Elektrotechnik Grundlagen

NPN Transistor

NPN Transistoren sind wichtige Bauteile der Elektrotechnik . Mit ihnen kannst du Ströme verstärken oder sie als ON/OFF-Schalter verwenden. Wie ein NPN Transistor aufgebaut ist und funktioniert, erfährst du in diesem Beitrag. Unser Video%verlinken dazu erklärt dir das Wichtigste in kurzer Zeit.

Inhaltsübersicht

NPN Transistor einfach erklärt

Du kannst dir den NPN Transistor wie ein Sandwich aufgebaut vorstellen: Du hast drei Schichten, die übereinanderliegen. Für jede dieser drei Schichten hast du einen Anschluss nach draußen: Die Basis (B), den Kollektor (C) und den Emitter (E).

Mit \text{\textcolor{blue}{N}\textcolor{red}{P}\textcolor{blue}{N}} wird dir die Reihenfolge der Dotierung dieser Schichten mitgeteilt: \text{\textcolor{blue}{N}} steht für \text{\textcolor{blue}{negativ}} (also n-Dotierung) und \text{\textcolor{red}{P}} für \text{\textcolor{red}{positiv}} (also p-Dotierung). Das heißt, du hast zwei p-n-Übergänge .

Der NPN Transistor ist ein Bipolartransistor. Bipolar meint, dass für die Funktion sowohl Elektronen als auch Löcher in Bewegung sind. Die Funktionsweise kannst du dir so vorstellen: Du pustest die Basis kurz an und erzeugt dadurch einen gewaltigen Luftstrom vom Emitter zum Kollektor. 

Was du dann mit einem NPN Transistor im Wesentlichen machen kannst, ist den Stromoutput durch einen kleinen, sogenannten Basisstrom (dem Input) zu steuern. Der Output (die Elektronen, die über den Kollektor hinausfließen) ist dabei viel größer als der Input. Du hast also erfolgreich eine Stromverstärkung durchgeführt.

NPN Transistor Aufbau

Lass uns den Aufbau etwas genauer anschauen. Der NPN Transistor besteht aus zwei n-dotierten Schichten und einer p-dotierten Schicht, wobei die p-dotierte Schicht zwischen den beiden anderen liegt. Die n-dotierte Schicht, die der Emitter sein soll, ist wesentlich stärker dotiert als die anderen beiden Schichten (durch n^{++} symbolisiert). Die Dotierung des Kollektors (durch n^+ symbolisiert) liegt zwischen der Dotierung des Emitters und der Dotierung der Basis. Die p-Schicht ist, im Vergleich zu den beiden n-Schichten, sehr dünn. 

Aus jeder Halbleiterschicht zeigt ein Anschluss nach draußen. An diesen Anschlüssen kannst du Spannungsquellen anschließen. Die Spannung zwischen dem Kollektor und Emitter heißt \ \textcolor{blue}{U_{CE}} und die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter \ \textcolor{blue}{U_{BE}}. Die entsprechenden Ströme heißen Basisstrom \ \textcolor{red}{I_B} und Kollektorstrom \ \textcolor{red}{I_C}.

Beachte: Wenn du eine Schaltung vor dir liegen hast, dann wird der Strom immer in die technische Stromrichtung gezeigt. Das heißt, während zum Beispiel die Elektronen (\text{e}^-) vom Emitter zum Kollektor fließen, wird in der Schaltung die umgekehrte Richtung dargestellt. Im Schaltzeichen sieht du dann den Kollektorstrom I_C vom Kollektor zum Emitter fließen. Ähnlich verhält es sich mit dem Basisstrom.

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Aufbau eines NPN Transistors (links) und Darstellung als Schaltung (rechts).
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NPN Transistor Funktion

Du weißt nun, wie der NPN Transistor aufgebaut ist. Wie aber funktioniert er genau? Wenn du dir den Aufbau nochmal genauer anschaust, dann erkennst du, dass du im Prinzip zwei p-n-Übergänge miteinander „verbunden“ hast: Du hast einmal einen Übergang von n nach p (Emitter zu Basis) und dann einen Übergang von p nach n (Basis zu Kollektor). Die Situation ist also ähnlich zu der von zwei Dioden%verlinken, die du in entgegengesetzter Richtung miteinander „verbunden“ hast.

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NPN Transistor durch Dioden illustriert.

Das heißt, egal wie du die Spannung U_{CE} wählst, eine der beiden Dioden wird immer in Sperrrichtung gepolt sein. Es fließt kein Strom. 

\boldsymbol{U_{CE} > 0} und \boldsymbol{U_{BE} > 0}%Das folgende ist grundsätzlich schon sehr gut erklärt. Mir fehlt aber immer noch das Gesamtbild - ein bsischen wie bei elektronik-kompendium. Vielleicht etwas "mehr" erklären. Ich weiß nicht, ob ein Schüler den Einfluss von verschiedenen Dotierungsstärken/Schichtdicken weiß etc. Vielleicht an einem kleinen Beispiel zeigen: wenn man hier eine Spannung anlegt, dann passiert das und das und das. Nur ein, zwei Sätze. Weißt du was ich meine? :) % Ich habe mir nochmal den Artikel von elektronik-kompendium angeschaut. Ich habe ein zusätzliches Bild hinzugefügt (s. Unterabschnitt "Vom Emitter zur Basis"). Zusätzlich habe ich noch ein paar Informationen hinzugefügt. Ansonsten denke ich, inhaltlich gesprochen, alles abgedeckt zu haben, was auch die Konkurrenz hat.

Nehmen wir aber an, dass du jetzt sowohl U_{CE} > 0 und U_{BE} > 0 hast. Die Diode zwischen Basis und Emitter, also im Bild die untere, ist dann in Durchlassrichtung und die Diode zwischen Basis und Kollektor in Sperrrichtung gepolt. Die Situation hat sich also irgendwie nicht wirklich geändert. 

Vom Emitter zur Basis

Aber hier kommen die verschiedenen Dotierungsstärken und Schichtdicken ins Spiel. In der unteren Diode beginnen Elektronen aus dem Emitter in die Basis zu gehen. Weil die Basis nur leicht dotiert ist, rekombinieren nur ein paar der Elektronen aus dem Emitter mit Löchern in der Basis. Ein paar der Elektronen aus dem Emitter werden zusätzlich vom Pluspol der Spannung U_{BE} angezogen. Die Basis ist aber sehr dünn, weshalb die meisten Elektronen direkt weiter zum Kollektor gehen. 

Das heißt: Ein Teil der Elektronen aus dem Emitter gehen durch Rekombination verloren, ein anderer Teil wird durch den Pluspol von U_{BE} angezogen. Weil aber die Basis nur leicht dotiert und sehr dünn ist, schafft es der Großteil der Elektronen weiter in den Kollektor. Und wie viele Elektronen gehen dabei verloren? Nur etwa 1%. Das heißt 99% der Elektronen schaffen den ganzen Weg vom Emitter zum Kollektor.

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NPN Transistor Funktionsweise.

Von der Basis zum Kollektor

In der oberen Diode wartet auf diese Elektronen der Pluspol von U_{CE}. Dadurch werden sie in Richtung des Kollektors beschleunigt; der Kollektor „saugt“ die Elektronen auf. Insgesamt hast du also einen Stromfluss vom Emitter zum Kollektor. Im Bild wird das üblicherweise durch den Kollektorstrom I_C dargestellt, der aber vom Kollektor zum Emitter fließt.

Kleiner Basisstrom, aber großer Kollektorstrom

Und was hast du dafür benötigt? Nur eine relativ geringe Spannung U_{BE}, was gleichbedeutend ist mit einem geringen Basisstrom I_B. Du hast also diese drei dotierte Schichten, die klug miteinander verbunden sind. Indem du dann die Basis kurz anpustest (geringer Basisstrom I_B), verursachst du einen großen Luftstrom von Emitter zu Kollektor (großer Kollektorstrom I_C). 

NPN PNP Vergleich

Der NPN Transistor hat einen Partner, den PNP Transistor. Der PNP Transistor ist ebenfalls ein Bipolartransistor. Der Name gibt dir schon den Hinweis, dass hier die Reihenfolge der Dotierung unterschiedlich ist: Du hast eine p-dotierte Schicht, gefolgt von einer n-dotierten Schicht und anschließend wieder eine p-dotierte Schicht.%Thumbnail mit Playbutton

Wenn wir wieder zu unseren Anschauung mit zwei Dioden zurückkehren, hast du beim PNP Transistor nicht zwei entgegengesetzte Dioden, sondern zwei Dioden, deren „Spitze“ in die selbe Richtung zeigen. Im Wesentlichen ändern sich dadurch die Richtungen der Pfeile für die Spannungen und Ströme. Mehr dazu findest du in unserem Beitrag hier%verlinken zu "PNP Transistor".

NPN Transistor Anwendung

Wir hatten bereits erwähnt, dass du mit dem NPN Transistor einen Strominput (den Basisstrom) verstärken kannst. Das Verhältnis von Output zu Input, also Kollektorstrom zu Basisstrom, heißt Stromverstärkungsfaktor und bekommt den Buchstaben B

B = \displaystyle{\frac{I_C}{I_B}}.

Statt den Buchstaben B findest du dafür manchmal auch den griechischen Buchstaben \beta. Dieser Faktor kann zwischen 4 und 1000 liegen. Für B = 50 beispielsweise, würdest du für einen bestimmten Basisstrom I_B als Output das fünfzigfache davon, also 50 \cdot I_B, erhalten. Du kannst aber den Input nicht beliebig groß wählen. Jeder Transistor besitzt einen maximal zulässigen Basisstrom. Überschreitest du ihn, wird der Transistor zerstört.

Dadurch, dass du den Stromfluss leicht durch die externe Spannungsquellen kontrollieren kannst, kannst du den NPN Transistor auch als Schalter verwenden. 

NPN Transistor Zusammenfassung

Zum Abschluss gibt es noch eine kleine Zusammenfassung zum NPN Transistor:

  • Der NPN Transistor ist ein Bipolartransistor%verlinken "Transistor" mit drei Anschlüssen: Basis (B), Kollektor (C) und Emitter (E).
  • Mit \text{\textcolor{blue}{N}\textcolor{red}{P}\textcolor{blue}{N}} wird dir die Reihenfolge der Dotierung mitgeteilt: \text{\textcolor{blue}{N}} steht für \text{\textcolor{blue}{negativ}} und \text{\textcolor{red}{P}} für \text{\textcolor{red}{positiv}}.
  • Du kannst dir die beiden p-n-Übergänge als zwei Dioden%verlinken "Diode" vorstellen, deren „Spitze“ in entgegengesetzte Richtungen zeigen.
  • Bereits ein kleiner Basisstrom kann zu einem großen Kollektorstrom führen. Dabei fließen Elektronen vom Emitter zum Kollektor.
  • Einen NPN Transistor kannst du nicht nur für die Stromverstärkung verwenden, sondern auch als Schalter, um zwischen „OFF“ und „ON“ zu wechseln.
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