12.8 : Schalten von BJTs

Das Schaltverhalten von Bipolartransistoren (Bipolar Junction Transistors, BJTs) ist ein grundlegender Aspekt, der in verschiedenen elektronischen Schaltkreisen genutzt wird, insbesondere für digitale Logikanwendungen wie Schalter und Verstärker. In einem typischen Schaltkreis wechselt ein BJT zwischen Abschalt- und Sättigungsmodus, was den Zuständen „Aus“ bzw. „Ein“ entspricht, und verhält sich somit wie ein idealer Schalter.

Abschaltmodus („Aus“-Zustand): In diesem Zustand sind sowohl die Emitter-Basis- als auch die Kollektor-Basis-Übergänge in Sperrrichtung vorgespannt. Der Transistor verhindert den Stromfluss über seine Anschlüsse und schaltet das Gerät effektiv „aus“. Dieser Modus wird genutzt, wenn keine Signalübertragung erforderlich ist, wodurch ein Zustand mit geringer Leistung im Schaltkreis aufrechterhalten wird.

Sättigungsmodus („Ein“-Zustand): Im Gegensatz zum Abschaltmodus sind im Sättigungszustand beide Übergänge in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Diese Konfiguration ermöglicht einen maximalen Stromfluss vom Kollektor zum Emitter. Der BJT verhält sich in diesem Modus wie ein geschlossener Schalter und ermöglicht die vollständige Signalübertragung durch den Schaltkreis.

Schaltdynamik: Der Übergang zwischen den Zuständen „Aus“ und „Ein“ wird durch eine plötzliche Änderung der Emitter-Basis-Spannung ausgelöst, die typischerweise durch einen positiven Eingangsstromimpuls eingeleitet wird. Das Verhalten des Kollektorstroms während dieser Übergänge ist für ein effektives Schalten entscheidend. Es hängt von der Variation der gesamten überschüssigen Minoritätsträgerladung ab, die im Basisbereich des Transistors gespeichert ist.

Wenn während der Einschaltphase die Basisladung einen bestimmten Schwellenwert (als Q_S bezeichnet) überschreitet, wechselt der BJT in den Sättigungsmodus. Umgekehrt bleibt während der Ausschaltphase der Kollektorstrom nahezu konstant, bis die gespeicherte Ladung wieder auf Q_S abnimmt, wodurch der Transistor in den aktiven Modus zurückkehrt, bevor er schließlich gegen Null abfällt, wenn er sich dem Abschaltmodus nähert.

Das Verständnis dieser Übergänge und der damit verbundenen Ladungsdynamik ist für die Entwicklung effizienter BJTs von entscheidender Bedeutung, die schnell zwischen Zuständen mit minimalem Leistungs- und Energieverlust wechseln können.