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Erschienen in:
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2021 | OriginalPaper | Buchkapitel

4. Bipolartransistor

verfasst von : Massoud Momeni

Erschienen in: Grundlagen der Mikroelektronik 1

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Mit der pn-Diode wurden die Grundlagen gelegt, um im Folgenden den Bipolartransistor einzuführen, der im Jahr 1948 zum ersten Mal demonstriert wurde. Es werden zwei Varianten des Bipolartransistors unterschieden, der npn- und der pnp-Transistor. Der npn-Transistor besteht aus einer Folge dreier unterschiedlich dotierter Halbleiterschichten, einer n-, einer p- und einer weiteren n-dotierten Schicht. Analog besteht der pnp-Transistor aus einer der Bezeichnung entsprechenden Folge von Halbleiterschichten. Nach einer Vorstellung der Struktur eines Bipolartransistors werden der Stromtransport, die möglichen Betriebsbereiche und die Strom-Spannungs-Kennlinien erläutert. Durch die Modellierung des nichtlinearen Verhaltens in jedem Betriebsbereich wird die Handanalyse von Schaltungen mit Bipolartransistoren ermöglicht. Das allgemeine Vorgehen bei der Bestimmung von Arbeitspunkten wird präsentiert und in mehreren Beispielen angewendet.

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Fußnoten
1
Engl. bipolar junction transistor, abgekürzt BJT.
 
2
Engl. collector, base, emitter. Die Abkürzung „C“ für den Kollektor ergibt sich aus der englischen Bezeichnung.
 
3
In Anlehnung an die lateinischen Verben emittere (dt. aussenden, engl. to emit) bzw. colligere (dt. sammeln, engl. to collect).
 
4
Die Spannung \(v_{BC}\) beim npn-Transistor wird manchmal auch als \(v_{CB}\) angegeben. Dies basiert auf der Konvention, dass Spannungszählpfeile vom Punkt höheren Potenzials zum Punkt niedrigeren Potenzials zeigen, das heißt \(v_{CB}>0\), was dem üblichen Betrieb des npn-Transistors entspricht (Abschn. 4.2 und 4.3.1). In diesem Buch hingegen wird der Zählpfeil gemäß der Vereinbarung für eine pn-Diode [Abb. 3.​1(b)] in Richtung des Stroms im Flussbetrieb (von Anode nach Kathode zeigend) gewählt.
 
5
Alternativ werden auch Minuszeichen verwendet, zum Beispiel \(n^+> p > n^-\).
 
6
Engl. saturation region.
 
7
Engl. forward-active region, normal-active region oder einfach nur active region.
 
8
Engl. cut-off region.
 
9
Engl. reverse-active region.
 
10
Die Erkenntnisse zur Funktionsweise von pn-Übergängen aus Abschn. 3 werden dabei vorausgesetzt.
 
11
Manchmal wird der Kollektorstrom auch als \(I_{CE}\) angegeben, um anzudeuten, dass er vom Kollektor zum Emitter fließt, und um ihn vom Kollektorstrom beim pnp-Transistor, der in die entgegengesetzte Richtung fließt, \(I_{EC}\), zu unterscheiden.
 
12
Engl. current gain. Manchmal auch als \(\beta _F\) (Index F für forward) angegeben, um ihn von der Stromverstärkung im rückwärtsaktiven Betrieb, \(\beta _R\) (Index R für reverse), zu unterscheiden.
 
13
Alternativ können die beiden entsprechenden Zählpfeile umgedreht und die Knotengleichung aus Gl. (4.25) zu \(I_C = I_E + I_B\) umformuliert werden.
 
14
Gemäß Gl. (4.14) ist die Überschussminoritätsdichte bei \(\Delta n_{pB}\left( {0}\right) \) proportional zu \(V_{BE}\). Auf ähnliche Weise ist \(\Delta n_{pB}\left( {w_B}\right) \) proportional zu \(V_{BC}\), woraus die Verringerung des Ladungsträgergradienten folgt.
 
15
Engl. input characteristic.
 
16
Engl. transfer characteristic.
 
17
Engl. output characteristic.
 
18
Alternativ kann die Kurvenschar in Abhängigkeit des Parameters \(V_{BE}\) anstatt \(I_B\) aufgetragen werden. Die beiden Kennlinienfelder \(I_C = f\left( {V_{CE},I_B}\right) \) und \(I_C = f\left( {V_{CE},V_{BE}}\right) \) sehen prinzipiell gleich aus.
 
19
Skaliert auf das gezeigte Koordinatensystem kann eine Steigung von \(-1/{500}\,{\Omega }\) beispielsweise auch als \(-{2}\,\text {mA}/{1}\,\text {V}\) angegeben werden, das heißt, für eine Zunahme der Spannung \(V_{CE}\) um \({1}\,\text {V}\) nimmt der Strom \(I_C\) um \({2}\,\text {mA}\) ab.
 
20
Alternativ wird \(V_{BC}\) mithilfe der Umlaufgleichung entlang des Transistors aus Gl. (4.4) bestimmt: \(V_{BC} = V_{BE} - V_{CE} = {0{,}7}\,\text {V} - {4{,}19}\,\text {V} = {-3{,}49}\,\text {V}\).
 
21
In der Herleitung der Stromgleichungen wurde die Annahme getroffen, dass die Sättigungsströme der beiden Dioden gleich sind. Andernfalls muss in allen Stromgleichungen zwischen \(I_{SE}\) für den Basis-Emitter- und \(I_{SC}\) für den Basis-Kollektor-Übergang unterschieden werden.
 
22
Engl. transport model.
 
23
Engl. saturation voltage; manchmal als \(V_{CE,sat}\) abgekürzt.
 
24
Im Englischen manchmal auch als forced \(\beta \) bezeichnet.
 
25
Engl. base-width modulation bzw. Early effect nach James M. Early, 1922–2004, US-amerikanischer Ingenieur.
 
26
Engl. Early voltage.
 
Metadaten
Titel
Bipolartransistor
verfasst von
Massoud Momeni
Copyright-Jahr
2021
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Buch
Grundlagen der Mikroelektronik 1

Print ISBN: 978-3-662-62031-1

Electronic ISBN: 978-3-662-62032-8

Copyright-Jahr: 2021

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-62032-8_4

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