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NPN- vs. PNP-Transistor: Aufbau, Stromrichtung, Schaltzeichen, Einsatz

Beim NPN-Transistor ist eine p-dotierte Basis zwischen n-dotiertem Emitter und Kollektor eingebettet, beim PNP-Transistor umgekehrt eine n-dotierte Basis zwischen p-dotiertem Emitter und Kollektor. Im NPN-Transistor tragen hauptsächlich Elektronen den Strom, im PNP-Transistor Löcher; alle Spannungen und Stromrichtungen sind entgegengesetzt. Da in Silizium die Elektronenbeweglichkeit höher ist als die Löcherbeweglichkeit, ist ein NPN-Transistor bei gleichen Abmessungen schneller und erreicht leichter eine hohe Stromverstärkung, weshalb er häufiger verwendet wird.

MerkmalNPNPNP
Schichtfolge (Emitter, Basis, Kollektor)n, p, np, n, p
Hauptladungsträger des StromsElektronen (vom Emitter in die Basis injiziert)Löcher (vom Emitter in die Basis injiziert)
Vorspannung im aktiven BereichBasis-Emitter in Durchlassrichtung (Basis etwa 0,6 bis 0,7 V höher als der Emitter), Basis-Kollektor in SperrrichtungBasis-Emitter in Durchlassrichtung (Basis etwa 0,6 bis 0,7 V niedriger als der Emitter), Basis-Kollektor in Sperrrichtung
Spannungsverhältnisse der Anschlüsse (aktiver Bereich)VC > VB > VEVE > VB > VC
StromrichtungFließt in Basis und Kollektor hinein und aus dem Emitter herausFließt in den Emitter hinein und aus Basis und Kollektor heraus
Pfeil im SchaltzeichenAm Emitter nach außenAm Emitter nach innen
Einsatz als SchalterLow-Side-Schalter zwischen Last und GND. Leitet, wenn Strom in die Basis fließtHigh-Side-Schalter zwischen Versorgung und Last. Leitet, wenn Strom aus der Basis gezogen wird
Leistungsfähigkeit (bei gleichen Abmessungen)Hohe Elektronenbeweglichkeit, daher schnell und leicht hohe StromverstärkungGeringere Löcherbeweglichkeit, daher meist langsamer als NPN und mit tendenziell geringerer Stromverstärkung
Typischer EinsatzVerstärkerschaltungen, Low-Side-Schalter, Open-Collector-Ausgänge, schnelle Schaltungen wie ECLHigh-Side-Schalter, Gegentakt-Endstufen in Kombination mit NPN, Stromquellen, die Strom von der Versorgungsseite liefern

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

NPN
Die erste Wahl im Zweifelsfall. Häufig verwendet, um LEDs oder Relais von einem Mikrocontroller-Pin aus auf der GND-Seite zu schalten, sowie in allgemeinen Verstärkerschaltungen.
PNP
Wenn eine Last auf der Versorgungsseite geschaltet werden soll oder eine Stromquelle benötigt wird, die Strom aus der Versorgung liefert.
Kombination
Mit einem Paar aus NPN- und PNP-Transistor mit passenden Kennwerten (Komplementärpaar) lässt sich ein Gegentaktverstärker aufbauen, bei dem sich die beiden die positive und negative Halbwelle teilen. Da im B-Betrieb Übernahmeverzerrungen auftreten, wird üblicherweise der AB-Betrieb mit einem kleinen Ruhestrom verwendet.

Häufige Fragen

Wie unterscheidet man NPN und PNP im Schaltzeichen?

An der Richtung des Pfeils am Emitter. Der Pfeil zeigt die Richtung, in der am PN-Übergang zwischen Basis und Emitter der Durchlassstrom fließt (von p nach n): beim NPN vom Emitter nach außen, beim PNP zum Emitter hin nach innen.

Warum wird NPN häufiger verwendet?

In Silizium ist die Elektronenbeweglichkeit etwa 2- bis 3-mal so hoch wie die Löcherbeweglichkeit, sodass ein NPN-Transistor bei gleichem Aufbau leichter eine hohe Stromverstärkung und Schaltgeschwindigkeit erreicht. Außerdem lassen sich in auf GND bezogenen Schaltungen Low-Side-Schalter mit NPN einfach realisieren.

Kann man einen NPN- durch einen PNP-Transistor ersetzen?

Nicht durch einfaches Austauschen. Da alle Spannungen und Stromrichtungen entgegengesetzt sind, muss die Schaltung einschließlich Versorgungspolarität und Lastposition neu aufgebaut werden. Spiegelt man die gesamte Schaltung zwischen Versorgungs- und GND-Seite, erhält man dieselbe Funktion.

Wie schaltet man einen PNP-Transistor ein?

Man legt die Basis etwa 0,6 bis 0,7 V unter das Emitterpotenzial und zieht Strom aus der Basis. Bei einem High-Side-Schalter mit dem Emitter an der Versorgung schaltet er ein, wenn die Basis über einen Widerstand nach GND gezogen wird, und aus, wenn die Basis auf Emitterpotenzial liegt.

Verständnis prüfen

Welche Vorspannungsbedingung gilt, wenn ein NPN-Transistor zur Verstärkung eingesetzt wird (im aktiven Bereich betrieben wird)?

  1. ABasis-Emitter in Durchlassrichtung, Basis-Kollektor in Sperrrichtung
  2. BBasis-Emitter in Sperrrichtung, Basis-Kollektor in Durchlassrichtung
  3. CBasis-Emitter und Basis-Kollektor beide in Durchlassrichtung
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Antwort: A. Basis-Emitter in Durchlassrichtung, Basis-Kollektor in Sperrrichtung

Im aktiven Bereich wird der Basis-Emitter-Übergang in Durchlassrichtung betrieben, sodass Elektronen vom Emitter in die Basis injiziert werden. Der Basis-Kollektor-Übergang liegt in Sperrrichtung und zieht die durch die Basis gelangten Elektronen mit einem starken Feld in den Kollektor. Der Kollektorstrom hängt kaum von der Kollektorspannung ab, sondern wird vom Basisstrom (bzw. von VBE) bestimmt; dadurch ist eine Verstärkung möglich. Sind beide Übergänge in Durchlassrichtung, liegt der Sättigungsbereich vor (Schalter ein), sind beide in Sperrrichtung, der Sperrbereich (aus).

Welche Ladungsträger werden bei einem PNP-Transistor vom Emitter in die Basis injiziert und tragen hauptsächlich den Strom?

  1. AElektronen
  2. BLöcher
  3. CIonen
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Antwort: B. Löcher

Beim PNP-Transistor werden Löcher vom p-leitenden Emitter in die n-leitende Basis injiziert, durchlaufen diese und werden vom p-leitenden Kollektor gesammelt. Beim NPN übernehmen Elektronen diese Rolle. Da die Beweglichkeit der Elektronen etwa dreimal so hoch ist wie die der Löcher, ist der NPN bei gleichem Aufbau schneller und hat eine höhere Stromverstärkung und ist daher vorherrschend. PNP-Transistoren werden z. B. in Gegentaktschaltungen zusammen mit NPN-Transistoren oder zum Schalten auf der positiven Versorgungsseite (High-Side) eingesetzt; Spannungs- und Stromrichtungen sind dabei gegenüber dem NPN umgekehrt.

Wie ist die Richtung des Pfeils am Emitter im Schaltsymbol eines NPN-Transistors?

  1. AVom Kollektor zum Emitter
  2. BVon der Basis aus dem Emitter heraus
  3. CVon außerhalb des Emitters zur Basis
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Antwort: B. Von der Basis aus dem Emitter heraus

Der Pfeil im Schaltsymbol gibt die Richtung des Durchlassstroms am pn-Übergang zwischen Basis und Emitter an (p→n). Beim NPN fließt er von der Basis (p) zum Emitter (n), der Pfeil zeigt also nach außen; beim PNP zeigt er nach innen. Als Eselsbrücke ist „NPN: Not Pointing iN“ (zeigt nicht nach innen) bekannt. Da der Pfeil nur am Emitter sitzt, lassen sich Emitter und Kollektor auch am Symbol unterscheiden.

  1. Was ist bei einem NPN-Transistor der Hauptgrund dafür, die Dotierungskonzentration des Emitters höher als die der Basis zu wählen?
  2. Welche Verzerrung tritt bei einem B-Gegentaktverstärker, in dem NPN- und PNP-Transistor die positive und die negative Halbperiode übernehmen, leicht auf?
  3. Welcher Richtwert gilt für die Basis-Emitter-Spannung VBE eines im aktiven Bereich betriebenen Silizium-Bipolartransistors?

Übungsfragen zu Bipolartransistor

Wichtige Begriffe erklärt

Stromverstärkung (hFE)
Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom (IC/IB) eines Bipolartransistors.
Aktiver Bereich (Normalbetrieb)
Zustand, in dem die Basis-Emitter-Strecke in Durchlass- und die Basis-Kollektor-Strecke in Sperrrichtung vorgespannt ist. Der Kollektorstrom ist proportional zum Basisstrom, und der Transistor wird zur Verstärkung genutzt.
Sättigungsbereich
Zustand eines Bipolartransistors, in dem sowohl der Basis-Emitter- als auch der Basis-Kollektor-Übergang in Flussrichtung vorgespannt sind. Die Kollektor-Emitter-Spannung sinkt auf etwa 0,1 bis 0,3 V, was einem eingeschalteten Schalter entspricht.
Emitterfolger
Verstärkerschaltung in Kollektorschaltung. Die Spannungsverstärkung beträgt etwa 1, doch dank hohem Eingangs- und niedrigem Ausgangswiderstand dient sie als Puffer, der die nächste Stufe ohne Signalabschwächung treibt.
Übernahmeverzerrung (Crossover-Verzerrung)
Verzerrung in B-Gegentaktverstärkern nahe 0 V, wo der Transistor für die positive und der für die negative Halbwelle wechseln und keiner leitet. Wird im AB-Betrieb mit geringem Ruhestrom verringert.

Verwandte Vergleiche