Elektrotechnik Grundlagen
Bauteile der Elektrotechnik
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Der PNP Transistor gehört zur Familie der Bipolartransistoren . Was das bedeutet, wie der PNP Transistor funktioniert und wozu er verwendet wird, erfährst du in diesem Beitrag. In unserem Video dazu erklären wir dir alles Schritt für Schritt.

PNP Transistor einfach erklärt

Nehmen wir uns den Begriff PNP Transistor und teilen ihn gedanklich. Durch \text{\textcolor{red}{P}\textcolor{blue}{N}\textcolor{red}{P}} bekommst du gleich zwei Sachen mitgeteilt: (1) Der PNP Transistor besteht aus drei Schichten und (2) wechselt deren Dotierung zwischen \text{\textcolor{red}{positiv}} (also p-dotiert), \text{\textcolor{blue}{negativ}} (also n-dotiert) und dann wieder \text{\textcolor{red}{positiv}}. Die n-dotierte Schicht befindet sich dabei zwischen den beiden anderen Schichten.

Jede Schicht bekommt einen Anschluss nach draußen: Die Basis (B), den Kollektor (C) und den Emitter (E). An diesen Anschlüssen kannst du dann Spannungsquellen anschließen, um den PNP Transistor nach deinen Wünschen zu verwenden; zum Beispiel als Verstärker oder als Schalter.

Am einfachsten kannst du den PNP Transistor verstehen, wenn du dir schon einmal den NPN Transistor  angesehen hast. Du musst nur Elektronen durch Löcher ersetzen, die Stromrichtungen umkehren und die Polaritäten der Spannungen vertauschen (das heißt aus einer positiven Spannung wird eine negative Spannung und umgekehrt).

PNP Transistor Aufbau

Werfen wir einen genaueren Blick auf den Aufbau. Wir wissen bereits, dass der PNP Transistor aus zwei p-dotierten und einer n-dotierten Schicht besteht. Der Emitter und Kollektor sind dabei p-dotiert, die Basis ist n-dotiert. Die Dotierung des Emitters ist am stärksten (durch p^{++} symbolisiert), die des Kollektors am niedrigsten (durch p^+ symbolisiert). Die n-Dotierung der Basis liegt zwischen diesen beiden. Die Basis ist, im Vergleich zu den anderen beiden, sehr dünn.

Zwischen dem Kollektor und dem Emitter liegt die Spannung \ \textcolor{blue}{U_{CE}} und zwischen der Basis und dem Emitter die Spannung \ \textcolor{blue}{U_{BE}} an. Die Ströme werden Basisstrom \ \textcolor{red}{I_B} und Kollektorstrom \ \textcolor{red}{I_C} bezeichnet.

Wie üblich in der Elektrotechnik, zeigen die beiden Ströme I_B und I_C in die technische Stromrichtung. Im Schaltzeichen zeigt zum Beispiel I_C vom Emitter zum Kollektor. Das bedeutet, dass sich die Elektronen tatsächlich vom Kollektor zum Emitter bewegen.

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Aufbau eines PNP Transistors (links) und Darstellung als Schaltung (rechts).

PNP Transistor Funktion

Du hast beim PNP Transistor zwei p-n-Übergänge : Einmal den p-n-Übergang Emitter-Basis und einmal den p-n-Übergang Basis-Kollektor. Diese beiden p-n-Übergänge kannst du dir auch als zwei Dioden vorstellen, deren „Spitzen“ in die selbe Richtung zeigen.

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PNP Transistor durch Dioden illustriert.

Egal wie du die Spannung U_{CE} wählst, eine der beiden Dioden wird immer in Sperrrichtung gepolt sein. Nur mit U_{CE} allein kommst du also nicht weit.

\boldsymbol{U_{CE} < 0} und \boldsymbol{U_{BE} < 0}

Die Situation ändert sich aber, wenn du sowohl U_{CE} < 0 und U_{BE} < 0 machst. In diesem Fall ist die untere Diode, also zwischen Basis und Emitter, in Durchlassrichtung gepolt. Die obere Diode zwischen Basis und Kollektor ist aber in Sperrrichtung gepolt. Irgendwie scheint sich die Situation doch nicht großartig geändert zu haben.

Vom Emitter zur Basis

Wir schauen uns an, wie sich die Löcher im Emitter verhalten. Der Grund, weshalb wir uns die Löcher anschauen, ist der, dass der Emitter stark p-dotiert ist. Das bedeutet, dass im Emitter überwiegend „freie“ Löcher vorhanden sind. Diese Löcher werden aufgrund der positiven Spannung am Emitter in Richtung der Basis „gedrückt“.

Die Basis ist nur leicht n-dotiert. Deshalb finden die Löcher aus dem Emitter nur ein paar wenige freie Elektronen, mit denen sie rekombinieren. Ein anderer Teil der Löcher wird durch die negative Spannung an der Basis weggezogen. Die Basis ist aber nur sehr dünn. Aus diesem Grund schaffen es die meisten Löcher (etwa 95%) weiter in den Kollektor.

An dieser Stelle erkennst, wie wichtig es war, dass die Basis nur leicht dotiert und sehr dünn ist. Ansonsten wären die Verluste an freien Ladungsträgern weitaus höher gewesen.

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PNP Transistor Funktionsweise.

Von der Basis zum Kollektor

Auf die Löcher, die diese erste Hürde überwunden haben, wartet die negative Spannung am Kollektor. Dadurch werden sie in Richtung des Kollektors beschleunigt und ergeben den Kollektorstrom I_C. Du hast also insgesamt einen Strom an Löchern vom Emitter zum Kollektor.

Kleiner Basisstrom, aber großer Kollektorstrom

Dadurch, dass wir sowohl die Spannung U_{CE} und U_{BE} negativ gewählt haben, konnten wir einen elektrischen Strom vom Emitter zum Kollektor erzeugen. Die Spannung U_{BE} muss dafür nicht besonders groß sein. Das bedeutet aber auch, dass der Basisstrom I_B nicht groß sein muss. 

Wie groß ist dann aber der Kollektorstrom I_C? Zwischen diesen beiden Strömen findest du den folgenden Zusammenhang

I_C = B \cdot I_B.

Der Buchstabe B steht für den Stromverstärkungsfaktor. Er heißt „Verstärkungsfaktor“, weil der Kollektorstrom bis zu 1000-mal stärker sein kann als der Basisstrom.

NPN PNP Vergleich

Wenn du die Funktionsweise des NPN-Transistors bereits kennst, dann wird dir die starke Ähnlichkeit zur Funktionsweise des PNP Transistors aufgefallen sein. 

Ähnlichkeiten und Unterschiede

 

Beide Transistoren bestehen aus drei Schichten. Beim \text{\textcolor{blue}{N}\textcolor{red}{P}\textcolor{blue}{N}} Transistor sind es zwei n-dotierte Schichten, zwischen denen eine p-dotierte Schicht liegt. Der \text{\textcolor{red}{P}\textcolor{blue}{N}\textcolor{red}{P}} Transistor ist hingegen aus zwei p-Schichten aufgebaut. Zwischen diesen leigt eine n-dotierte Schicht.

In beiden Fällen heißen die Anschlüsse Basis (B), Kollektor (C) und Emitter (E). Während die Spannung U_{CE} beim NPN Transistor positiv ist, ist sie beim PNP Transistor negativ; ähnlich für die Spannung U_{BE}.

Der Kollektorstrom I_C zeigt beim NPN Transistor vom Kollektor zum Emitter. Beim PNP Transistor hingegen vom Emitter zum Kollektor. Ebenso ist die Stromrichtung des Basisstroms I_B umgekehrt.

Beim NPN Transistor sind die dominanten freien Ladungsträger Elektronen. Im Fall des PNP Transistors sind es Löcher. 

 

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NPN PNP Transistor Vergleich.

Wieso PNP Transistor?

Mit beiden Transistoren kannst du Ströme verstärken oder die Transistoren als Schalter verwenden. Theoretisch kannst du überall, wo eine Schaltung mit einem PNP Transistor vorkommt, diese Schaltung durch eine äquivalente Schaltung mit einem NPN Transistor ersetzen.

Wieso also werden PNP Transistoren überhaupt hergestellt? Ein Grund liegt in der Bequemlichkeit. Manche Schaltungen lassen sich mit PNP Transistoren effizienter und leichter realisieren als mit NPN Transistoren.

Diese gegensätzliche Funktionsweise, was der „Art“ der freien Ladungsträger angeht, führt auch dazu, dass es viele Schaltungen gibt, wo NPN und PNP Transistoren nur paarweise auftreten; das heißt, zu jedem NPN Transistor in der Schaltung gibt es einen PNP Transistor in der selben Schaltung und umgekehrt.

Zum Video: NPN Transistor
Zum Video: NPN Transistor


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