Mathematische Beschreibung des Bipolartransistors

	-Strom	-Dauer- strom	-Spitzen- strom
Kollektor-	IC	${\displaystyle I_{CM}}$	${\displaystyle I_{C,\mathrm {max} }}$
Basis-	IB	${\displaystyle I_{BM}}$	${\displaystyle I_{B,\mathrm {max} }}$
Emitter-	IE	${\displaystyle I_{EM}}$	${\displaystyle I_{E,\mathrm {max} }}$

• Sättigungssperrstrom: ${\displaystyle I_{S}\approx 10^{-16}\dots 10^{-12}\,\mathrm {A} }$
• Kollektor-Basis-Sperrstrom: ${\displaystyle I_{CBO}}$
• Emitter-Basis-Sperrstrom: ${\displaystyle I_{EBO}}$
• Kollektor-Emitter-Sperrstrom: ${\displaystyle I_{CEO}}$ bzw. ${\displaystyle I_{CES}}$

• Kollektor-Emitter Spannung: ${\displaystyle U_{\mathrm {CE} }}$
• Basis-Emitter Spannung: ${\displaystyle U_{\mathrm {BE} }}$
• Kollektor-Basis-Spannung: ${\displaystyle U_{\mathrm {CB} }}$
• Early-Spannung: ${\displaystyle U_{A}}$

  ${\displaystyle U_{A,\mathrm {pnp} }\approx 30\dots 75\,\mathrm {V} }$

  ${\displaystyle U_{A,\mathrm {npn} }\approx 30\dots 150\,\mathrm {V} }$

• Emitter-Basis Durchbruchsspannung: ${\displaystyle U_{(BR)EBO}\approx 5\dots 7\,\mathrm {V} }$
• Kollektor-Basis Durchbruchsspannung: ${\displaystyle U_{(BR)CBO}}$

  ${\displaystyle U_{(BR)CBO}\approx 20\dots 80\,\mathrm {V} }$ bei Niederspannungstransistoren

  ${\displaystyle U_{(BR)CBO}<1{,}3\,\mathrm {kV} }$ bei Hochspannungstransistoren

• Kleinsignalausgangswiderstand: ${\displaystyle r_{CE}}$
• Kleinsignaleingangswiderstand: ${\displaystyle r_{BE}}$

• Verlustleistung: P_V
• Maximale Verlustleistung:

  P_tot oder P_max (allgemein)

  P_V,25(A) (Umgebungsluftgekühlt; bei 25 °C)

  P_V,25(C) (mit zusätzlicher Kühlung; bei 25 °C)

• Großsignalverstärkung: B

  ${\displaystyle B\approx 10\dots 100}$ bei Leistungstransistoren

  ${\displaystyle B\approx 100\dots 500}$ bei Kleinleistungstransistoren

  ${\displaystyle B\approx 500\dots 10^{4}}$ bei Darlington-Transistoren

• Kleinsignalverstärkung: ${\displaystyle \beta }$
• Steilheit: S
• Rückwärtssteilheit: ${\displaystyle S_{r}}$
• Arbeitspunkt: AP
• Umgebungstemperatur: T_A
• Gehäusetemperatur: T_C

Die Steilheit beschreibt die differenzielle Änderung des Kollektorstromes ${\displaystyle I_{C}}$ und der Spannung ${\displaystyle U_{BE}}$.

${\displaystyle S={\frac {\partial I_{C}}{\partial U_{BE}}}\forall {AP}={\frac {I_{C,AP}}{U_{T}}}}$

Der Kleinsignaleingangswiderstand ${\displaystyle r_{BE}}$ beschreibt die differenzielle Änderung der Spannung ${\displaystyle U_{BE}}$ und mit dem Basistrom ${\displaystyle I_{B}}$.

${\displaystyle r_{BE}={\frac {\partial U_{BE}}{\partial I_{B}}}\forall {AP}}$

${\displaystyle r_{BE}}$ kann durch eine Umwandlung dieser Formel auch aus der Steilheit abgeleitet werden:

${\displaystyle r_{BE}={\frac {\partial U_{BE}}{\partial I_{C}}}\forall {AP}\cdot {\frac {\partial I_{C}}{\partial I_{B}}}\forall {AP}=\beta {\frac {\partial U_{BE}}{\partial I_{C}}}\forall {AP}={\frac {\beta }{S}}}$

Der Kleinsignalausgangswiderstand ${\displaystyle r_{CE}}$ gibt die differenzielle Änderung zwischen der Emitterspannung ${\displaystyle U_{CE}}$ und dem Kollektorstrom ${\displaystyle I_{C}}$ an.

${\displaystyle r_{CE}={\frac {\partial U_{CE}}{\partial I_{C}}}\forall {AP}={\frac {U_{A}+U_{CE,AP}}{I_{C,AP}}}{\stackrel {\quad U_{CE,AP}\ll U_{A}\quad }{\approx }}{\frac {U_{A}}{I_{C,AP}}}}$

Die Rückwärtssteilheit ${\displaystyle S_{r}}$ beschreibt die differenzielle Änderung zwischen dem Basisstrom ${\displaystyle I_{B}}$ und der Kollektor-Emitter-Spannung ${\displaystyle U_{CE}}$.

${\displaystyle S_{r}={\frac {\partial I_{B}}{\partial U_{CE}}}\forall {AP}}$

Die Rückwärtssteilheit ist nur sehr gering und kann daher meist vernachlässigt werden.

${\displaystyle S_{r}\approx 0}$

Begrenzung des Transistor-Arbeitsbereichs

Ausgangskennlinienfeld eines npn-Transistors

Betriebsgrenzen eines pnp-Darlingtonleistungs- transistors Typ BDV66C

Ein Bipolartransistor hat einen Arbeitsbereich (engl.: SOA, Safe Operation Area), der im Wesentlichen durch folgende Größen begrenzt wird:

• maximal zulässiger Kollektorstrom ${\displaystyle I_{C,\mathrm {max} }}$
• maximale Kollektor-Emitterspannung ${\displaystyle U_{CE,O}}$ (Leerlauffall), auch als ${\displaystyle U_{CE,\mathrm {max} }}$ bezeichnet
• maximale Sperrschichttemperatur ${\displaystyle \vartheta _{j,\mathrm {max} }}$

Da die Sperrschichttemperatur nicht direkt messbar ist, wird in Datenblättern die maximale Verlustleistung ${\displaystyle P_{\mathrm {tot,max} }}$ bei gegebener Umgebungs- bzw. Gehäusetemperatur angegeben.

Insbesondere bei Leistungstransistoren existiert noch eine weitere Grenze, der Durchbruch 2. Art (engl.: second breakdown oder secondary breakdown). Bei Leistungstransistoren hat das Halbleitermaterial notwendigerweise ein größeres Volumen als z. B. bei Kleinsignaltransistoren. Innerhalb des Halbleitermaterials treten daher vermehrt Inhomogenitäten auf, was dazu führt, dass in einigen Volumenelementen eine höhere Verlustleistung in Wärme umgesetzt wird als in anderen Volumenelementen. Bei hinreichend großer Verlustleistung, die aber noch unterhalb des maximalen Wertes ${\displaystyle P_{\mathrm {tot,max} }}$ liegt, steigt in einigen Volumenelementen die Temperatur so weit an, dass das Halbleitermaterial in den betroffenen Volumenelementen instabil wird. Bei hinreichend großer Kollektor-Emitterspannung erfolgt in den betroffenen Volumenelementen ein lokaler Durchbruch, wodurch diese zerstört werden. Durch den Ausfall einzelner Volumenelemente steigen die Verlustleistung und damit die Temperatur in allen anderen Volumenelementen an. Es erfolgen weitere lokale Durchbrüche mit Zerstörung der betroffenen Volumenelemente. Der Effekt setzt sich kaskadenartig fort und führt schließlich zur Zerstörung des Halbleitermaterials.

Basis-Emitter-Durchbruchsspannung

Stellt die maximale Basis-Emitter Sperrspannung ${\displaystyle U_{(BR)BEO}}$ dar und ist werkstoffabhängig. Bie Bipolartransistoren basierend auf Silicium liegt sie im Bereich um 5 V, bei Germanium nahe 20 V.[1]

Kollektor-Basis-Durchbruchsspannung

Die Kollektor-Basis-Durchbruchsspannung ${\displaystyle U_{(BR)CBO}}$ gibt an, wann die Kollektor-Diode im Sperrbetrieb durchbricht. Da die Kollektor-Diode im Normalbetrieb gesperrt sein muss, darf diese Spannung im Normalbetrieb nicht überschritten werden. Diese Spannung ist die größte Grenzspannung eines Transistors.

Kollektor-Emitter-Spannung

In der Praxis ist die maximale Kollektor-Emitter-Spannung ${\displaystyle U_{CE}}$ besonders wichtig. Ab einer bestimmten Kollektor-Emitter-Spannung tritt ein Durchbruch auf, durch den der Kollektorstrom sehr stark ansteigt und damit die Zerstörung des Transistors verursacht.

Allgemein gilt:

${\displaystyle U_{(BR)CEO}<U_{(BR)CER}<U_{(BR)CES}<U_{(BR)CBO}}$

für npn-Transistoren (U_BR > 0 V) und umgekehrt

${\displaystyle U_{(BR)CEO}>U_{(BR)CER}>U_{(BR)CES}>U_{(BR)CBO}}$

für pnp-Transistoren (U_BR < 0 V).

Bei den Grenzströmen unterscheidet man zwischen den maximalen Dauerströmen (continuous currents) und Spitzenströmen (peak currents). Die maximalen Dauerströme werden ${\displaystyle I_{B,\mathrm {max} }}$, ${\displaystyle I_{C,\mathrm {max} }}$ und ${\displaystyle I_{E,\mathrm {max} }}$ genannt. Die Spitzenströme werden ${\displaystyle I_{CM}}$, ${\displaystyle I_{BM}}$ und ${\displaystyle I_{EM}}$ genannt und gelten jeweils für bestimmte, im Datenblatt angegebene, Pulsdauern und Pulswiederholraten. Die Spitzenströme sind üblicherweise 1,2 bis 2 mal so groß wie die Dauerströme.

Die Sperrströme (cut-off currents) werden mit ${\displaystyle I_{EBO}}$ und ${\displaystyle I_{CBO}}$ sowie mit ${\displaystyle I_{CEO}}$ bzw. ${\displaystyle I_{CES}}$ bezeichnet. Diese Ströme treten an der Emitter- bzw. Kollektor-Diode auf, wenn an dieser etwas weniger als die jeweiligen Diffusionsspannungen anliegen (d. h. die Diode gerade nicht durchschaltet). Hierbei gilt:

${\displaystyle I_{CES}<I_{CEO}}$

Die Verlustleistung des Transistors ergibt sich aus:

${\displaystyle P_{V}=U_{CE}\,I_{C}+U_{BE}\,I_{B}\approx U_{CE}\,I_{C}}$

Die maximale Verlustleistung ${\displaystyle P_{\mathrm {tot} }}$ bzw. ${\displaystyle P_{\mathrm {max} }}$ ist eine der wichtigsten Kenndaten eines Transistors. Die Temperatur in der Sperrschicht erhöht sich um den Wert, bei dem die Wärme über das Gehäuse und den Kühlkörper an die Umgebung abgegeben werden kann. Diese Temperatur darf den materialabhängigen Grenzwert nicht überschreiten. Für Silicium gilt hierbei:

${\displaystyle T_{\mathrm {max,SI} }=175\ \mathrm {{}^{\circ }C} }$

In der Praxis rechnet man hierbei sicherheitshalber mit einem Grenzwert von 150 °C, um ein vorzeitiges Schmelzen des Siliciums zu verhindern.

Im Datenblatt wird die maximale Verlustleistung für zwei Fälle angegeben:

1. ${\displaystyle P_{V,25(A)}}$

   Umgebungsluftgekühlter (free-air cooled) Betrieb bei stehender Montage auf einer Leiterplatte bei einer Umgebungstemperatur (ambient temperature) von ${\displaystyle T_{A}=25\ \mathrm {{}^{\circ }C} }$. Bei Kleinleistungstransistoren ohne Befestigung für einen zusätzlichen Kühlkörper wird nur dieser Wert im Datenblatt angegeben, da in diesem Fall ${\displaystyle P_{\mathrm {tot} }=P_{V,25(A)}}$ gilt.

2. ${\displaystyle P_{V,25(C)}}$

   Betrieb bei einer Gehäusetemperatur (case temperature) von ${\displaystyle T_{C}=25\ \mathrm {{}^{\circ }C} }$. Die notwendigen Kühlmaßnahmen werden hierbei meist nicht mit angegeben. Bei Leistungstransistoren, die nur mit einem Kühlkörper betrieben werden dürfen, wird nur dieser Wert im Datenblatt als ${\displaystyle P_{\mathrm {tot} }=P_{V,25(C)}}$ angeben.

Da die maximal zulässige Leistung ${\displaystyle P_{\mathrm {tot} }}$ mit zunehmender Temperatur abnimmt, wird im Datenblatt oft die sog. power derating curve angegeben, die ${\displaystyle P_{\mathrm {tot} }}$ in Abhängigkeit von ${\displaystyle T_{A}}$ bzw. ${\displaystyle T_{C}}$ angibt.

Die Kenndaten eines Transistors sind stark von der Temperatur des Transistors abhängig. Die Abhängigkeit des Zusammenhangs zwischen Kollektorstrom ${\displaystyle I_{C}}$ und Basis-Emitter-Spannung ${\displaystyle U_{BE}}$ von der Temperatur T ist hierbei besonders wichtig:

${\displaystyle I_{C}\left(U_{BE},T\right)=I_{S}\left(T\right)\,e^{\frac {U_{BE}}{U_{T}\left(T\right)}}\,\left(1+{\frac {U_{CE}}{U_{A}}}\right)}$

Der Grund dafür ist die Temperaturabhängigkeit vom Sperrstrom ${\displaystyle I_{S}}$ und der Temperaturspannung ${\displaystyle U_{T}}$:

${\displaystyle U_{T}(T)={\frac {k\,T}{q}}=86{,}142\cdot 10^{-6}\,{\frac {\rm {V}}{\rm {K}}}\,T}$

${\displaystyle I_{S}(T)=I_{S}\left(T_{0}\right)\,e^{\left({\frac {T}{T_{0}}}-1\right)\,{\frac {U_{G}\left(T\right)}{U_{T}\left(T\right)}}}\,{\left({\frac {T}{T_{0}}}\right)}^{x_{T,I}}}$ mit ${\displaystyle x_{T,I}\approx 3}$

Hierbei ist k die Boltzmannkonstante, q die Elementarladung und ${\displaystyle U_{G}={\tfrac {1{,}12\,\mathrm {eV} }{q}}=1{,}12\,\mathrm {V} }$ die Bandabstandsspannung von Silizium bei 300K. Da die Temperaturabhängigkeit von U_G nur sehr gering ist, wird diese in der Praxis nicht berücksichtigt.

Durch Differentiation erhält man:

${\displaystyle {\frac {1}{I_{S}}}\,{\frac {\delta I_{S}}{\delta T}}={\frac {1}{T}}\,\left(3+{\frac {U_{G}}{U_{T}}}\right){\begin{matrix}{}_{T=300\,\mathrm {K} }\\\approx \\\,\end{matrix}}0{,}15\,\mathrm {K} ^{-1}}$

${\displaystyle {\frac {1}{I_{C}}}\,{\frac {\delta I_{C}}{\delta T}}\forall \left(U_{BE}={const.}\right)={\frac {1}{T}}\,\left(3+{\frac {U_{G}-U_{BE}}{U_{T}}}\right){\begin{matrix}{}_{T=300\,\mathrm {K} }\\{}_{U_{BE}=0{,}7\,\mathrm {V} }\\\approx \\\,\\\,\end{matrix}}0{,}065\,\mathrm {K} ^{-1}}$

Das bedeutet, dass ${\displaystyle I_{C}}$ bei einer Temperaturerhöhung von nur ${\displaystyle 1\,\mathrm {K} }$ bereits auf das 1,065-fache ansteigt. Zudem verdoppelt sich der Kollektorstrom ${\displaystyle I_{C}}$, sobald die Temperatur um ca. ${\displaystyle 15\,\mathrm {K} }$ gestiegen ist. Der Arbeitspunkt kann daher nicht über ${\displaystyle U_{BE,A}}$ eingestellt werden, da ${\displaystyle I_{C,A}}$ bei Temperaturänderung möglichst konstant gehalten werden muss.

Für den Fall, dass ${\displaystyle I_{C,A}}$ nur schwach temperaturabhängig ist, kann man näherungsweise die Temperaturabhängigkeit von ${\displaystyle U_{BE}}$ ermitteln:

${\displaystyle {\frac {\delta U_{BE}}{\delta T}}\forall \left(I_{C}={const.}\right)={\frac {U_{BE}-U_{G}-3\,U_{T}}{T}}{\begin{matrix}{}_{T=300\,\mathrm {K} }\\{}_{U_{BE}=0{,}7\,\mathrm {V} }\\\approx \\\,\\\,\end{matrix}}-1{,}7\cdot 10^{-3}\,{\frac {V}{K}}}$

Die Stromverstärkung ist ebenfalls temperaturabhängig. Hierbei gilt der Zusammenhang:[2]

${\displaystyle B(T)=B\left(T_{0}\right)\,e^{\left({\frac {T}{T_{0}}}-1\right)\,{\frac {\Delta U_{\mathrm {dot} }}{U_{T}\left(T\right)}}}\approx B\left(T_{0}\right)\,{\left({\frac {T}{T_{0}}}\right)}^{x_{T,B}}}$ mit ${\displaystyle x_{T,B}\approx 1{,}5}$

Hierbei ist ${\displaystyle U_{\mathrm {dot} }}$ eine vom Material abhängige Konstante. Bei Silicium gilt ${\displaystyle U_{\mathrm {dot} }\approx 44\,\mathrm {mV} }$. In der Praxis ergibt sich bei T=300 K:

${\displaystyle {\frac {1}{B}}\,{\frac {\delta B}{\delta T}}={\frac {\Delta U_{\mathrm {dot} }}{U_{T}\,T}}\approx 5{,}6\cdot 10^{-3}\,\mathrm {K} ^{-1}}$

Und für die Näherung:

${\displaystyle {\frac {1}{B}}\,{\frac {\delta B}{\delta T}}={\frac {x_{T,B}}{T}}\approx 5\cdot 10^{-3}\,\mathrm {K} ^{-1}}$

Die h-Parameter können wie folgt ermittelt werden:

• Kurzschluss-Eingangsimpedanz bei ${\displaystyle u_{2}=0}$, bzw. ${\displaystyle r_{BE}}$.

${\displaystyle h_{11,e}={\frac {u_{1}}{i_{1}}}={\operatorname {d} \!U_{1} \over \operatorname {d} \!I_{1}}{\bigg |}_{AP}}$

• Leerlauf-Spannungsrückwirkung bei ${\displaystyle i_{1}=0}$,

${\displaystyle h_{12,e}={\frac {u_{1}}{u_{2}}}={\operatorname {d} \!U_{1} \over \operatorname {d} \!U_{2}}{\bigg |}_{AP}}$

• Kurzschluss-Stromverstärkung bei ${\displaystyle u_{2}=0}$, wird in Datenblättern eher als ${\displaystyle h_{FE}}$(Forward-Emitter) angegeben.

${\displaystyle h_{21,e}={\frac {i_{2}}{i_{1}}}={\operatorname {d} \!I_{2} \over \operatorname {d} \!I_{1}}{\bigg |}_{AP}}$

• Leerlauf-Ausgangsleitwert bei ${\displaystyle i_{1}=0}$.

${\displaystyle h_{22,e}={\frac {i_{2}}{u_{2}}}={\operatorname {d} \!I_{2} \over \operatorname {d} \!U_{2}}{\bigg |}_{AP}}$ Im Vierquadrantenkennlinienfeld können die Werte direkt aus den Diagrammen abgelesen werden.

${\displaystyle u_{1}=h_{11}\cdot i_{i}+h_{12}\cdot u_{2}}$

${\displaystyle i_{2}=h_{21}\cdot i_{1}+h_{22}\cdot u_{2}}$

Der Emitter liegt in diesem Fall satt auf GND, der Kollektorwiderstand kann im Kleinsignal-Ersatzschaltbild auch nach GND gezeichnet werden und muss mit einem eventuell vorhandenen Lastwiderstand parallelgeschaltet werden. Dieser Summenwiderstand wird als ${\displaystyle R_{L}}$ bezeichnet. An diesem Widerstand liegt die Spannung ${\displaystyle u_{2}}$ an, somit gilt ${\displaystyle u_{2}=-i_{2}\cdot R_{L}}$.

Die betriebliche Stromverstärkung kann mit Umformen der oben genannten Gleichungen berechnet werden:

${\displaystyle v_{I}={\frac {i_{2}}{i_{1}}}={\frac {h_{21}}{1+h_{22}\cdot R_{L}}}}$

Die betriebliche Spannungsverstärkung kann ebenfalls aus den oberen Gleichungen errechnet werden:

${\displaystyle v_{U}={\frac {u_{2}}{u_{1}}}=-{\frac {h_{21}\cdot R_{L}}{(h_{11}\cdot h_{22}-h_{12}\cdot h_{21})\cdot R_{L}+h_{11}}}}$

In gewisser Literatur wird noch die Vereinfachung ${\displaystyle \Delta h=h_{11}\cdot h_{22}-h_{12}\cdot h_{21}}$ getroffen, somit:

${\displaystyle v_{U}=-{\frac {h_{21}\cdot R_{L}}{\Delta h\cdot R_{L}+h_{11}}}}$