wie die Diffusion von n-Typ- und p-Typ-Dotierstoffen in den Kristall. Die bessere Vorhersagbarkeit und Leistung von Übergangstransistoren hat den ursprünglichen Punktkontakttransistor schnell verdrängt. Diffundierte Transistoren sind zusammen mit anderen Bauteilen Elemente integrierter Schaltungen für analoge und digitale Funktionen. Hunderte von bipolaren Sperrschichttransistoren können in einem Schaltkreis zu sehr niedrigen Kosten hergestellt werden. ⓘ

Integrierte Schaltungen mit Bipolartransistoren waren die wichtigsten aktiven Bauelemente einer Generation von Großrechnern und Minicomputern, aber die meisten Computersysteme verwenden heute integrierte Schaltungen, die auf Feldeffekttransistoren basieren. Bipolartransistoren werden nach wie vor zur Verstärkung von Signalen, zum Schalten und in digitalen Schaltungen verwendet. Spezielle Typen werden für Hochspannungsschalter, für Hochfrequenzverstärker oder zum Schalten hoher Ströme verwendet. ⓘ

Ein Bipolartransistor, im Englischen als bipolar junction transistor (BJT) bezeichnet, ist ein Transistor, bei dem im Unterschied zum Unipolartransistor beide Ladungsträgertypen – negativ geladene Elektronen und positiv geladene Defektelektronen – zum Stromtransport durch den Bipolartransistor beitragen. Der BJT wird mittels eines elektrischen Stroms gesteuert und wird zum Schalten und Verstärken von Signalen ohne mechanisch bewegte Teile eingesetzt. ⓘ

Bipolare Leistungstransistoren sind für das Schalten und Verstärken von Signalen höherer Stromstärken und Spannungen ausgelegt. ⓘ

Analogiemodell eines Bipolartransistors zur Veranschaulichung der Stromverstärkung durch eine Wasserströmung. ⓘ

Konventionen zur Stromrichtung

Üblicherweise wird die Stromrichtung in Diagrammen in der Richtung angegeben, in die sich eine positive Ladung bewegen würde. Dies wird als konventioneller Strom bezeichnet. Der Strom in vielen Metallleitern ist jedoch auf den Fluss von Elektronen zurückzuführen. Da Elektronen eine negative Ladung tragen, bewegen sie sich in die entgegengesetzte Richtung zum herkömmlichen Strom. In einem bipolaren Transistor hingegen kann sich der Strom sowohl aus positiv geladenen Löchern als auch aus negativ geladenen Elektronen zusammensetzen. In diesem Artikel sind die Strompfeile in der herkömmlichen Richtung dargestellt, die Beschriftungen für die Bewegung der Löcher und Elektronen zeigen jedoch ihre tatsächliche Richtung im Transistor. ⓘ

Pfeilrichtung

Der Pfeil auf dem Symbol für Bipolartransistoren zeigt auf den p-n-Übergang zwischen Basis und Emitter und weist in die Richtung, in der der herkömmliche Strom fließt. ⓘ

Funktion

BJTs gibt es als PNP- und NPN-Typen, basierend auf den Dotierungsarten der drei Hauptanschlussbereiche. Ein NPN-Transistor umfasst zwei Halbleiterübergänge, die sich einen dünnen p-dotierten Bereich teilen, und ein PNP-Transistor umfasst zwei Halbleiterübergänge, die sich einen dünnen n-dotierten Bereich teilen. N-Typ bedeutet, dass er mit Verunreinigungen (wie Phosphor oder Arsen) dotiert ist, die bewegliche Elektronen liefern, während P-Typ bedeutet, dass er mit Verunreinigungen (wie Bor) dotiert ist, die Löcher liefern, die leicht Elektronen aufnehmen. ⓘ

NPN-BJT mit in Durchlassrichtung vorgespanntem B-E- und in Sperrrichtung vorgespanntem B-C-Übergang ⓘ

Der Ladungsfluss in einem BJT ist auf die Diffusion von Ladungsträgern über einen Übergang zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlicher Ladungsträgerkonzentration zurückzuführen. Die Bereiche eines BJTs werden als Emitter, Basis und Kollektor bezeichnet. Ein diskreter Transistor hat drei Leitungen für den Anschluss an diese Bereiche. In der Regel ist der Emitterbereich im Vergleich zu den beiden anderen Schichten stark dotiert, und der Kollektor ist leichter dotiert als die Basis (die Kollektordotierung ist in der Regel zehnmal geringer als die Basisdotierung). Konstruktionsbedingt ist der größte Teil des BJT-Kollektorstroms auf den Fluss von Ladungsträgern (Elektronen oder Löcher) zurückzuführen, die von einem stark dotierten Emitter in die Basis injiziert werden, wo sie als Minoritätsträger zum Kollektor diffundieren, weshalb BJTs als Minoritätsträger-Bauelemente eingestuft werden. ⓘ

Im typischen Betrieb ist der Basis-Emitter-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt, was bedeutet, dass die p-dotierte Seite des Übergangs auf einem positiveren Potenzial liegt als die n-dotierte Seite, und der Basis-Kollektor-Übergang ist in Sperrichtung vorgespannt. Wenn der Basis-Emitter-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, wird das Gleichgewicht zwischen den thermisch erzeugten Ladungsträgern und dem abstoßenden elektrischen Feld des n-dotierten Emitter-Verarmungsbereichs gestört. Dadurch können thermisch angeregte Elektronen (in einem NPN; Löcher in einem PNP) vom Emitter in den Basisbereich injiziert werden. Diese Elektronen diffundieren durch die Basis aus dem Bereich hoher Konzentration in der Nähe des Emitters in den Bereich niedriger Konzentration in der Nähe des Kollektors. Die Elektronen in der Basis werden als Minoritätsträger bezeichnet, da die Basis p-dotiert ist, wodurch Löcher die Mehrheitsträger in der Basis sind. In einem PNP-Bauelement tritt ein analoges Verhalten auf, wobei jedoch Löcher die dominierenden Stromträger sind. ⓘ

Um den Anteil der Ladungsträger zu minimieren, die rekombinieren, bevor sie den Kollektor-Basis-Übergang erreichen, muss der Basisbereich des Transistors so dünn sein, dass die Ladungsträger in viel kürzerer Zeit als die Lebensdauer der Minoritätsträger des Halbleiters hindurch diffundieren können. Eine leicht dotierte Basis sorgt für niedrige Rekombinationsraten. Insbesondere muss die Dicke der Basis sehr viel geringer sein als die Diffusionslänge der Ladungsträger. Der Kollektor-Basis-Übergang ist in Sperrichtung vorgespannt, so dass vernachlässigbare Ladungsträgerinjektionen vom Kollektor in die Basis stattfinden, aber Ladungsträger, die vom Emitter in die Basis injiziert werden und diffundieren, um die Verarmungszone zwischen Kollektor und Basis zu erreichen, werden durch das elektrische Feld in der Verarmungszone in den Kollektor gespült. Die dünne gemeinsame Basis und die asymmetrische Kollektor-Emitter-Dotierung unterscheiden einen Bipolartransistor von zwei separaten, in Reihe geschalteten Dioden. ⓘ

Spannungs-, Strom- und Ladungssteuerung

Der Kollektor-Emitter-Strom kann entweder durch den Basis-Emitter-Strom (Stromsteuerung) oder durch die Basis-Emitter-Spannung (Spannungssteuerung) gesteuert werden. Diese beiden Betrachtungsweisen sind durch die Strom-Spannungs-Beziehung des Basis-Emitter-Übergangs miteinander verbunden, die der üblichen exponentiellen Strom-Spannungs-Kurve eines p-n-Übergangs (Diode) entspricht. ⓘ

Die Erklärung für den Kollektorstrom ist das Konzentrationsgefälle der Minoritätsträger im Basisbereich. Aufgrund der Injektion auf niedrigem Niveau (bei der es viel weniger überschüssige Ladungsträger als normale Majoritätsträger gibt) wird die ambipolare Transportrate (bei der die überschüssigen Majoritäts- und Minoritätsträger mit der gleichen Rate fließen) durch die überschüssigen Minoritätsträger bestimmt. ⓘ

Detaillierte Transistormodelle, wie das Gummel-Poon-Modell, berücksichtigen die Verteilung dieser Ladung explizit, um das Transistorverhalten genauer zu erklären. Die Sichtweise der Ladungssteuerung lässt sich leicht auf Fototransistoren anwenden, bei denen Minderheitsträger im Basisbereich durch die Absorption von Photonen erzeugt werden, und berücksichtigt die Dynamik des Abschaltens bzw. die Erholungszeit, die von der Rekombination der Ladung im Basisbereich abhängt. Da die Basisladung jedoch kein an den Anschlüssen sichtbares Signal ist, werden bei der Schaltungsentwicklung und -analyse im Allgemeinen die strom- und spannungsgesteuerten Ansichten verwendet. ⓘ

Beim Entwurf analoger Schaltungen wird manchmal die stromgesteuerte Sichtweise verwendet, da sie annähernd linear ist. Das heißt, der Kollektorstrom ist ungefähr $\beta _{\text{F}}$ mal dem Basisstrom. Einige grundlegende Schaltungen können unter der Annahme entworfen werden, dass die Basis-Emitter-Spannung annähernd konstant ist und dass der Kollektorstrom das β-fache des Basisstroms beträgt. Für den genauen und zuverlässigen Entwurf von Produktions-BJT-Schaltungen ist jedoch das Modell der Spannungssteuerung (z. B. Ebers-Moll) erforderlich. Das Modell der Spannungssteuerung erfordert die Berücksichtigung einer Exponentialfunktion, aber wenn es linearisiert wird, so dass der Transistor als Transkonduktanz modelliert werden kann, wie im Ebers-Moll-Modell, wird der Entwurf von Schaltungen wie Differenzverstärkern wieder zu einem weitgehend linearen Problem, so dass die Ansicht der Spannungssteuerung oft bevorzugt wird. Für translineare Schaltungen, bei denen die exponentielle I-U-Kurve für den Betrieb entscheidend ist, werden die Transistoren in der Regel als spannungsgesteuerte Stromquellen modelliert, deren Transkonduktanz proportional zu ihrem Kollektorstrom ist. Im Allgemeinen wird die Schaltungsanalyse auf Transistorebene mit SPICE oder einem vergleichbaren analogen Schaltungssimulator durchgeführt, so dass die Komplexität des mathematischen Modells für den Konstrukteur in der Regel keine große Rolle spielt, aber eine vereinfachte Darstellung der Merkmale ermöglicht die Erstellung von Entwürfen nach einem logischen Prozess. ⓘ

Einschalt-, Ausschalt- und Speicherverzögerung

Bipolartransistoren, insbesondere Leistungstransistoren, haben lange Basisspeicherzeiten, wenn sie in die Sättigung getrieben werden; die Basisspeicherung begrenzt die Abschaltzeit bei Schaltanwendungen. Eine Baker-Klemme kann eine starke Sättigung des Transistors verhindern, wodurch die in der Basis gespeicherte Ladungsmenge verringert und somit die Schaltzeit verbessert wird. ⓘ

Transistoreigenschaften: Alpha (α) und Beta (β)

Der Anteil der Ladungsträger, die die Basis passieren und den Kollektor erreichen können, ist ein Maß für den Wirkungsgrad des BJT. Die starke Dotierung des Emitterbereichs und die geringe Dotierung des Basisbereichs führen dazu, dass viel mehr Elektronen vom Emitter in die Basis injiziert werden als Löcher von der Basis in den Emitter. Eine dünne und leicht dotierte Basisregion bedeutet, dass die meisten der in die Basis injizierten Minoritätsträger zum Kollektor diffundieren und nicht rekombinieren. ⓘ

Die Stromverstärkung durch den gemeinsamen Emitter wird durch β_F oder den h-Parameter h_FE dargestellt; sie ist ungefähr das Verhältnis des Kollektorgleichstroms zum Basisgleichstrom im vorwärtsaktiven Bereich. Sie ist typischerweise größer als 50 für Kleinsignaltransistoren, kann aber bei Transistoren für Hochleistungsanwendungen kleiner sein. Sowohl die Injektionsleistung als auch die Rekombination in der Basis verringern die BJT-Verstärkung. ⓘ

Ein weiteres nützliches Merkmal ist die Stromverstärkung der gemeinsamen Basis, α_F. Die Stromverstärkung an der gemeinsamen Basis ist ungefähr die Verstärkung des Stroms vom Emitter zum Kollektor im vorwärtsaktiven Bereich. Dieses Verhältnis hat in der Regel einen Wert nahe der Eins, zwischen 0,980 und 0,998. Es ist aufgrund der Rekombination von Ladungsträgern beim Durchqueren des Basisbereichs kleiner als eins. ⓘ

Alpha und Beta sind durch die folgenden Gleichungen miteinander verbunden:

${\begin{aligned}\alpha _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{E}}}},&\beta _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{B}}}},\\\alpha _{\text{F}}&={\frac {\beta _{\text{F}}}{1+\beta _{\text{F}}}}&\iff \beta _{\text{F}}&={\frac {\alpha _{\text{F}}}{1-\alpha _{\text{F}}}}.\end{aligned}}$ ⓘ

Beta ist eine bequeme Kennzahl zur Beschreibung der Leistung eines Bipolartransistors, stellt jedoch keine grundlegende physikalische Eigenschaft des Bauelements dar. Bipolartransistoren können als spannungsgesteuerte Bauelemente betrachtet werden (grundsätzlich wird der Kollektorstrom durch die Basis-Emitter-Spannung gesteuert; der Basisstrom könnte als Defekt betrachtet werden und wird durch die Eigenschaften des Basis-Emitter-Übergangs und die Rekombination in der Basis gesteuert). In vielen Entwürfen wird Beta als so hoch angenommen, dass der Basisstrom eine vernachlässigbare Auswirkung auf die Schaltung hat. In einigen Schaltkreisen (im Allgemeinen Schaltkreise) wird ein ausreichender Basisstrom geliefert, so dass selbst bei dem niedrigsten Beta-Wert eines bestimmten Bauelements noch der erforderliche Kollektorstrom fließen kann. ⓘ

Aufbau

Vereinfachter Querschnitt eines planaren NPN-Transistors mit bipolarem Übergang ⓘ

Ein BJT besteht aus drei unterschiedlich dotierten Halbleiterbereichen: dem Emitterbereich, dem Basisbereich und dem Kollektorbereich. Diese Bereiche sind bei einem PNP-Transistor vom p-Typ, n-Typ und p-Typ und bei einem NPN-Transistor vom n-Typ, p-Typ und n-Typ. Jeder Halbleiterbereich ist mit einem Anschluss verbunden, der entsprechend gekennzeichnet ist: Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C). ⓘ

Die Basis befindet sich physisch zwischen Emitter und Kollektor und besteht aus leicht dotiertem Material mit hohem spezifischen Widerstand. Der Kollektor umgibt den Emitterbereich, so dass es für die in den Basisbereich injizierten Elektronen fast unmöglich ist, zu entkommen, ohne aufgefangen zu werden, so dass der resultierende Wert von α sehr nahe bei 1 liegt und der Transistor somit ein großes β erhält. Ein Querschnitt durch einen BJT zeigt, dass der Kollektor-Basis-Übergang eine viel größere Fläche hat als der Emitter-Basis-Übergang. ⓘ

Der Bipolartransistor ist im Gegensatz zu anderen Transistoren normalerweise nicht symmetrisch. Das bedeutet, dass der Transistor durch das Vertauschen von Kollektor und Emitter den aktiven Vorwärtsmodus verlässt und in den Rückwärtsmodus wechselt. Da die interne Struktur des Transistors in der Regel für den Vorwärtsbetrieb optimiert ist, führt der Austausch von Kollektor und Emitter dazu, dass die Werte von α und β im Rückwärtsbetrieb viel kleiner sind als im Vorwärtsbetrieb; oft ist das α des Rückwärtsbetriebs kleiner als 0,5. Der Mangel an Symmetrie ist in erster Linie auf die Dotierungsverhältnisse von Emitter und Kollektor zurückzuführen. Der Emitter ist stark dotiert, während der Kollektor leicht dotiert ist, so dass eine große Sperrvorspannung angelegt werden kann, bevor der Kollektor-Basis-Übergang zusammenbricht. Der Kollektor-Basis-Übergang ist im Normalbetrieb in Sperrrichtung vorgespannt. Der Grund für die starke Dotierung des Emitters ist die Erhöhung des Wirkungsgrads der Emitterinjektion: das Verhältnis der vom Emitter injizierten Ladungsträger zu den von der Basis injizierten. Um eine hohe Stromverstärkung zu erzielen, muss der Großteil der in den Emitter-Basis-Übergang injizierten Ladungsträger vom Emitter stammen. ⓘ

Chip eines 2N2222 NPN-Transistors. Die Bonddrähte sind mit der Basis und dem Emitter verbunden. ⓘ

Die in CMOS-Prozessen manchmal verwendeten "lateralen" Bipolartransistoren mit geringer Leistung sind manchmal symmetrisch aufgebaut, d. h. ohne Unterschied zwischen Vorwärts- und Rückwärtsbetrieb. ⓘ

Kleine Änderungen der an den Basis-Emitter-Anschlüssen angelegten Spannung bewirken eine erhebliche Änderung des Stroms zwischen Emitter und Kollektor. Dieser Effekt kann zur Verstärkung der Eingangsspannung oder des Stroms genutzt werden. BJTs können als spannungsgesteuerte Stromquellen betrachtet werden, werden aber aufgrund der niedrigen Impedanz an der Basis eher als stromgesteuerte Stromquellen oder Stromverstärker bezeichnet. ⓘ

Frühe Transistoren wurden aus Germanium hergestellt, aber die meisten modernen BJTs bestehen aus Silizium. Eine beträchtliche Minderheit wird inzwischen auch aus Galliumarsenid hergestellt, insbesondere für Hochgeschwindigkeitsanwendungen (siehe HBT, unten). ⓘ

Der Bipolartransistor mit Heteroübergang (HBT) ist eine Verbesserung des BJT, der Signale mit sehr hohen Frequenzen bis zu mehreren hundert GHz verarbeiten kann. Er wird häufig in modernen ultraschnellen Schaltungen eingesetzt, vor allem in HF-Systemen. ⓘ

Symbol für NPN-Bipolartransistor mit Stromflussrichtung ⓘ

Zwei häufig verwendete HBTs sind Silizium-Germanium und Aluminium-Gallium-Arsenid, obwohl eine Vielzahl von Halbleitern für die HBT-Struktur verwendet werden kann. HBT-Strukturen werden in der Regel durch Epitaxietechniken wie MOCVD und MBE hergestellt. ⓘ

Bereiche des Betriebs

Junction type	Applied voltages	Junction bias		Mode ⓘ
		B–E	B–C
NPN	E < B < C	Forward	Reverse	Forward-active
	E < B > C	Forward	Forward	Saturation
	E > B < C	Reverse	Reverse	Cut-off
	E > B > C	Reverse	Forward	Reverse-active
PNP	E < B < C	Reverse	Forward	Reverse-active
	E < B > C	Reverse	Reverse	Cut-off
	E > B < C	Forward	Forward	Saturation
	E > B > C	Forward	Reverse	Forward-active

Bipolar transistors have four distinct regions of operation, defined by BJT junction biases. ⓘ

Forward-active (or simply active)

The base–emitter junction is forward biased and the base–collector junction is reverse biased. Most bipolar transistors are designed to afford the greatest common-emitter current gain, β_F, in forward-active mode. If this is the case, the collector–emitter current is approximately proportional to the base current, but many times larger, for small base current variations.

Reverse-active (or inverse-active or inverted)

By reversing the biasing conditions of the forward-active region, a bipolar transistor goes into reverse-active mode. In diesem Modus tauschen die Emitter- und Kollektorbereiche ihre Rollen. Da die meisten BJTs darauf ausgelegt sind, die Stromverstärkung im vorwärtsaktiven Modus zu maximieren, ist die βF im invertierten Modus um ein Vielfaches kleiner (2-3 Mal für den gewöhnlichen Germaniumtransistor). Dieser Transistormodus wird nur selten verwendet und kommt in der Regel nur für ausfallsichere Bedingungen und einige Arten von bipolarer Logik in Frage. Die Durchbruchspannung in Sperrrichtung an der Basis kann in diesem Bereich um eine Größenordnung niedriger sein.

Saturation

Wenn beide Anschlüsse in Durchlassrichtung vorgespannt sind, befindet sich ein BJT im Sättigungsmodus und ermöglicht eine hohe Stromleitung vom Emitter zum Kollektor (bzw. in die andere Richtung im Falle von NPN, wobei negativ geladene Ladungsträger vom Emitter zum Kollektor fließen). Diese Betriebsart entspricht einem logischen "Ein" bzw. einem geschlossenen Schalter.

Cut-off

Bei der Abschaltung sind die Vorspannungsbedingungen entgegengesetzt zur Sättigung (beide Anschlüsse in Sperrichtung vorgespannt). Es fließt sehr wenig Strom, was einem logischen "Aus" oder einem offenen Schalter entspricht.

Avalanche-Durchbruchbereich

Eingangsmerkmale

Ausgangskennlinien

Eingangs- und Ausgangscharakteristiken für einen Siliziumtransistorverstärker mit gemeinsamer Basis. ⓘ

Die Betriebsarten können anhand der angelegten Spannungen beschrieben werden (diese Beschreibung gilt für NPN-Transistoren; bei PNP-Transistoren sind die Polaritäten umgekehrt):

Forward-active

Basis höher als Emitter, Kollektor höher als Basis (in diesem Modus ist der Kollektorstrom proportional zum Basisstrom um $\beta _{\text{F}}$).

Saturation

Die Basis ist höher als der Emitter, aber der Kollektor ist nicht höher als die Basis.

Cut-off

Die Basis ist niedriger als der Emitter, aber der Kollektor ist höher als die Basis. Dies bedeutet, dass der Transistor keinen konventionellen Strom vom Kollektor zum Emitter fließen lässt.

Reverse-active

Basis niedriger als Emitter, Kollektor niedriger als Basis: konventioneller Strom fließt in umgekehrter Richtung durch den Transistor. ⓘ

In Bezug auf die Sperrschichtvorspannung: (Basis-Kollektor-Sperrschicht in Sperrrichtung bedeutet V_bc < 0 für NPN, umgekehrt für PNP) ⓘ

Obwohl diese Bereiche für ausreichend große angelegte Spannungen klar definiert sind, überschneiden sie sich etwas bei kleinen Vorspannungen (weniger als einige hundert Millivolt). In der typischen Masse-Emitter-Konfiguration eines NPN-BJTs, der als Pulldown-Schalter in der digitalen Logik verwendet wird, gibt es beispielsweise im "Aus"-Zustand nie einen Sperrschicht-Übergang, da die Basisspannung nie unter Masse fällt; dennoch ist die Vorwärtsspannung nahe genug an Null, dass im Wesentlichen kein Strom fließt, so dass dieses Ende des aktiven Vorwärtsbereichs als Sperrschichtbereich betrachtet werden kann. ⓘ

Aktivmodus-Transistoren in Schaltungen

Aufbau und Verwendung eines NPN-Transistors. Pfeil nach dem Schaltplan. ⓘ

Die Abbildung zeigt eine schematische Darstellung eines NPN-Transistors, der an zwei Spannungsquellen angeschlossen ist. (Die gleiche Beschreibung gilt für einen PNP-Transistor mit umgekehrter Richtung des Stromflusses und der angelegten Spannung.) Die angelegte Spannung bewirkt, dass der untere P-N-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt wird, wodurch ein Elektronenfluss vom Emitter in die Basis ermöglicht wird. Im aktiven Modus bewirkt das elektrische Feld zwischen Basis und Kollektor (verursacht durch V_CE), dass die meisten dieser Elektronen den oberen P-N-Übergang in den Kollektor überqueren und den Kollektorstrom IC bilden. Der Rest der Elektronen rekombiniert mit Löchern, den Hauptladungsträgern in der Basis, und erzeugt einen Strom durch den Basisanschluss, der den Basisstrom IB bildet. Wie im Diagramm dargestellt, ist der Emitterstrom IE der Gesamtstrom des Transistors, der sich aus der Summe der anderen Anschlussströme ergibt (d. h. IE = IB + IC). ⓘ

Im Diagramm zeigen die Pfeile, die den Strom darstellen, in die Richtung des konventionellen Stroms - der Elektronenstrom fließt in die entgegengesetzte Richtung der Pfeile, da Elektronen negative elektrische Ladung tragen. Im aktiven Modus wird das Verhältnis des Kollektorstroms zum Basisstrom als Gleichstromverstärkung bezeichnet. Diese Verstärkung beträgt in der Regel 100 oder mehr, aber robuste Schaltungen sind nicht auf den genauen Wert angewiesen (siehe z. B. Op-Amp). Der Wert dieser Verstärkung für Gleichstromsignale wird als $h_{\text{FE}}$, und der Wert dieser Verstärkung für kleine Signale wird als $h_{\text{fe}}$. Das heißt, wenn eine kleine Änderung der Ströme auftritt und genügend Zeit verstrichen ist, bis der neue Zustand einen stabilen Zustand erreicht hat $h_{\text{fe}}$ ist das Verhältnis zwischen der Änderung des Kollektorstroms und der Änderung des Basisstroms. Das Symbol $\beta$ wird sowohl für $h_{\text{FE}}$ und verwendet. $h_{\text{fe}}$. ⓘ

Der Emitterstrom verhält sich zu $V_{\text{BE}}$ exponentiell. Bei Raumtemperatur erhöht ein Anstieg von $V_{\text{BE}}$ um etwa 60 mV den Emitterstrom um den Faktor 10. Da der Basisstrom annähernd proportional zu den Kollektor- und Emitterströmen ist, ändern sie sich auf die gleiche Weise. ⓘ

Geschichte

Der bipolare Punktkontakttransistor wurde im Dezember 1947 in den Bell Telephone Laboratories von John Bardeen und Walter Brattain unter der Leitung von William Shockley erfunden. Die als Bipolar Junction Transistor (BJT) bezeichnete Version, die 1948 von Shockley erfunden wurde, war drei Jahrzehnte lang das bevorzugte Bauelement bei der Entwicklung von diskreten und integrierten Schaltungen. Heutzutage wird der BJT bei der Entwicklung digitaler integrierter Schaltungen immer seltener zugunsten der CMOS-Technologie eingesetzt. Die in CMOS-ICs enthaltenen BJTs mit geringer Leistung werden jedoch häufig als Bandlücken-Spannungsreferenz, Silizium-Bandlücken-Temperatursensor und zur Bewältigung elektrostatischer Entladungen verwendet. ⓘ

Germanium-Transistoren

Der Germaniumtransistor war in den 1950er und 1960er Jahren häufiger anzutreffen, neigt aber stärker zum thermischen Durchgehen. ⓘ

Frühe Herstellungstechniken

Es wurden verschiedene Methoden zur Herstellung von Bipolartransistoren entwickelt. ⓘ

• Punktkontakttransistor - erster jemals konstruierter Transistor (Dezember 1947), ein Bipolartransistor, der wegen hoher Kosten und Rauschen nur begrenzt kommerziell genutzt wurde.
  • Tetroden-Punktkontakttransistor - Punktkontakttransistor mit zwei Emittern. Er wurde Mitte der 1950er Jahre überflüssig.
• Sperrschichttransistoren
  • Transistor mit gewachsenem Übergang - der erste hergestellte bipolare Übergangstransistor. Erfunden von William Shockley in den Bell Labs am 23. Juni 1948. Das Patent wurde am 26. Juni 1948 eingereicht.
  • Transistor mit Legierungsübergang - Emitter- und Kollektorkugeln aus Legierung sind mit der Basis verschmolzen. Entwickelt bei General Electric und RCA im Jahr 1951.
    • Mikro-Legierungstransistor (MAT) - Hochgeschwindigkeits-Transistor mit Legierungsübergang. Entwickelt bei Philco.
    • Mikrolegierungs-Diffusionstransistor (MADT) - Hochgeschwindigkeits-Transistor mit Legierungsübergang, schneller als der MAT, ein Transistor mit diffundierter Basis. Entwickelt bei Philco.
    • Post-alloy diffused transistor (PADT) - Hochgeschwindigkeits-Transistor mit Legierungsübergang, schneller als MAT, ein Transistor mit diffundierter Basis. Entwickelt bei Philips.
  • Tetrode-Transistor - Hochgeschwindigkeitsvariante des Transistors mit gewachsenem Übergang oder des Transistors mit legiertem Übergang mit zwei Anschlüssen an der Basis.
  • Oberflächenbarrieretransistor - Hochgeschwindigkeits-Transistor mit Metallbarriere. Entwickelt bei Philco im Jahr 1953.
  • Driftfeldtransistor - Hochgeschwindigkeits-Bipolar-Übergangstransistor. Erfunden von Herbert Kroemer in der Zentralstelle für Fernmeldetechnik der Deutschen Bundespost, 1953.
  • Spacistor - um 1957.
  • Diffusionstransistor - moderner Typ eines bipolaren Übergangstransistors. Prototypen wurden 1954 in den Bell Labs entwickelt.
    • Diffused-Base-Transistor - erste Implementierung des Diffusionstransistors.
    • Mesa-Transistor - entwickelt bei Texas Instruments im Jahr 1957.
    • Planartransistor - der Bipolartransistor, der die Massenproduktion monolithisch integrierter Schaltungen ermöglichte. Entwickelt von Jean Hoerni bei Fairchild im Jahr 1959.
  • Epitaxietransistor - ein Bipolartransistor, der durch Abscheidung aus der Gasphase hergestellt wird. Siehe Epitaxie. Ermöglicht eine sehr genaue Kontrolle der Dotierungsniveaus und -gradienten. ⓘ

Theorie und Modellierung

Banddiagramm für einen NPN-Transistor im Gleichgewichtszustand ⓘ

Banddiagramm für einen NPN-Transistor im aktiven Modus, das die Injektion von Elektronen vom Emitter zur Basis und deren Überschwingen in den Kollektor zeigt ⓘ

BJTs kann man sich als zwei Dioden (P-N-Übergänge) vorstellen, die sich einen gemeinsamen Bereich teilen, durch den Minoritätsträger wandern können. Ein PNP-BJT funktioniert wie zwei Dioden, die sich einen N-Typ-Kathodenbereich teilen, und ein NPN wie zwei Dioden, die sich einen P-Typ-Anodenbereich teilen. Werden zwei Dioden mit Drähten verbunden, entsteht kein BJT, da Minoritätsträger nicht durch den Draht von einem P-N-Übergang zum anderen gelangen können. ⓘ

Beide Arten von BJTs funktionieren, indem ein kleiner Eingangsstrom an der Basis einen verstärkten Ausgang am Kollektor steuert. Das Ergebnis ist, dass der BJT ein guter Schalter ist, der durch seinen Basiseingang gesteuert wird. Der BJT ist auch ein guter Verstärker, da er ein schwaches Eingangssignal auf das etwa 100-fache seiner ursprünglichen Stärke vervielfachen kann. Netzwerke von BJTs werden verwendet, um leistungsstarke Verstärker mit vielen verschiedenen Anwendungen zu bauen. ⓘ

In den folgenden Ausführungen liegt der Schwerpunkt auf dem NPN-BJT. Im so genannten aktiven Modus sind die Basis-Emitter-Spannung $V_{\text{BE}}$ und die Kollektor-Basis-Spannung $V_{\text{CB}}$ positiv, wodurch der Emitter-Basis-Übergang in Durchlassrichtung und der Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt wird. In diesem Modus werden Elektronen aus dem in Vorwärtsrichtung vorgespannten n-Typ-Emitterbereich in die p-Typ-Basis injiziert, wo sie als Minoritätsträger in den in Sperrichtung vorgespannten n-Typ-Kollektor diffundieren und durch das elektrische Feld im in Sperrichtung vorgespannten Kollektor-Basis-Übergang weggespült werden. ⓘ

Zur Veranschaulichung von Vorwärts- und Sperrvorspannung siehe Halbleiterdioden. ⓘ

Großsignal-Modelle

Im Jahr 1954 stellten Jewell James Ebers und John L. Moll ihr mathematisches Modell der Transistorströme vor: ⓘ

Ebers-Moll-Modell

Ebers-Moll-Modell für einen NPN-Transistor. I_B, I_C und IE sind die Basis-, Kollektor- und Emitterströme; I_CD und I_ED sind die Kollektor- und Emitterdiodenströme; α_F und αR sind die Vorwärts- und Rückwärtsverstärkung des gemeinsamen Basisstroms. ⓘ

Ebers-Moll-Modell für einen PNP-Transistor ⓘ

Näherungsweise Ebers-Moll-Modell für einen NPN-Transistor im aktiven Vorwärtsmodus. Die Kollektordiode ist in Sperrichtung vorgespannt, so dass I_CD praktisch Null ist. Der größte Teil des Stroms der Emitterdiode (α_F ist nahezu 1) wird vom Kollektor abgezogen und sorgt für die Verstärkung des Basisstroms. ⓘ

Die Emitter- und Kollektorgleichströme im aktiven Modus werden durch eine Annäherung an das Ebers-Moll-Modell gut modelliert:

${\begin{aligned}I_{\text{E}}&=I_{\text{ES}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\\I_{\text{C}}&=\alpha _{\text{F}}I_{\text{E}}\\I_{\text{B}}&=\left(1-\alpha _{\text{F}}\right)I_{\text{E}}\end{aligned}}$ ⓘ

Der Basis-Innenstrom entsteht hauptsächlich durch Diffusion (siehe Ficksches Gesetz) und ⓘ

$J_{n\,({\text{base}})}={\frac {1}{W}}qD_{n}n_{bo}e^{\frac {V_{\text{EB}}}{V_{\text{T}}}}$ ⓘ

wobei

• $V_{\text{T}}$ die Thermospannung ist $kT/q$ (etwa 26 mV bei 300 K ≈ Raumtemperatur).
• $I_{\text{E}}$ der Emitterstrom ist
• $I_{\text{C}}$ der Kollektorstrom ist
• $\alpha _{\text{F}}$ die Vorwärtskurzschlussstromverstärkung der gemeinsamen Basis (0,98 bis 0,998)
• $I_{\text{ES}}$ ist der Sättigungsstrom in Sperrrichtung der Basis-Emitter-Diode (in der Größenordnung von 10-15 bis 10-12 Ampere)
• $V_{\text{BE}}$ ist die Basis-Emitter-Spannung
• $D_{n}$ ist die Diffusionskonstante für Elektronen in der p-Basis
• W ist die Basisbreite ⓘ

Die $\alpha$ und Vorwärts $\beta$ Parameter sind wie zuvor beschrieben. Eine Umkehrung $\beta$ wird manchmal in das Modell einbezogen. ⓘ

Im Folgenden werden die nicht angenäherten Ebers-Moll-Gleichungen zur Beschreibung der drei Ströme in jedem Betriebsbereich angegeben. Diese Gleichungen beruhen auf dem Transportmodell für einen Bipolartransistor. ⓘ

${\begin{aligned}i_{\text{C}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)-{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{B}}&=I_{\text{S}}\left[{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{E}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\end{aligned}}$ ⓘ

wobei

• $i_{\text{C}}$ der Kollektorstrom ist
• $i_{\text{B}}$ ist der Basisstrom
• $i_{\text{E}}$ der Emitterstrom ist
• $\beta _{\text{F}}$ ist die Vorwärtsverstärkung des gemeinsamen Emitterstroms (20 bis 500)
• $\beta _{\text{R}}$ ist die Verstärkung des gemeinsamen Emitterstroms in Sperrrichtung (0 bis 20)
• $I_{\text{S}}$ ist der Sättigungsrückstrom (in der Größenordnung von 10-15 bis 10-12 Ampere)
• $V_{\text{T}}$ ist die Thermospannung (etwa 26 mV bei 300 K ≈ Raumtemperatur).
• $V_{\text{BE}}$ ist die Basis-Emitter-Spannung
• $V_{\text{BC}}$ ist die Basis-Kollektor-Spannung ⓘ

Basisbreitenmodulation

Oben: NPN-Basisbreite für niedrige Kollektor-Basis-Sperrvorspannung; unten: schmalere NPN-Basisbreite für große Kollektor-Basis-Sperrvorspannung. Die schraffierten Bereiche sind verarmte Bereiche. ⓘ

Wenn die Kollektor-Basis-Spannung ($V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}$) variiert, variiert auch die Größe des Verarmungsbereichs an der Kollektorbasis. Eine Erhöhung der Kollektor-Basis-Spannung führt beispielsweise zu einer größeren Sperrspannung am Kollektor-Basis-Übergang, wodurch die Breite des Kollektor-Basis-Verarmungsbereichs zunimmt und die Breite der Basis abnimmt. Diese Veränderung der Basisbreite wird nach ihrem Entdecker James M. Early oft als Early-Effekt bezeichnet. ⓘ

Die Verschmälerung der Basisbreite hat zwei Konsequenzen:

• Die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination innerhalb der "kleineren" Basenregion ist geringer.
• Der Ladungsgradient über die Basis wird erhöht, und folglich steigt der Strom der Minoritätsträger, die über den Emitterübergang injiziert werden. ⓘ

Beide Faktoren erhöhen den Kollektor- oder "Ausgangs "strom des Transistors als Reaktion auf eine Erhöhung der Kollektor-Basis-Spannung. ⓘ

Im vorwärtsaktiven Bereich verändert der Early-Effekt den Kollektorstrom ($i_{\text{C}}$) und die Vorwärtsverstärkung des gemeinsamen Emitterstroms ($\beta _{\text{F}}$) wie folgt:

${\begin{aligned}i_{\text{C}}&=I_{\text{S}}\,e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}\left(1+{\frac {V_{\text{CE}}}{V_{\text{A}}}}\right)\\\beta _{\text{F}}&=\beta _{{\text{F}}0}\left(1+{\frac {V_{\text{CB}}}{V_{\text{A}}}}\right)\\r_{\text{o}}&={\frac {V_{\text{A}}}{I_{\text{C}}}}\end{aligned}}$ ⓘ

wobei:

• $V_{\text{CE}}$ die Kollektor-Emitter-Spannung ist
• $V_{\text{A}}$ die Early-Spannung ist (15 V bis 150 V)
• $\beta _{{\text{F}}0}$ die Vorwärts-Common-Emitter-Stromverstärkung ist, wenn $V_{\text{CB}}$ = 0 V
• $r_{\text{o}}$ ist die Ausgangsimpedanz
• $I_{\text{C}}$ der Kollektorstrom ist ⓘ

Punchthrough

Wenn die Basis-Kollektor-Spannung einen bestimmten (bauelementspezifischen) Wert erreicht, trifft die Grenze des Basis-Kollektor-Verarmungsbereichs auf die Grenze des Basis-Emitter-Verarmungsbereichs. In diesem Zustand hat der Transistor effektiv keine Basis. Der Baustein verliert in diesem Zustand also jegliche Verstärkung. ⓘ

Gummel-Poon-Ladungssteuermodell

Das Gummel-Poon-Modell ist ein detailliertes ladungsgesteuertes Modell der BJT-Dynamik, das von anderen übernommen und weiterentwickelt wurde, um die Transistordynamik detaillierter zu erklären, als es die terminalbasierten Modelle normalerweise tun. Dieses Modell berücksichtigt auch die Abhängigkeit der Transistor $\beta$-Werten von den Gleichstrompegeln im Transistor, die im Ebers-Moll-Modell als stromunabhängig angenommen werden. ⓘ

Kleinsignal-Modelle

Hybrid-Pi-Modell

Hybrid-Pi-Modell ⓘ

Das Hybrid-Pi-Modell ist ein beliebtes Schaltungsmodell, das zur Analyse des Kleinsignal- und Wechselstromverhaltens von Bipolar- und Feldeffekttransistoren verwendet wird. Manchmal wird es auch als Giacoletto-Modell bezeichnet, weil es 1969 von L.J. Giacoletto eingeführt wurde. Das Modell kann für Niederfrequenzschaltungen recht genau sein und lässt sich durch Hinzufügen geeigneter Zwischenelektrodenkapazitäten und anderer parasitärer Elemente leicht an Schaltungen mit höheren Frequenzen anpassen. ⓘ

h-Parameter-Modell

Verallgemeinertes h-Parameter-Modell eines NPN-BJTs.
Ersetzen Sie x durch e, b oder c für CE-, CB- bzw. CC-Topologien. ⓘ

Ein weiteres Modell, das häufig zur Analyse von BJT-Schaltungen verwendet wird, ist das h-Parameter-Modell, das auch als hybrides Äquivalenzmodell bekannt ist und eng mit dem Hybrid-Pi-Modell und dem y-Parameter-Zweiportmodell verwandt ist, wobei jedoch Eingangsstrom und Ausgangsspannung als unabhängige Variablen verwendet werden, anstatt Eingangs- und Ausgangsspannungen. Dieses Zwei-Tor-Netzwerk eignet sich besonders gut für BJTs, da es sich leicht für die Analyse des Schaltungsverhaltens eignet und zur Entwicklung weiterer genauer Modelle verwendet werden kann. Wie gezeigt, steht der Term x im Modell je nach verwendeter Topologie für eine andere BJT-Leitung. Für den Common-Emitter-Modus nehmen die verschiedenen Symbole die folgenden spezifischen Werte an:

• Klemme 1, Basis
• Klemme 2, Kollektor
• Klemme 3 (gemeinsam), Emitter; x ist somit e
• ii, Basisstrom (i_b)
• io, Kollektorstrom (i_c)
• V_in, Spannung von Basis zu Emitter (V_BE)
• Vo, Kollektor-Emitter-Spannung (V_CE) ⓘ

und die h-Parameter sind gegeben durch:

• h_ix = hie für die Konfiguration mit gemeinsamem Emitter, die Eingangsimpedanz des Transistors (entspricht dem Basiswiderstand r_pi).
• h_rx = h_re, eine umgekehrte Übertragungsbeziehung, die die Abhängigkeit der I_B-V_BE-Kurve (Eingang) des Transistors vom Wert der V_CE (Ausgang) darstellt. Sie ist in der Regel sehr klein und wird bei Gleichstrom oft vernachlässigt (als Null angenommen).
• h_fx = h_fe, die "Vorwärts"-Stromverstärkung des Transistors, manchmal auch h₂₁ geschrieben. Dieser Parameter, mit dem Kleinbuchstaben "fe" für die Kleinsignalverstärkung (AC) oder häufiger mit Großbuchstaben für "FE" (angegeben als h_FE) für die Großsignal- oder DC-Stromverstärkung (β_DC oder oft einfach β), ist einer der wichtigsten Parameter in Datenblättern und kann für einen typischen Kollektorstrom und eine typische Kollektorspannung angegeben oder als Funktion des Kollektorstroms aufgetragen werden. Siehe unten.
• h_ox = 1/h_oe, die Ausgangsimpedanz des Transistors. Der Parameter h_oe entspricht normalerweise der Ausgangsadmittanz des Bipolartransistors und muss invertiert werden, um ihn in eine Impedanz umzuwandeln. ⓘ

Wie gezeigt, sind die h-Parameter klein geschrieben und bezeichnen somit Wechselstrombedingungen oder Analysen. Für Gleichstrombedingungen werden sie in Großbuchstaben angegeben. Für die CE-Topologie wird üblicherweise ein approximatives h-Parameter-Modell verwendet, das die Schaltungsanalyse weiter vereinfacht. Dabei werden die Parameter h_oe und hre vernachlässigt (d. h. sie werden auf unendlich bzw. Null gesetzt). Das h-Parameter-Modell, wie es hier gezeigt wird, eignet sich für Niederfrequenz- und Kleinsignalanalysen. Für Hochfrequenzanalysen müssen die Zwischenelektrodenkapazitäten, die bei hohen Frequenzen wichtig sind, hinzugefügt werden. ⓘ

Etymologie von hFE

Das h bezieht sich darauf, dass es sich um einen h-Parameter handelt, eine Reihe von Parametern, die nach ihrem Ursprung in einem hybriden Ersatzschaltbildmodell benannt sind (siehe oben). Wie bei allen h-Parametern ist die Wahl von Klein- oder Großbuchstaben für die Buchstaben, die dem "h" folgen, von Bedeutung; Kleinbuchstaben bedeuten "Kleinsignal"-Parameter, d. h. die Steigung der jeweiligen Beziehung; Großbuchstaben bedeuten "Großsignal"- oder Gleichstromwerte, das Verhältnis der Spannungen oder Ströme. Im Falle des sehr häufig verwendeten h_FE:

• F ist von der Vorwärtsstromverstärkung, auch Stromverstärkung genannt.
• E bezieht sich auf den Transistor, der in einer gemeinsamen Emitter-Konfiguration (CE) arbeitet.

h_FE (oder hFE) bezieht sich also auf den (gesamten; DC) Kollektorstrom geteilt durch den Basisstrom und ist dimensionslos. Es handelt sich um einen Parameter, der in gewissem Maße mit dem Kollektorstrom variiert, aber oft als Konstante angenähert wird; er wird normalerweise bei einem typischen Kollektorstrom und einer typischen Spannung angegeben oder als Funktion des Kollektorstroms grafisch dargestellt. ⓘ

Würde der Parameter nicht in Großbuchstaben geschrieben, sondern mit h_fe bezeichnet, würde er die Stromverstärkung bei kleinen Signalen (Wechselstrom) angeben, d. h. die Steigung des Diagramms Kollektorstrom gegen Basisstrom an einem bestimmten Punkt, die oft nahe am hFE-Wert liegt, es sei denn, die Testfrequenz ist hoch. ⓘ

Industriemodelle

Das SPICE-Modell von Gummel-Poon wird häufig verwendet, hat jedoch einige Einschränkungen. So wird z. B. der Sperrdurchbruch der Basis-Emitter-Diode durch das SGP-Modell (SPICE Gummel-Poon) nicht erfasst, ebenso wenig wie thermische Effekte (Selbsterhitzung) oder Quasi-Sättigung. Diese wurden in verschiedenen fortschrittlicheren Modellen berücksichtigt, die sich entweder auf spezielle Anwendungsfälle konzentrieren (Mextram, HICUM, Modella) oder für den universellen Einsatz konzipiert sind (VBIC). ⓘ

Anwendungen

Der BJT ist nach wie vor ein Bauelement, das sich in einigen Anwendungen, wie z. B. bei der Entwicklung von diskreten Schaltungen, aufgrund der sehr großen Auswahl an BJT-Typen und wegen seiner im Vergleich zu MOSFETs hohen Transkonduktanz und seines Ausgangswiderstands auszeichnet. ⓘ

Der BJT ist auch die erste Wahl für anspruchsvolle analoge Schaltungen, insbesondere für Anwendungen mit sehr hohen Frequenzen, wie z. B. Hochfrequenzschaltungen für drahtlose Systeme. ⓘ

Digitale Hochgeschwindigkeitslogik

In der emittergekoppelten Logik (ECL) werden BJTs verwendet. ⓘ

Bipolartransistoren können mit MOSFETs in einem integrierten Schaltkreis kombiniert werden, indem ein BiCMOS-Verfahren für die Waferherstellung verwendet wird, um Schaltkreise zu schaffen, die die Anwendungsvorteile beider Transistortypen nutzen. ⓘ

Verstärker

Die Transistorparameter α und β charakterisieren die Stromverstärkung des BJT. Dank dieser Verstärkung können BJTs als Bausteine für elektronische Verstärker verwendet werden. Die drei wichtigsten Verstärkertopologien für BJTs sind:

• Gemeinsamer Emitter
• Gemeinsame Basis
• Gemeinsamer Kollektor ⓘ

Temperatursensoren

Da die Temperatur- und Stromabhängigkeit der Basis-Emitter-Übergangsspannung in Durchlassrichtung bekannt ist, kann der BJT zur Temperaturmessung verwendet werden, indem zwei Spannungen bei zwei verschiedenen Vorspannungsströmen in einem bekannten Verhältnis subtrahiert werden. ⓘ

Logarithmische Wandler

Da die Basis-Emitter-Spannung als Logarithmus des Basis-Emitter- und des Kollektor-Emitter-Stroms variiert, kann ein BJT auch zur Berechnung von Logarithmen und Antilogarithmen verwendet werden. Eine Diode kann diese nichtlinearen Funktionen ebenfalls erfüllen, aber der Transistor bietet eine größere Schaltungsflexibilität. ⓘ

Avalanche-Impulsgeneratoren

Transistoren können absichtlich mit einer niedrigeren Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung als der Kollektor-Basis-Durchbruchsspannung hergestellt werden. Wenn der Emitter-Basis-Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist, kann die Kollektor-Emitter-Spannung auf einer Spannung knapp unter dem Durchbruch gehalten werden. Sobald die Basisspannung ansteigt und Strom fließt, tritt eine Lawine ein, und die Stoßionisation im Kollektor-Basis-Verarmungsgebiet überflutet die Basis rasch mit Ladungsträgern und schaltet den Transistor vollständig ein. Solange die Impulse kurz genug und selten genug sind, um das Bauelement nicht zu beschädigen, kann dieser Effekt genutzt werden, um sehr scharfe fallende Flanken zu erzeugen. ⓘ

Für diese Anwendung werden spezielle Avalanche-Transistoren hergestellt. ⓘ

Schwachstellen

Wenn der Transistor ionisierender Strahlung ausgesetzt wird, führt dies zu Strahlungsschäden. Die Strahlung verursacht eine Anhäufung von "Defekten" im Basisbereich, die als Rekombinationszentren dienen. Die daraus resultierende Verringerung der Lebensdauer der Minoritätsträger führt zu einem allmählichen Verlust der Verstärkung des Transistors. ⓘ

Transistoren haben "Maximalwerte", darunter Leistungswerte (im Wesentlichen durch Selbsterwärmung begrenzt), maximale Kollektor- und Basisströme (sowohl Dauer-/Gleichstromwerte als auch Spitzenwerte) und Durchbruchsspannungswerte, bei deren Überschreitung das Bauelement ausfallen oder zumindest schlecht funktionieren kann. ⓘ

Zusätzlich zu den normalen Durchbruchswerten des Bauelements unterliegen Leistungs-BJTs einem Fehlermodus, der als Sekundärdurchbruch bezeichnet wird und bei dem übermäßiger Strom und normale Unvollkommenheiten im Siliziumchip dazu führen, dass Teile des Siliziums im Inneren des Bauelements unverhältnismäßig heißer werden als die anderen. Der elektrische Widerstand von dotiertem Silizium hat wie bei anderen Halbleitern einen negativen Temperaturkoeffizienten, was bedeutet, dass es bei höheren Temperaturen mehr Strom leitet. Das bedeutet, dass der heißeste Teil des Chips den meisten Strom leitet, wodurch sich seine Leitfähigkeit erhöht, was wiederum dazu führt, dass er immer heißer wird, bis das Gerät von innen heraus ausfällt. Der mit dem sekundären Durchbruch verbundene thermische Durchschlagsprozess tritt, sobald er ausgelöst wird, fast sofort ein und kann das Transistorgehäuse katastrophal beschädigen. ⓘ

Wenn der Emitter-Basis-Übergang in umgekehrter Richtung in den Avalanche- oder Zener-Modus vorgespannt wird und für eine kurze Zeit Ladung fließt, kann die Stromverstärkung des BJT dauerhaft beeinträchtigt werden, da der Emitter kleiner als der Kollektor ist und keine nennenswerte Leistung abführen kann. Dies ist ein häufiger ESD-Fehlermechanismus bei Niederspannungsgeräten. ⓘ

Kennlinienfelder

Ausgangkennlinienfeld mit Begrenzung des Transistor-Arbeitsbereichs ⓘ

Vierquadrantenkennlinienfeld ⓘ

Kennlinienfelder dienen der grafischen Darstellung zweier oder mehrerer voneinander abhängiger physikalischen Größen. Sie dienen zur Charakterisierung und Veranschaulichung der elektrischen Eigenschaften/Verhalten des Bauelements. Für die Beschreibung eines Bipolartransistors (als elektrischen Schalter oder in Verstärkerschaltungen) reichen vier grundlegende Kennlinien aus: das Eingangs-, das Ausgangs-, das Stromsteuer- und das Spannungsrückwirkungskennlinienfeld. Werden die Kennlinien gemeinsam dargestellt spricht man auch von Vierquadrantenkennlinienfeld. ⓘ

Beim Eingangskennlinienfeld wird der Basisstrom $I_{\mathrm {B} }$ gegen die Basisspannung $U_{\mathrm {BE} }$ aufgetragen. Da es sich hierbei nur um den Basis-Emitter-pn-Übergang handelt, entspricht die Kennlinie der einer pn-Diode. ⓘ

Das Ausgangkennlinienfeld stellt die Abhängigkeit des Kollektorstroms $I_{\mathrm {C} }$ von der Kollektor-Emitterspannung $U_{\mathrm {CE} }$ bei ausgewählten Basissteuerströmen $I_{\mathrm {B} }$ dar. ⓘ

Beim Stromsteuerkennlinienfeld bzw. bei der Stromsteuerkennlinie wird die Abhängigkeit des Kollektorstroms $I_{\mathrm {C} }$ vom ansteuernden Basisstrom $I_{\mathrm {B} }$ bei konstanter Kollektor-Emitterspannung $U_{\mathrm {CE} }$ dargestellt. In der Regel hat sie den Verlauf einer Geraden (annähernd linear) durch den Ursprung, wobei die Steigung dem Stromverstärkungsfaktor $\beta$ entspricht. ⓘ

Das Spannungsrückwirkungskennlinienfeld (auch Rückwirkungskennlinienfeld genannt) stellt die Rückwirkung der Ausgangsspannung $U_{\mathrm {CE} }$ auf den Eingang (Basis bzw. Basisspannung $U_{\mathrm {BE} }$) dar. ⓘ

Arbeitsbereiche

Historische Bipolartransistoren, Baujahr ca. 1959. Gehäuse aus Glas, schwarzer Lacküberzug teilweise entfernt, um den Halbleiterkristall sichtbar zu machen. ⓘ

Der Bipolartransistor besteht aus zwei pn-Übergängen. Indem man entsprechende Spannungen anlegt, kann man beide Übergänge unabhängig voneinander sperren oder durchschalten. Dadurch ergeben sich vier mögliche Arbeitsbereiche, in denen der Transistor ein je eigenes Verhalten zeigt. ⓘ

Sperrbereich

Im Sperrbereich (engl. cut-off region) oder Sperrbetrieb sperren beide Übergänge, d. h. die Kollektor- und die Emitterdiode. In diesem Betriebszustand leitet der Transistor theoretisch keinen Strom. Der Transistor entspricht damit einem geöffneten Schalter. Praktisch fließt auch im Sperrbetrieb ein geringer Strom, der Transistor im Sperrbetrieb stellt also einen nichtidealen Schalter dar. ⓘ

Verstärkungsbereich

Der Verstärkungsbereich (engl. forward-active region) tritt im sogenannten Normalbetrieb auf. Hierbei wird die Emitterdiode in Flussrichtung und die Kollektordiode in Sperrrichtung betrieben. Im Verstärkungsbereich gilt näherungsweise die Formel $I_{\rm {C}}=\beta \cdot I_{\rm {B}}$, wobei β der Stromverstärkungsfaktor ist. Da β relativ groß ist, führen hier kleine Änderungen des Basisstroms $I_{\rm {B}}$ zu großen Änderungen des Kollektorstroms $I_{\rm {C}}$. Transistoren werden in diesem Bereich betrieben, um Signale zu verstärken. Im Normalbetrieb wird der Transistor üblicherweise nur in dem Bereich betrieben, in dem die Verstärkung näherungsweise linear gemäß obiger Formel verläuft. ⓘ

Schnelle Digitalschaltungen wie LVPECL, LVDS, CML arbeiten im Verstärkungsbetrieb, auch linearer Bereich genannt, um die Verzögerungen durch die Sättigung zu vermeiden. ⓘ

Sättigungsbereich

Der Sättigungsbereich wird auch Sättigungsbetrieb oder Sättigung genannt. Beide pn-Übergänge leiten, in der Basiszone befinden sich jedoch mehr Ladungsträger als für den Kollektorstrom benötigt werden. Der Kollektorstrom $I_{\rm {C}}$ ist unabhängig vom Basisstrom $I_{\rm {B}}$. Der Transistor entspricht einem geschlossenen Schalter mit konstantem Durchgangswiderstand (Linker Bereich im Ausgangskennlinienfeld). Sofern sich der Arbeitspunkt eines Linearverstärkers nicht weit genug entfernt vom Sättigungsbereich befindet oder die Amplitude des Signals zu hoch ist, tritt Übersteuerung ein, der Verstärker begrenzt das Signal und es treten Verzerrungen auf. Das Sperren der Basis-Kollektor-Strecke verzögert sich, da erst alle überschüssigen Ladungsträger aus der Basiszone abfließen müssen. ⓘ

Alternativ werden bei Schaltanwendungen Feldeffekttransistoren (z. B. MOSFETs) eingesetzt. ⓘ

Quasi-Sättigungsbereich

Dieser Bereich liegt zwischen Verstärkungsbereich und Sättigungsbereich. Der Transistor wird nicht gesättigt betrieben, wodurch sich Ausschaltzeit und damit die Ausschaltverlustleistung gegenüber dem Betrieb in vollständiger Sättigung deutlich vermindern, was für Schalt-Anwendungen wichtig ist. Erkauft wird dieser Vorteil jedoch durch höhere Durchlassverluste, da die Durchlassspannung um ca. 0,4 V höher liegt. Eine Anwendung ist beispielsweise Schottky-TTL. ⓘ

Inverser Verstärkungsbereich

Der inverse Verstärkungsbereich (engl. reverse region) wird auch Inversbetrieb genannt. Dabei werden der Basis-Kollektor-Übergang in Durchlassrichtung und der Basis-Emitter-Übergang in Sperrrichtung betrieben. Dieser Bereich funktioniert ähnlich wie der normale Verstärkungsbereich, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen der Spannungen. Der Stromverstärkungsfaktor ist deutlich kleiner. Die maximale Sperrspannung der Basis-Emitterdiode beträgt nur einige Volt. ⓘ

Ein Vorteil des Inversbetriebs ist die präzisere und schnellere Schaltung. Bei voller Durchsteuerung sinkt die Durchlassspannung unter 10 mV, ähnlich wie beim mechanischen Kontakt, aber ohne Prellen. ⓘ

Ausführungsbeispiele

Elektrische Parameter

Für verschiedene Einsatzzwecke gibt es tausende Transistortypen mit unterschiedlichsten Eigenschaften. Wichtige Kenngrößen sind ⓘ

• die Strombelastbarkeit I_C (Kollektorstrom; einige Milliampere bis ca. 50 Ampere),
• die maximale Spannungsbelastbarkeit U_CE (Kollektor-Emitter-Sperrspannung; einige Volt bis einige hundert Volt),
• die maximale Verlustleistung P_max (einige Milliwatt bis einige hundert Watt),
• die Stromverstärkung B (ca. 5 bis ca. 1000) und
• die Grenzfrequenz (ca. 10 kHz bis etwa 100 GHz). ⓘ

• 

  2N3055 aus den 1980er Jahren. Siehe Unterschied in der Fertigungstechnik zum Bild oben: Drahtbonden-Technik, Abstand der Leitungen

• 

  Leistungsdarlington aus den 1980er Jahren ⓘ

Oft verwendet man in der Praxis einige wenige Typen häufiger als andere. Viele Transistoren gibt es als Komplementärtypen: es existieren ein pnp- und ein npn-Typ mit betragsmäßig gleichen Parametern, jedoch unterschiedlicher Polarität. Stellvertretend seien hier einige Komplementärtypen und deren Parameter genannt:

1. Kleinsignaltransistoren (allgemeine Anwendung):
   • TO-92-Gehäuse (bedrahtet): BC547B (npn-Transistor) / BC557B (pnp-Transistor): Verlustleistung P_max = 0,50 W; Betrag des Kollektorstromes I_C ≤ 100 mA; Betrag der Sperrspannung U_CE ≤ 45 V; Stromverstärkung B ≈ 290 (bei I_C = 2 mA)
   • SOT-23-Gehäuse (SMD): BC817 (npn) / BC807 (pnp): P_max=0,25 W; I_C ≤ 500…800 mA; U_CE ≤ 45 V; B = 100…600 (bei I_C = 100 mA); Transitfrequenz F_{T (min.)} 100 MHz

   Der Preis dieser Typen liegt bei Abnahme geringer Stückzahlen bei ca. 3 ct, bei größeren Abnahmemengen sinkt der Preis noch einmal deutlich.

2. Leistungstransistoren:
   • TO-3-Gehäuse: 2N3055 (npn) / MJ2955 (pnp): P_max = 115 Watt; I_C ≤ 15 A; U_CEO ≤ 60 V; B = 20…70 (bei I_C| = 4 A); Transitfrequenz min. 0,8 MHz
   • TO-220-Gehäuse, Darlington-Transistoren: TIP130…132 (npn)/ TIP135…137 (pnp); Kollektorströme bis 8 Ampere, Stromverstärkung min. 1000 (bei 4 Ampere Kollektorstrom), Sperrspannung 60 bis 100 Volt. ⓘ

Darlington-Transistoren vereinen zwei Transistoren auf einem Chip in einem Gehäuse, wobei in einer Emitterfolger-Schaltung der kleinere davon der Ansteuerung der Basis des größeren dient. Die Stromverstärkung des Doppeltransistors ist deutlich höher (1.000 bis 30.000) als die eines Einzeltransistors, die Sättigungsspannung jedoch ebenfalls (etwa 1 V). Die BE-Spannung entspricht etwa dem doppelten Wert eines Einzeltransistors (1,4 V). ⓘ

Gehäuse-Bauformen

siehe auch: Liste von Halbleitergehäusen ⓘ

Diskrete Bipolartransistoren werden abhängig vom Einsatzzweck in unterschiedlichen Gehäusen untergebracht. Die gängigsten Gehäuseformen sind:

• Bedrahtete Gehäuse (Durchsteckmontage, kurz THT von engl. through hole technology):
  • TO-92 (Plastikgehäuse 5 mm × 5,2 mm)
  • TO-18 und TO-39 (becherförmige Metallgehäuse, vergossen; veraltet)
  • TO-220 (Plastikgeh. mit Lasche zur Kühlkörpermontage, 9,9 mm × 15,6 mm)
  • TO-218 (15 mm × 20,3 mm; Plaste mit Metallkühlfläche)
  • TO-247 (Plastikgeh. mit Metallfläche zur Kühlkörpermontage)
  • TO-3 (Metallgehäuse zur Kühlkörper-Montage; veraltet)
  • TO-3P (ähnlich TO-218; mit Metallfläche zur Kühlkörpermontage) ⓘ

• Gehäuse für Oberflächenmontage (SMD von engl. surface mounted device); Wärmeableitung über Lötverbindungen zur Leiterplatte:
  • SOT-23 (1,3 mm × 2,9 mm)
  • SOT-89 (2,6 mm × 4,5 mm)
  • SOT-223 (3,5 mm × 6,5 mm)
  • D-PAK, D2-PAK (höhere Verlustleistungen) ⓘ