Ein Bipolartransistor, im Englischen als (BJT) bezeichnet, ist ein Transistor, bei dem im Unterschied zum Unipolartransistor beide Ladungsträgertypen – negativ geladene Elektronen und positiv geladene Defektelektronen – zum Stromtransport durch den Bipolartransistor beitragen. Der BJT wird mittels eines elektrischen Stroms gesteuert und wird zum Schalten und Verstärken von Signalen ohne mechanisch bewegte Teile eingesetzt.
Bipolare Leistungstransistoren sind für das Schalten und Verstärken von Signalen höherer Stromstärken und Spannungen ausgelegt.
mini|Analogiemodell eines Bipolartransistors zur Veranschaulichung der Stromverstärkung durch eine Wasserströmung.
Historisches mini|Nachbau des ersten Transistors (Spitzentransistor) von Shockley, Bardeen und Brattain
Die Idee eines „stromverstärkenden“ bzw. stromschaltenden Bauelements auf Basis von Halbleitern wurde bereits in den 1920er Jahren durch Julius Edgar Lilienfeld beschrieben. Lilienfeld beschrieb ein elektronisches Bauelement, welches auf dem später „Feldeffekt“ genannten Phänomen, also einer Änderung der Leitfähigkeit eines Materials in Anwesenheit eines elektrischen Feldes, basiert und heute mit dem Feldeffekttransistor vergleichbar ist. Mehr oder weniger unabhängig davon forschten zahlreiche andere Gruppen in den 1930er und 1940er Jahren an elektrischen Effekten in Festkörpern. Es existierten bereits Theorien zur Dotierung von Materialien, eine Realisierung des Feldeffekttransistors gelang zunächst jedoch nicht (vgl. u. a. W. R. Brinkman et al., I. M. Ross oder B. Lojek).
Eine dieser Forschergruppen war in den 1930er Jahren die Halbleitergruppe von Mervin Kellys an den Bell Laboratories, die nach dem Zweiten Weltkrieg 1946 unter der Leitung von William B. Shockley und Stanley Morgan wieder gegründet wurde. Auch sie verfolgte die Realisierung eines Feldeffekt-Bauelements mithilfe der Materialien Silizium und Germanium. In dieser Zeit gewann John Bardeen wichtige Erkenntnisse zum Verständnis von Feldeffekten. Er erkannte, dass bereits eine relativ geringe Anzahl von Oberflächenzuständen Ladungsänderungen im Halbleiter verdecken kann und so der Realisierung eines Feldeffekt-Bauelements entgegensteht. Zusammen mit anderen Mitgliedern der Gruppe, vor allem Walter Brattain, untersuchte er, wie die Oberfläche zu reinigen ist, um die Auswirkungen solcher Oberflächenzustände zu reduzieren. Im Rahmen dieser Entwicklung beobachtete Brattain am 16. Dezember 1947 erstmals eine Spannungsverstärkung von 15. In seinem Experiment schnitt er die Spitze eines mit Gold beschichteten Polystyrol-Keils ab, sodass zwei dicht nebeneinander liegende Goldkontakte entstanden. Durch Einpressen dieses Keils auf einen Germaniumkristall entstand damit der erste Spitzentransistor. Nach einem nochmaligen Test an einem Oszillator am 23. Dezember mit H. R. Moore in Anwesenheit von R. B. Gibney, J. Bardeen, G. L. Pearson, W. Shockley, W. Brattain, H. Fletcher und R. Bown stellte er das Bauelement am Folgetag dem Management vor. Shockley, Bardeen und Brattain wurden für ihre Untersuchungen über Halbleiter und ihre Entdeckung des Transistoreffekts mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt.
Ein weiterer wichtiger Fortschritt gelang Gordon Teal und Morgan Sparks Anfang der 1950er Jahre ebenfalls an den Bell Labs, als sie einen Fabrikationsprozess entwickelten, um Bipolartransistoren in Form von Flächentransistoren mit gezogenem/gewachsenem pn-Übergang aus einem Kristall zu fertigen (vgl. gezogener Transistor). Erste Exemplare wurden von den Bell Labs 1951 vorgestellt. Basis war noch Germanium, die ersten kommerziell erhältlichen Silizium-Flächentransistoren entwickelte Teal 1954 bei Texas Instruments, wobei parallele Arbeiten unabhängig durch Morris Tanenbaum bei Bell Labs liefen.Der erste Siliziumtransistor wurde wahrscheinlich im Januar 1954 von Morris Tanenbaum bei Bell Labs demonstriert, aber Bell Labs patentierten dies nicht und hielten die Entdeckung geheim. Zur Geschichte des Siliziumtransistors siehe Silicon Transistor. IEEE, abgerufen am 24. Januar 2014.
Typen und Schaltzeichen mini|Schaltzeichen (oben) und Dioden-Ersatzschaltbild (unten) für npn- und pnp-Bipolartransistoren Bipolartransistoren werden in npn- und pnp-Typen unterteilt. Die Buchstaben geben die Reihenfolge und den Dotierungstyp der Schichtung an. Somit bildet ein Bipolartransistor im Wesentlichen immer zwei gegeneinander geschaltete pn-Übergänge (ähnlich dem in einer pn-Diode). Die drei Anschlüsse werden Kollektor (C, ) Basis (B, ) und Emitter (E, ) genannt.
Beim pnp-Transistor ist die Reihenfolge der Schichten p-n-p, d. h., die beiden Dioden zwischen Basis und Emitter sowie zwischen Basis und Kollektor haben jeweils die entgegengesetzte Polung gegenüber dem npn-Typ.
Im Schaltzeichen drückt man diesen Unterschied aus, indem man den Richtungspfeil der Basis-Emitter-Diode umdreht.
Um sich die Pfeilrichtung des Schaltzeichens besser merken zu können, gibt es zwei einprägsame Sprüche: „Tut der Pfeil der Basis weh, handelt′s sich um pnp“ und „Pfeil nach Platte“.
Die Pfeilrichtung kann man auch mit der technischen Stromrichtung erklären, die immer von Plus nach Minus verläuft. Der Pfeil befindet sich immer auf der Emitterseite und zeigt in die Richtung, in die sich die positiven Ladungsträger bewegen. Beim npn-Transistor (negativ-positiv-negativ) zeigt der Pfeil also nach außen, auch hierfür gibt es einen Spruch: „Will der Pfeil sich von der Basis trenn’, handelt sich′s um npn.“.
Die im Ersatzschaltbild dargestellte Diodenschaltung erzeugt keinen Transistoreffekt, denn die Ladungsträger würden in dem Gebiet einer solchen Pseudobasis rekombinieren. Dies gilt auch für Strukturen, bei denen der Abstand zwischen Emitter-Basis- und Kollektor-Basis-Zone zu groß, d. h., die Basiszone zu dick ist. Für die Ausbildung des Transistoreffekts muss die Bedingung erfüllt sein, dass die Basisdicke kleiner als die Diffusionslänge ist (W ≫ Lb).
Aufbau mini|Ansicht eines Halbleiterplättchens (engl. die) mit einem Bipolartransistor von oben und den Anschlussdrähten Der Bipolartransistor ist eine Kombination aus drei abwechselnden p- und n-dotierten Halbleiterschichten (npn bzw. pnp). Diese entgegengesetzt geschalteten p-n-Übergänge müssen nahe beieinanderliegen, um die Transistorfunktion zu realisieren.
Die drei unterschiedlich dotierten Bereiche werden als Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E) bezeichnet. Die Basis ist besonders dünn und liegt zwischen Kollektor und Emitter. Zu beachten ist die unterschiedliche Dotierung im Bipolartransistor. Der Emitter ist höher dotiert als die Basis, welche wiederum höher dotiert ist als der Kollektor. Dieser asymmetrische Aufbau bewirkt ein unterschiedliches Verhalten im Normal- und Inversbetrieb.
Erste Bipolartransistoren wurden aus einem n-dotierten Halbleiterplättchen hergestellt, in welches von beiden Seiten durch Diffusion von p-Dotanden die Emitter- und die Kollektorzone eingebracht wurden, bis zwischen diesen p-dotierten Gebieten nur noch ein geringer Abstand im Inneren des Plättchens war. Die beidseitige Kontaktierung erfolgte durch Drähte, während der Basisanschluss durch das Halbleiterplättchen selbst gebildet wurde (daher die Bezeichnung Basis).
Aufgrund von Optimierungen sind Bipolartransistoren heutzutage aus mehr als drei Schichten aufgebaut, die zusätzlichen Schichten sind nicht in Form von weiteren p-n-Übergängen zusammengesetzt, sondern die drei Hauptschichten sind in Zonen unterschiedlicher Dotierungsdichte gegliedert. Die Kollektorzone besteht hierbei immer aus mindestens zwei unterschiedlich stark dotierten Zonen. Üblicherweise wird zu einem Metallkontakt höher dotiert, um den Effekt einer Schottky-Diode zu verringern. Die Bezeichnungen npn und pnp beziehen sich nur auf den aktiven inneren Bereich, jedoch nicht den tatsächlichen Aufbau.
Einzeltransistoren werden heute meist in der Epitaxial-Planarbauweise hergestellt. Integrierte Transistoren werden ebenfalls in Epitaxial-Planarbauweise hergestellt, allerdings befindet sich der Kollektoranschluss an der Oberseite. Der Substratanschluss (S) ist eine Verbindung mit den tieferen Schichten. Am Substratanschluss wird eine negative Spannung angelegt. Dies bewirkt eine Sperre der Substratdiode und damit eine Trennung der einzelnen Transistoren.
Man unterscheidet bei integrierten Transistoren grundsätzlich zwischen vertikal und lateral aufgebauten Transistoren. npn-Transistoren werden in der Praxis vertikal und pnp-Transistoren lateral aufgebaut. Vertikale Transistoren weisen einen vertikalen Stromfluss auf. Bei lateralen Transistoren erfolgt der Stromfluss horizontal, und die Stromverstärkung ist 3- bis 10-fach größer, und die Schaltfrequenzen sind höher, da die Basiszone kleiner aufgebaut werden kann. Aus diesem Grund können auch npn-Transistoren lateral aufgebaut sein, dann sind alle p- durch n- und n- durch p-Zonen ersetzt, gleiches gilt für die Dotierung des Substrats, das an eine positive Spannung angeschlossen wird.
Paare von npn- und pnp-Transistoren nennt man komplementär, wenn ihre elektrischen Daten bis auf das Vorzeichen ähnlich sind. Solche auf gute Übereinstimmung der Parameter selektierte „Transistorpärchen“ (entscheidend sind Stromverstärkung sowie Basis-Emitterspannung) werden z. B. in sogenannten Gegentaktschaltungen wie Verstärker-Endstufen eingesetzt, um Verzerrungen niedrig zu halten.
Sind große Ströme gefordert, können mehrere Transistoren parallelgeschaltet werden. Die Übereinstimmung deren Parameter ist hier ebenfalls wichtig, dennoch muss durch Emitterwiderstände dafür gesorgt werden, dass sich die Ströme gleichmäßig auf alle parallelen Transistoren aufteilen.
Halbleiterbauelemente, die aus mehr als drei Schichten aufgebaut sind (z. B. pnpn), besitzen mehr als einen statischen Zustand des Stromflusses. Dazu zählen Vierschichtdioden (Thyristoren, Diacs) und Triacs.
siehe auch: Herstellung integrierter Schaltungen
Funktionsweise mini|Bewegung der Ladungsträger in einem NPN-Transistor beim Betrieb im Verstärkungsbereich mini|Emitterschaltung eines npn-Transistors
Ein Bipolartransistor besteht aus zwei p-n-Übergängen, weshalb es vier mögliche Arten der Beschaltung gibt, da jeder p-n-Übergang in Fluss- oder Sperrrichtung geschaltet werden kann. Die üblichste Art der Beschaltung ist der Verstärkungsbereich, dabei ist der Emitter-Basis-Übergang in Flussrichtung und der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung gepolt.
Durch einen elektrischen Strom zwischen Basis und Emitter wird ein stärkerer Strom zwischen Kollektor und Emitter gesteuert. Das Verhältnis der beiden Ströme, das im Bereich von etwa 4 bis 1000 liegt, ist vom Transistortyp und vom Absolutbetrag des Kollektorstroms abhängig und wird als statischer Stromverstärkungsfaktor bezeichnet.
Dieses Verhalten ist vergleichbar mit einem flussabhängigen Ventil bei einem Wasserkanal-Modell. Dieses Modell ist stark vereinfacht und dient nur zur generellen Veranschaulichung der fließenden Ströme, da für die Erklärung der realen Verhältnisse und der Funktionsweise des Bipolartransistors sowohl Elektronen als auch Defektelektronen (Löcher) verantwortlich sind.
Im Folgenden wird am Beispiel eines npn-Transistors die generelle Funktionsweise eines Bipolartransistors im Vorwärtsbetrieb (, ) dargestellt.
Werden nur Kollektor und Emitter angeschlossen (Spannung ), entspricht dies schaltungstechnisch zwei entgegengesetzt geschalteten Dioden, von denen eine (die Basis-Kollektor-Diode) immer gesperrt ist. Es fließt nur ein kleiner Strom, der betragsgleich mit dem Sperrstrom der Basis-Kollektor-Diode ist. Die angelegte Spannung verkleinert zwar die Basis-Emitter-Sperrschicht, die Raumladungszone (RLZ) zwischen Basis und Emitter, vergrößert jedoch die Basis-Kollektor-Sperrschicht.