16. Bipolare Transistoren
n-Halbleiter p n-HalbleiterE C
B
Basis(B)
Emitter (E)
Kollektor (C)
p-Halbleiter n p-HalbleiterE C
B
Basis(B)
Emitter (E)
Kollektor (C)
NPN-Transistor
PNP-Transistor
6. Bipolare Transistoren6.1. Funktionsweise
2
Funktionsweise des NPN-Transistors (a)
6. Bipolare Transistoren
n
p
n
++++++++- - - - - - - -
++++++++--------
E1
E2
Auf dieser und den folgenden Folien ist die Funk-tionsweise eines NPN-Transistors in der sog. Emit-terschaltung dargestellt. Die in Wirklichkeit sehr dünne Basis ist dabei übertrieben breit gezeichnet.
Die erste Abbildung zeigt, wie sich an den beiden Grenzschichten Raumladungszonen bilden –vergleichbar der Raumladungszone in einer Diode.In diesen beiden Zonen herrschen die elektrischen Feldstärken E1 und E2.
C
E
B
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Funktionsweise des NPN-Transistors (b)
6. Bipolare Transistoren
n
p
n
++++++++++++++++- - - - - - - -- - - - - - - -
++++++++--------
UCE
E1
E2
Legt man zwischen Kollektor und Emitter eine Spannung UCE an und verbindet zugleich die Basis mit dem Emitter, so befindet sich die „Kollektor-Basis-Diode“ in Sperrrichtung. Die Feldstärke E1 steigt, die Raumladungszone verbreitert sich.
Die Raumladungszone zwischen Basis und Emitter bleibt unverändert. Insgesamt fließt nur ein kleiner Sperrstrom.
C
E
B
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Funktionsweise des NPN-Transistors (c)
6. Bipolare Transistoren
++++++++++++++++- - - - - - - -- - - - - - - -
UCEUBE
E1+
+
–
––
– –
– –IB
IC
Eine zusätzliche Spannung zwischen Basis und Emitter, so dass die „Basis-Emitter-Diode“ in Durchlassrichtungbetrieben wird, verkleinert die Raumla-dungszone zwischen Basis und Emitter.
Nun können die vielen freien Elektronen (Majoritätsträger!) aus dem Emitter in die Basis fließen. Nur sehr wenige Elektronen rekombinieren dort mit Löchern in der Basis. Der überwiegende Anteil der Elektronen diffundiert durch die sehr dünne Basis hindurch, gerät in das elektrische Feld E1 und wird zum Kollektor hin geradezu „abgesaugt“.
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Basisstrom steuert Kollektorstrom
6. Bipolare Transistoren
Zur einfacheren Schaltungsberechnung kann man den Transistor„von außen betrachtet“ als Bauelement ansehen, bei dem ein großer Kollektorstrom IC (Laststrom) proportional von einem kleinen Basis-strom IB (Steuerstrom) abhängt.
Quelle: Philips, Experimentierkasten EE2040 (1976), siehe auch: http://ee.old.no
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Innerer Aufbau eines Transistors
6. Bipolare Transistoren
Schematischer Aufbau eines npn-Bipolartransistors in Epitaxie-Planartechnik:
Epitaxie (griech.): Kristallaufbau durch Anlagerung von Atomen oder Molekülen. Dabei wird die Struktur des Ausgangskristalls durch die angelagerten Atome oder Moleküle fortgesetzt.
pn n
EmitterE
BasisB
KollektorC
(oben)
(unten)
< 1 µm
7
Bauformen von Transistoren
6. Bipolare Transistoren
86. Bipolare Transistoren
B
E
C
IBUCE
IC10
IC / mA
2
4
6
20 40 60 IB / µA
UCE = 20V
UCE = 2V
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U1
RB
6.2. Ersatzschaltbild
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Ersatzschaltbild des NPN-Transistors
6. Bipolare Transistoren
Basis Kollektor
EmitterEmitter
IBIC =B·IB
IB IC =B·IB
US
rBE
UBE
Basis Kollektor
EmitterEmitter
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Zusammenhang zwischen IB, IC und UCE
6. Bipolare Transistoren
Großsignalverstärkung,auch: Gleichstromverstärkung
Kleinsignalverstärkung, auch:differentielle Stromverstärkung
Steilheit
116. Bipolare Transistoren
Die Kennlinien sind temperaturabhängig. Insbesondere verschieben sich die Ausgangskennlinien mit zunehmender Temperatur nach oben.
6.3. Kennlinien des NPN-Transistors
0
2
4
6
0,2 0,4 0,6
0,1
0,2
0,3
00 4 8 12
12
3
45
6
7
12
6.4. VerstärkerschaltungenDie Berechnung einer Verstärkerschaltung basiert auf den Eingangs-und Ausgangskennlinien des Transistors und den damit zusammen-hängenden Größen wie B, ß und S.
Aber wie berechnet man die Widerstände RB und RC?
Berechnung von Verstärkerschaltungen
6. Bipolare Transistoren
ue
ua
U1
RC = ?
RB = ?
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Verstärkerschaltung für Wechselspannung
6. Bipolare Transistoren
ue
ua
UB
RCR1
R2
C1
C2
iB
uBE
iC
uCE
Die Abbildung zeigt eine Verstärkerschaltung für Wechselspannung(z. B. aus einem MP3-Player) mit einem NPN-Transistor. C1 dient dazu, alle Gleichspannungsanteile aus der vorhergehenden Stufe abzukop-peln, ebenso sorgt C2 für eine reine Wechselspannung am Ausgang.
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Arbeitspunkteinstellung mit Kennlinien
6. Bipolare Transistoren
4 8 120 UCE / V
IC / mA
0
1
2
3
IB = 20µA
IB = 16µA
IB = 8µA
PVMax
IB = 4µA
IB = 12µA
AP
1
2
3
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Stabilisierung des Arbeitspunkts
6. Bipolare Transistoren
Damit der eingestellte Arbeitspunkt auch bei Temperaturänderungen stabil bleibt, fügt man oft einen Emitterwiderstand („Stromgegenkopplung“) ein. Um dadurch die Verstärkung nicht zu verringern, wird dieser Widerstand für Wechselspannungen durch einen zusätzlichen Kondensator überbrückt.
ue
ua
UB
RCR1
R2
C1
C2
iB
uBE
iC
uCE
RE
CE
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Übungsaufgabe 6.1 (a)
6. Bipolare Transistoren
ue
ua
UB
RCRB
C1
C2
iB
uBE
iC
uCE
Die abgebildete Verstärkerschaltung soll an einer BetriebsspannungUB = 16 V mit einem Kollektorwiderstand RC = 40 Ω betrieben werden.
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Übungsaufgabe 6.1 (b)
6. Bipolare Transistoren
i) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld ein.
ii) Wählen Sie im Ausgangskennlinienfeld einen sinnvollen Arbeitspunkt.
iii) Zeichnen Sie den Arbeitspunkt in die Eingangskennlinie ein.
UBE / V
IB /mA
0
2
4
6
0,2 0,4 0,6
IC /A
0,1
0,2
0,3
00 4 8 12 UCE / V
IB /mA
12
3
45
6
7
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Übungsaufgabe 6.1 (c)
6. Bipolare Transistoren
iv) Ermitteln Sie den Basis-Emitter-Ersatzwiderstand rBE grafischund rechnerisch und dimensionieren Sie den Vorwiderstand RBzur Einstellung des Arbeitspunkts.
v) Bestimmen Sie den Stromverstärkungsfaktor B, die Signal-Stromverstärkung β und die Steilheit S des Transistors im Arbeitspunkt.
vi) Berechnen Sie den Verstärkungsfaktor v der Verstärkerstufe.
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Transistor als Schalter
6. Bipolare Transistoren
6.5. Der Transistor als Schalter
𝐼B = 1 mA
𝐼B = 2 mA
𝐼B = 3 mA
𝐼B = 4 mA
𝐼B = 5 mA
𝑈CE / 𝑉
𝐼C / mA
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Übungsaufgabe 6.2 (a)
6. Bipolare Transistoren
UB
Der Schaltplan zeigt eine kontaktgesteuerte Transistorzündung für Ottomotoren. Dimensionieren Sie die Widerstände R1 und R2 so, dass jeder Transistor beim Einschalten 10-fach übersteuert ist!
R1 R2
T1
T2
RZ
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Übungsaufgabe 6.2 (b)
6. Bipolare Transistoren
Es gelten folgende Daten:
• Betriebsspannung UB = 14 V
• Widerstand der Primärwicklung der Zündspule RZ = 3,5 Ω
• Transistor T1: B1 = 50rBE1 = 3 ΩUCESat1 = 0,4 VUS1 = 0,7 V
• Transistor T2: B2 = 30rBE2 = 1 ΩUCESat2 = 0,5 VUS2 = 0,6 V
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Übungsaufgabe 6.2 (c)
6. Bipolare Transistoren
i) Welcher Kollektorstrom IC2 fließt bei eingeschaltetem Transistor T2 durch die Primärwicklung der Zündspule?
ii) Welchen Basisstrom IB2 benötigen Sie, um den Transistor T2beim Einschalten 10-fach zu übersteuern? Wie groß ist in diesem Fall die Spannung UBE2 an der Basis von T2?
iii) Berechnen Sie einen geeigneten Widerstand R2.
iv) Wie groß ist der Strom IB2 bei eingeschaltetem Transistor T1? Welcher Kollektorstrom IC1 fließt in diesem Fall?
v) Welchen Basisstrom IB1 benötigen Sie, um den Transistor T1beim Einschalten 10-fach zu übersteuern? Wie groß ist in diesem
Fall die Spannung UBE1 an der Basis von T1?
vi) Berechnen Sie einen geeigneten Widerstand R1.