Der Bipolar-Transistor - Uni Kassel · 2013-04-04 · Prinzip des Transistors Seite: 2 8 Grundlagen des Transistors Aufbau des Bipolar-Transistors, Beispiel npn-Transistor Idee: mit

Der Bipolar-Transistor

Dr.-Ing. Oliver Haas

Universität Kassel

FB 16: Elektrotechnik / Informatik

FG FSG: Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik

Wilhelmshöher Allee 73

D-34121 Kassel

ETE 2 – SS 12 – V10

Dr.-Ing. Oliver Haas © Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz

Prinzip des Transistors Seite: 2

8 Grundlagen des Transistors

Aufbau des Bipolar-Transistors, Beispiel npn-Transistor

Idee: mit einem kleinen Steuerstrom einen großen Strom kontrollieren

Halbleiter-Schichten und Anschlüsse eines npn-Transistors

p-Schicht

schwach dotiert

n-Schicht

stark dotiert

n-Schicht

stark dotiert

B

C E

Kollektor Emitter

Basis

B

C E

pn-Übergänge und Raumladungszonen eines npn-Transistors

Raum-

ladungs-

zone

B

C E

Dioden-Ersatzschaltung

n n p

B

Entstehung der Raumladungszonen

durch Rekombination

Rekombination Elektron

Loch elektr. neutral

ETE 2 – SS 12 – V10


Seite: 3 Prinzip des Transistors


Aufbau des Bipolar-Transistors, Beispiel npn-Transistor

Idee: mit einem kleinen Steuerstrom IB einen großen Strom IC kontrollieren

Kollektor

Emitter

Basis

IB

IC

IE

IE

IC

IB

Wassermodell des Transistors nachempfunden einer Illustration aus dem

Elektronik-Baukasten KOSMOS Radiomann,

um 1963. Quelle: Internet

IB=0

Da IB=0, sind

IC und IE=0 IE=IB+IC

Kollektor = Sammler (von Elektronen)

Emitter = Sender (von Elektronen)

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Aufnahme der Eingangskennlinie

Dynamischer Eingangswiderstand

Seite: 4 Der Bipolar-Transistor


4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-Bipolartransistors

Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten

Eingangskennlinie: Variieren der Basis-Emitter-Spannung UBE und Messen des Eingangsstroms IB bei

konstanter Kollektor-Emitter-Spannung UCE

UCE=konst.

IB

UBE

IC

Bestimmen der Eingangskennlinie eines npn-Transistors

A

V

B BE

BEBE

B

( )I f U

Ur

I

ETE 2 – SS 12 – V10


Aufnahme der Stromsteuerkennlinie

Gleichstromverstärkung B und Wechselstromverstärkung β





Stromsteuerkennlinie: Variieren des Basisstroms IB und Messen des Kollektorstroms IC bei konstanter

Kollektor-Emitter-Spannung UCE

UCE=konst.

IB

UBE

IC

Bestimmen der Stromverstärkung eines npn-Transistors

A

A

C B

C

B

C

B

( )I f I

IB

I

I

I

∆IC

∆IB

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Aufnahme der Übertragungskennlinie

Steilheit





Übertragungskennlinie: Variieren der Basis-Emitter-Spannung UBE und Messen des Ausgangsstroms IC bei

konstanter Kollektor-Emitter-Spannung UCE , wird alternativ zur Stromsteuerkennlinie benutzt.

UCE=konst.

IB

UBE

IC

Bestimmen der Eingangskennlinie eines npn-Transistors

A

V

CE BE

C

BE

( )I f U

IS

U

ETE 2 – SS 12 – V10


Aufnahme der Ausgangskennlinie

Dynamischer Ausgangswiderstand





Ausgangskennlinie: Variieren des Kollektorstroms IC und Messen der Kollektor-Emitter-Spannung UCE bei

konstantem Basisstrom IB

UCE

IB

UBE

Bestimmen der Ausgangskennlinie eines npn-Transistors

A

CE C B

CECE

C

( , )U f I I

Ur

I

V

A IC

U0 IB = konst.

I0

IB = 20µA

IB = 60µA

IB = 100µA

ETE 2 – SS 12 – V10


Aufnahme der Ausgangskennlinie

Maximal erlaubte Verlustleistung Ptot beachten!

Dynamischer Ausgangswiderstand





Ausgangskennlinie: Variieren des Kollektorstroms IC und Messen der Kollektor-Emitter-Spannung UCE bei

konstantem Basisstrom IB

UCE

IB

Bestimmen der Ausgangskennlinie eines npn-Transistors

A

CE C B

CECE

C

( , )U f I I

Ur

I

V

A IC

U0

IB = 20µA

IB = 60µA

IB = 100µA

Ptot = 100mW

UBE

IB = konst.

I0

ETE 2 – SS 12 – V10


Aufnahme der Spannungsrückwirkungskennlinie

Differentielle Spannungsrückwirkung





Spannungsrückwirkungskennlinie: Variieren der Kollektor-Emitter-Spannung UCE und Messen der Basis-

Emitter-Spannung UBE bei konstantem Basisstrom IB

UCE

IB = konst.

UBE

IC

Bestimmen der Spannungsrückwirkung eines npn-Transistors

A

BE CE B

BE

CE

( , )U f U I

UD

U

V

I0

IB

V

IB = 20µA

IB = 60µA

IB = 100µA

ETE 2 – SS 12 – V10


Das 4-Quadranten-Kennlinienfeld

Ausgangskennlinie

Stromsteuerkennlinie

Eingangskennlinie

Spannungsrück-

wirkungskennlinie




Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten.

IB = 20µA

IB = 60µA

IB = 100µA

IB = 20µA

IB = 100µA

Ptot = 100mW

IC / mA

4

8

12

16

20

IB / µA UCE / V

UBE / V

0,2

0,4

0,6

20 40 60 80 100 2 4 6 8 10

III IV

II I

I

II

III

IV

IB = 60µA

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Verstärker-Grundschaltungen: Emitterschaltung

Der Name der Grundschaltung kommt von dem gemeinsamen Bezugspotenzial zwischen Eingangs- und

Ausgangssignal.

Kondensatoren bilden für Eingangs- und Ausgangssignale jeweils einen Kurzschluss, entkoppeln Signal- und

Gleichspannung.

Signalverstärkung: ua > ue , ia > ie , Impedanz: Za < Ze

U0

UBE

IC

npn-Transistor in Emitterschaltung

IB

IE

UCE ua

ue

RC R1

R2

U0

UBE

IC

IB

IE

UCE

ua

ue

RC R1

R2

RE

Emitterschaltung mit Emitterwiderstand

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Verstärker-Grundschaltungen: Erzeugung der Basisvorspannung

Einstellung des Arbeitspunktes

U0

UBE

IC

Basisvorwiderstand

IB

IE

UCE

RC RV

Basis-Spannungsteiler

U0

UBE

IC

IB

IE

UCE

RC R1

R2

ETE 2 – SS 12 – V10




Verstärker-Grundschaltungen: Erzeugung der Basisvorspannung zum Einstellen des Stroms IB

Einstellung des Arbeitspunktes: Berechnung des Basisvorwiderstands

Basis-Emitter-Spannung aus der Eingangskennlinie des Transistors

U0

UBE

IC

IB

IE

UCE

RC RV

0 BEBE 0 B V V

B

U UU U I R R

I

ETE 2 – SS 12 – V10




Verstärker-Grundschaltungen: Erzeugung der Basisvorspannung zum Einstellen des Stroms IB

Einstellung des Arbeitspunktes: Berechnung des Basisspannungsteilers

Basis-Emitter-Spannung aus der Eingangskennlinie des Transistors

Regel: Wähle den Querstrom durch R1 mit 5 …10 IB

0 BE BEBE 0 B 1 1 2

B B

, ,( 1)

U U UU U I R R R

I I

U0

UBE

IC

IB

IE

UCE

RC R1

R2

IB

( -1) IB

ETE 2 – SS 12 – V10


Beispiel: Betrachtung von R2 als Innenwiderstand der Quelle U0



Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung

Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand RC .

Zur Erinnerung: Grafische Lösung eines Spannungsteilers

R1

R2

1 2

1 2

0

4k , 1k ,

0,25mS, 1mS,

10V

R R

G G

U

U0

U1

U2

U1= 8V U2= 2V

G1

G2

ETE 2 – SS 12 – V10


Verstärker in einfacher Emitterschaltung

Arbeitsgerade: GC= 24 mS





Beispiel: Berechnung des Basisspannungsteilers für den gewählten Arbeitspunkt.

U0

UBE

IC

IB

IE

UCE ua

ue

RC R1

R2

10 IB

ETE 2 – SS 12 – V10




Arbeitspunkt des Transistors:

IB = 60µA

B = 200

IC = 12mA

UBE = 0,666V

UCE = 5V





Beispiel: GC =24 mS (RC =41,667 Ω)

IB = 20µA

IB = 60µA

IB = 100µA

IB = 20µA

IB = 100µA

Ptot = 100mW

IC / mA

4

8

12

16

20

IB / µA UCE / V

UBE / V

0,2

0,4

0,6

20 40 60 80 100 2 4 6 8 10

IB = 60µA

GC = 24mS

ETE 2 – SS 12 – V10





IB = 60µA

B = 200

IC = 12mA

UBE = 0,666V

Berechnung des Basisspannungsteilers:





Beispiel: Berechnung des Basisspannungsteilers für den gewählten Arbeitspunkt.

U0

UBE

IC

IB

IE

UCE ua

ue

RC R1

R2

1

2

10V 0,666V15,557 kΩ

10 60µA

0,666V1,233kΩ

9 60µA

R

R

0 BE BEBE 0 B 1 1 2

B B

, ,( 1)

U U UU U I R R R

I I

10 IB

ETE 2 – SS 12 – V10





IB = 60µA

B = 200

IC = 12mA

UBE = 0,666V

Annahme:

der Basisstrom IB

ändert sich

um ± 20µA





Beispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt.

U0

UBE

IC

IB

IE

UCE ua

ue

RC R1

R2 ua

B 60µA 20µAsin( )I t

ETE 2 – SS 12 – V10




Arbeitspunkt des Transistors

Wechselstromverstärkung

Wechselspannungsverstärkung

Leistungsverstärkung





Beispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt, idealisierte Näherung.

IB = 60µA

IC / mA

4

8

12

16

20

IB / µA UCE / V

UBE / V

0,2

0,4

0,6

20 40 60 80 100 2 4 6 8 10

10/3 20/3

0,649

0,684

C

B

CE

BE

8mA200

40µA

3,333V95

0,035V

19000

u

p u

I

I

Uv

U

v v

ETE 2 – SS 12 – V10





Wechselstromverstärkung

Wechselspannungsverstärkung

Leistungsverstärkung





Beispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt, genauere Betrachtung.

IB = 60µA

IC / mA

4

12

20

IB / µA UCE / V

UBE / V

0,2

0,4

0,6

20 40 80 100 2 4 6 8 10

10/3 20/3

0,649

0,684

C

B

CE

BE

7,64mA191

40µA

3,333V95

0,035V

18100

u

p u

I

I

Uv

U

v v

IB = 40µA

IB = 80µA

IC = 7,64mA

IB = 40µA

60

8

16

ETE 2 – SS 12 – V10





Dyn. Basis-Emitter-Widerstand

Dyn. Kollektor-Emitter-Widerstand





Beispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt.

BEBE

B

CECE

C

16,5mV

40µA

413

8V

0,8mA

10k

Ur

I

Ur

I

IB = 60µA

4

12

20

IB / µA UCE / V

UBE / V

0,2

0,4

0,6

20 40 80 100 2 6 8 10

IC = 0,8mA

UCE = 8V

60

8

16

IC / mA

UBE 16,5mV

IB = 40µA

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