Bipolarer Sperrschichttransistor

Bipolare Transistoren und Halbleiter

Was sind Halbleiter?

Halbleiter sind organische oder anorganische Materialien, die ihre Leitfähigkeit je nach chemischer Struktur, Temperatur, Beleuchtung und dem Vorhandensein von Dotierungsmitteln steuern können. Der Begriff „Halbleiter“ stammt von der Tatsache ab, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Metall, wie Kupfer oder Gold, und einem Isolator, wie Glas, aufweisen. Sie haben eine Energielücke von weniger als 4eV (etwa 1eV). In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, in dem Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen die Elektronen in Halbleitern Energie (z.B. aus ionisierender Strahlung) aufnehmen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt.

Bipolare Junction Transistor

Ein bipolarer Junction Transistor (BJT) ist ein dreipoliges elektronisches Bauteil, das elektronische Signale verstärken oder schalten kann. Er besteht aus der Verbindung von drei Schichten Halbleitermaterial: einer n-Typ-Schicht, einer p-Typ-Schicht und einer weiteren n-Typ-Schicht (für einen NPN-Transistor) oder einer p-Typ-Schicht (für einen PNP-Transistor). Die drei Regionen des BJT sind Emitter, Basis und Kollektor. Die Basis befindet sich zwischen Emitter und Kollektor und ist sehr dünn gestaltet, um den einfachen Fluss von Ladungsträgern vom Emitter zum Kollektor zu ermöglichen. Der BJT funktioniert, indem er den Fluss von Ladungsträgern (Elektronen oder Löchern) vom Emitter zum Kollektor mit einem kleinen Strom an der Basis steuert. Wenn ein kleiner Strom an der Basis angelegt wird, ändert sich die Spannung über dem Basis-Emitter-Übergang, was einen größeren Stromfluss vom Emitter zum Kollektor ermöglicht. BJTs können je nach Konfiguration in einer Schaltung als Verstärker oder Schalter eingesetzt werden. In einer Verstärkerschaltung wird ein kleines Eingangssignal an die Basis angelegt und vom BJT zu einem größeren Ausgangssignal am Kollektor verstärkt. In einer Schaltschaltung ist der BJT entweder vollständig ein- oder ausgeschaltet, abhängig von der an die Basis angelegten Spannung. BJTs werden in vielen elektronischen Anwendungen eingesetzt, wie in Audioverstärkern, Radioempfängern und digitalen Logikschaltungen. Sie sind in Niederspannungs- und Niedrigleistungsanwendungen beliebt, wo ihre hohe Stromverstärkung und schnelle Schaltgeschwindigkeit sie zu einer populären Wahl machen.

Arten von Halbleitern

Halbleiter können auf der Basis ihrer elektronischen Eigenschaften in zwei grundlegende Typen eingeteilt werden:

Intrinsische Halbleiter:

Diese sind reine Halbleiter, die aus einem einzigen Element bestehen (z.B. Silizium, Germanium) und keine absichtliche Dotierung mit Verunreinigungen aufweisen. Intrinsische Halbleiter haben eine bestimmte Anzahl von Elektronen in ihrem Valenz- und Leitungsband. Sie leiten Strom, wenn sie erhitzt werden und einige Elektronen genügend Energie gewinnen, um sich von ihren Bindungen zu lösen und freie Elektronen im Leitungsband zu werden.

Extrinsische Halbleiter:

Diese sind unreine Halbleiter, die absichtlich mit Verunreinigungen dotiert werden, um ihre elektronischen Eigenschaften zu verändern. Extrinsische Halbleiter können weiter in zwei Typen unterteilt werden:
p-Typ-Halbleiter: In p-Typ-Halbleitern werden Verunreinigungsatome wie Bor in das Halbleitermaterial eingeführt. Diese Verunreinigungen haben weniger Valenzelektronen als das Halbleitermaterial, was zur Entstehung von „Löchern“ (Fehlen von Elektronen) im Valenzband führt. Diese Löcher können den Strom wie positive Ladungsträger leiten, was dem Material seine p-Typ-Bezeichnung verleiht.

n-Typ-Halbleiter: In n-Typ-Halbleitern werden Verunreinigungsatome wie Phosphor in das Halbleitermaterial eingeführt. Diese Verunreinigungen haben mehr Valenzelektronen als das Halbleitermaterial, was zu überschüssigen Elektronen im Leitungsband führt. Diese überschüssigen Elektronen können den Strom wie negative Ladungsträger leiten, was dem Material seine n-Typ-Bezeichnung verleiht.

Tabelle der Halbleiter-Eigenschaften

Hier ist eine Tabelle mit 3 intrinsischen Halbleitern und 2 p-Typ- und n-Typ-Halbleitern, zusammen mit 4 Schlüsseleigenschaften:

Halbleiter

• Typ
• Bandlücke (eV)
• Elektronenmobilität (cm²/Vs)
• Löchermobilität (cm²/Vs)
• Thermische Leitfähigkeit (W/mK)

• Silizium (Si)
• Intrinsisch
• 1.12
• 1500
• 450
• 150

• Germanium (Ge)
• Intrinsisch
• 0.67
• 3900
• 1900
• 60