BJT-Kennlinienfeld
Das folgende Applet veranschaulicht die Funktionsweise des Bipolartransistors. Nach Vorgabe der Basis-Emitterspannung UBE und der Kollektor-Emitterspannung UCE wird der Betriebspunkt unter Berücksichtigung des Early-Effektes berechnet und grafisch (roter Punkt) im Ausgangskennlinienfeld dargestellt. Zusätzlich wird die Verteilung der Minoritätsträger - die maßgeblich das elektrische Verhalten bestimmen - im Emitter, in der Basis und im Kollektor berechnet und grafisch dargestellt.
Man sieht:
- Der Bipolartransistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Gebieten (Emitter, Basis und Kollektor). Im Fall des npn-Transistors sind der Emitter (E) und der Kollektor (C) n-dotiert, die Basis (B) ist p-dotiert, so dass man zwei hintereinandergeschaltete pn-Übergänge erhält.
- Transistor im normalen Verstärkerbetrieb
Im normalen Verstärkerbetrieb ist der BE-Übergang in Durchlassrichtung (UBE ~ 0,7V) und der BC-Übergang ist gesperrt (UBC< 0V). Über den in Durchlassrichtung gepolten BE-Übergang bewegen sich Ladungsträger (Elektronen) vom Emitter zur Basis (vgl. Diode). Diese ist sehr kurz (<1um), so dass die Elektronen nicht mit den vom Basisanschluss kommenden Löchern rekombinieren, sondern (durch Diffusion) den BC-Übergang erreichen. Sobald die Elektronen die Raumladungszone (X=XB) erreichen, werden sie durch das dort herrschende elektrische Feld zum Kollektor hin beschleunigt. Wichtig für das Verständnis des Transistors sind folgende Aussagen:
- Die Höhe des Elektronenstromes durch die Basis ist - da es sich um einen Diffusionsvorgang handelt - im Wesentlichen durch die Steigung dn`/dx der Ladungsträgerdichte (blaue Kurve) in der Basis gegeben. Also:
Ic ~ dn´/dx.
- Die Trägerdichten n` am emitter- bzw. kollektorseitigen Ende der Basis hängen von der jeweiligen Spannung (UBE bzw. UBC) an dem Übergang ab; es gilt näherungsweise
n´ ~ exp(U).
- Am kollektorseitigen Ende (X=XB) ist wegen UBC<0 die Dichte n´ sehr gering (~0), am emitterseitigen Rand (X=0) erreicht sie wegen UBE >0V sehr große Werte. Wegen der exponentiellen Abhängigkeit reichen bereits kleine Spannungsänderungen UBE aus, um eine Änderung der Dichte von n` am emitterseitigen Ende (X=0) der Basis zu erreichen. Die Steigung - und damit der Strom Ic durch den Transistor - hängt damit unmittelbar von der Basis-Emitterspannung UBE ab, wobei bereits sehr kleine Änderungen der Basis-Emitterspannung eine große Änderung von Ic hervorrufen (Verstärkereffekt).
- Transistor im Sättigungsbetrieb
Verringert man die Spannung UCE immer weiter, wird schließlich UBC positiv, so dass der BC-Übergang in Durchlassrichtung gelangt. Damit herrscht nun auch am kollektorseitigen Rand (X=XB) der Basis eine hohe Elektronendichte n´, wodurch die Steigung dn`/dx und damit auch der Strom Ic kleiner werden. Dies äußert sich im Abfallen der Ausgangskennlinie Ic(UCE) sowie der Abnahme der Stromverstärkung Bn des Transistors mit kleiner werdender Spannung UCE.
- Early-Effekt
Vergrößert man die Sperrspannung UCE im normalen Verstärkerbetrieb, so beobachtet man eine leichte Zunahme des Kollektorstromes Ic (Ansteigen der Kennlinie IC(UCE)). Die Ursache für diesen Effekt (Early-Effekt oder auch Basisweitenmodulation genannt) ist die Vergrößerung der Basis-Kollektor-Raumladungszone (grauer Bereich in der Grafik) mit zunehmender Sperrspannung am Basis-Kollektor-Übergang. Dadurch verringert sich die effektive Basisweite XB und die Steigung dn`/dx der Minoritätsträger in der Basis nimmt zu. Da dn`/dx proportional dem Kollektorstrom Ic ist, steigt dieser an.