Funktionsweise von NPN- und PNP-Transistoren

In elektrischen Schaltungen werden häufig Transistoren eingesetzt, die aus Halbleitern hergestellt werden. Durch Dotierung wird die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern erheblich gesteigert. Dabei wird zwischen n-Dotierung (Überschuss an Elektronen) und p-Dotierung (Überschuss an Löchern) unterschieden. Durch Zusammenfügen von dotiertem Material zu einer NPN- oder PNP-Schicht werden Transistoren hergestellt. Diese werden auch als bipolare Transistoren bezeichnet, da zwei Ladungsträger (Elektronen und Löcher) am Stromfluss beteiligt sind.

Transistoren haben drei Anschlüsse. Diese werden Basis, Collector und Emitter (B, C, E) genannt und wie folgt belegt:

NPN-Transistor:

  • Collector: Pluspol
  • Emitter: Minuspol
  • Basis: Pluspol

PNP-Transistor:

  • Collector: Minuspol
  • Emitter: Pluspol
  • Basis: Minuspol

Im stromlosen Zustand entstehen an den pn-Übergängen Sperrschichten durch Rekombination von Elektronen und Löchern. Setzt man den Transistor über den Collector und den Emitter unter elektrischer Spannung, wird die Sperrschicht zwischen Basis und Emitter abgebaut, dafür vergrößert sich die Sperrschicht zwischen Basis und Collector.

Wird beim NPN-Transistor zusätzlich die Basis mit dem Pluspol oder beim PNP-Transistor mit dem Minuspol verbunden und liegt die elektrische Spannung dabei über der notwendigen Schwellspannung, wird auch die Sperrschicht zwischen Basis und Collector abgebaut und der Transistor lässt den Laststrom zwischen Collector und Emitter durch. Gleichzeitig erfolgt ein geringer Stromfluss zwischen Basis und Emitter, der Steuerstrom genannt wird.

Beim Stromfluss muss man den Unterschied zwischen technischer und physikalischer Stromrichtung beachten. Physikalisch betrachtet fließen die Elektronen des Laststroms beim NPN-Transistor vom Emitter zum Collector die Elektronen des Steuerstroms vom Emitter zur Basis. Beim PNP-Transistor fließen die Elektronen des Laststroms vom Collector zum Emitter und die Elektronen des Steuerstroms von der Basis zum Emitter.

Funktionsweise beim NPN- und PNP-Transistor

Vorgänge in den dotierten Schichten beim NPN-Transistor

In der nachfolgenden Bildergalerie ist Schritt für Schritt dargestellt, welche Vorgänge ungefähr in einem NPN-Transistor ablaufen.

  • Ausgangssituation mit NPN-Schicht

    Bild 1

  • Spannung wird angelegt

    Bild 2

  • Löcher wandern zum Minuspol

    Bild 3

  • Negative Ionen stoßen Elektronen ab

    Bild 4

  • Basis an Pluspol angeschlossen

    Bild 5

  • Abzug der Elektronen von negativen Ionen

    Bild 6

  • Sperrschicht wird aufgehoben

    Bild 7

  • Sperrschicht komplett entfernt

    Bild 8

  • Funktionsweise eines Transistors

    Bild 9

  • Bild 1: Im spannungslosem Zustand bilden sich an den pn-Übergängen Sperrschichten. Sie bilden sich deshalb, weil in der Grenzregion die freien Elektronen der n-Schichten die Löcher in den p-Schichten füllen. Diesen Vorgang nennt man Rekombination. Da sich gleichartige Ladungsträger abstoßen, werden weitere Elektronen von den negativ geladenen Ionen in der Grenzregion der p-Schicht ebenfalls abgestoßen und die Sperrschicht entsteht.
  • Bild 2: Schließt man den Collector (links) an das Pluspol und den Emitter (rechts) an das Minuspol, haben die Elektronen das Bestreben, zum Pluspol zu wandern. Sie werden praktisch unter Druck (elektrische Spannung) gesetzt.
  • Bild 3: Betrachtet man die p-Schicht, wandern die Löcher nach rechts. Denn, die Elektronen wandern von rechts nach links und füllen dabei die Löcher auf. Dadurch verschwinden die Löcher links und entstehen rechts. Dadurch wird die rechte Sperrschicht verkleinert, gleichzeitig vergrößert sich die linke Sperrschicht.
  • Bild 3: Betrachtet man die rechte n-Schicht, drücken die Elektronen in Richtung p-Schicht und verkleinern dadurch ebenfalls die rechte Sperrschicht.
  • Bild 3: Betrachtet man die linke n-Schicht, bewegen sich die Elektronen von der p-Schicht weg und vergrößern die linke Sperrschicht.
  • Bild 4: Die Elektronen auf der rechten Seite können nicht auf die linke Seite vordringen, da die negativen Ionen entlang der Sperrschicht diese abstoßen.
  • Bild 5: Schließt man die Basis an das Pluspol und liegt die elektrische Spannung dabei über der Schwellspannung, werden von den negativen Ionen in der Sperrschicht die Elektronen abgezogen.
  • Bild 6: Dadurch, dass die Elektronen von den negativen Ionen abgezogen werden, sind diese nicht mehr negativ geladen und stoßen die Elektronen auf der rechten Seite nicht mehr ab. Die Elektronen können daher von rechts nach links durch die p-Schicht fließen.
  • Bild 7: Die Elektronen stoßen durch die p-Schicht in die linke n-Schicht. Dadurch wird die Sperrschicht weiter verkleinert.
  • Bild 8: Die linke Sperrschicht ist komplett aufgehoben und die Elektronen des Laststroms können vom Emitter (rechts) zum Collector (links) fließen. Gleichzeitig fließen geringe Mengen an Elektronen (Steuerstrom) vom Emitter zur Basis (unten).
  • Bild 9: Das Funktionsprinzip eines Transistors. Wie bei einem Schleusensystem wird mit einem geringen Steuerstrom ein großer Laststrom zum Fließen gebracht.