Kapitel 6 - Bipolarer Transistor

6. Bipolare Transistoren
6.1. Funktionsweise
NPN-Transistor
E n-Halbleiter p n-Halbleiter C
B
PNP-Transistor
E p-Halbleiter n p-Halbleiter C
B
6. Bipolare Transistoren
Basis
(B)
Basis
(B)
Kollektor (C)
Emitter (E)
Kollektor (C)
Emitter (E)
1

B
Funktionsweise des NPN-Transistors (a)
C
n
++++++++
- - - - - - - -
p
++++++++
- - - - - - - -
n
E
E 1
E 2
Auf dieser und den folgenden Folien ist die Funktionsweise
eines NPN-Transistors in der sog. Emitterschaltung
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 E 1 und E 2 .
6. Bipolare Transistoren
2

B
Funktionsweise des NPN-Transistors (b)
C
n
++++++++
++++++++
- - - - - - - -
- - - - - - - -
p
++++++++
- - - - - - - -
n
E
E 1
E 2
U CE
Legt man zwischen Kollektor und Emitter
eine Spannung U CE an und verbindet
zugleich die Basis mit dem Emitter, so
befindet sich die „Kollektor-Basis-Diode“
in Sperrrichtung. Die Feldstärke E 1 steigt,
die Raumladungszone verbreitert sich.
Die Raumladungszone zwischen Basis und
Emitter bleibt unverändert. Insgesamt
fließt nur ein kleiner Sperrstrom.
6. Bipolare Transistoren
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I B
U BE
Funktionsweise des NPN-Transistors (c)
++++++++
++++++++
- - - -– - - -– -
- - - - - - - -
+
+
–
–
– –
–
E 1
I C
U CE
Eine zusätzliche Spannung zwischen
Basis und Emitter, so dass die „Basis-
Emitter-Diode“ in Durchlassrichtung
betrieben wird, verkleinert die Raumladungszone
zwischen Basis und Emitter.
Nun können die vielen freien Elektronen
(Majoritätsträger!) im Emitter in die
Basis fließen. Nur ca. 1% der 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 E 1 und wird zum Kollektor
hin geradezu „abgesaugt“.
6. Bipolare Transistoren
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Basisstrom steuert Kollektorstrom
Der Basis-Emitter-Strom I BE steuert also die Durchlässigkeit der Basis-
Emitter-Raumladungszone für die freien Elektronen aus dem Emitter:
Eine kleine Änderung von I BE bewirkt eine große Änderung des Kollektor-Emitter-Stroms
I CE . Auf diese Weise kann mit dem Transistor eine
Stromverstärkung erzielt werden.
6. Bipolare Transistoren
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Innerer Aufbau eines Transistors
Schematischer Aufbau eines npn-Bipolartransistors in
Epitaxie-Planartechnik:
(oben)
(unten)
Emitter
E
Basis
B
n p n
Epitaxie (griech.), Bildung eines Kristalls durch Anlagerung
von Atomen oder Molekülen an ein Ausgangskristall, dessen
Struktur von dem sich bildenden Kristall kopiert wird.
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Kollektor
C
< 1 µm
6

Bauformen von Transistoren
6. Bipolare Transistoren
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6.2. Ersatzschaltbild
I B
U 1
R B
B
I C
C
E
U CE
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I C / mA
10
8
6
4
2
U CE = 20V
U CE = 2V
20 40 60 I B / µA
8

Ersatzschaltbild des NPN-Transistors
Basis Kollektor
IB IC =
B·IB Emitter
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Emitter
Basis Kollektor
U BE
Emitter
I B I C =
U S
r BE
B·I B
Emitter
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Zusammenhang zwischen I B, I C und U CE
Großsignal-Verstärkungsfaktor,
Gleichstrom-Verstärkungsfaktor
Kleinsignal-Verstärkungsfaktor,
Wechselstrom-Verstärkungsfaktor,
Signal-Verstärkungsfaktor
Steilheit
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6.3. Kennlinien des NPN-Transistors
6
4
2
0
0,2 0,4 0,6
Die Kennlinien sind temperaturabhängig. Insbesondere verschieben
sich die Ausgangskennlinien mit zunehmender Temperatur nach oben.
0,3
0,2
0,1
6. Bipolare Transistoren
0 0 4 8 12
7
6
5
4
3
2
1
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Berechnung von Verstärkerschaltungen
6.4. Verstärkerschaltungen
Die Berechnung einer Verstärkerschaltung basiert auf den Eingangsund
Ausgangskennlinien des Transistors und den damit zusammenhängenden
Größen wie B, ß und S.
u e
R B = ?
R C = ?
Aber wie berechnet man die Widerstände R B und R C ?
6. Bipolare Transistoren
u a
U 1
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Verstärkerschaltung für Wechselspannung
Die Abbildung zeigt eine Verstärkerschaltung für Wechselspannung
(z. B. aus einem MP3-Player) mit einem NPN-Transistor. C 1 dient dazu,
alle Gleichspannungsanteile aus der vorhergehenden Stufe abzukoppeln,
ebenso sorgt C 2 für eine reine Wechselspannung am Ausgang.
u e
C 1
R 1
R 2
i B
u BE
R C
i C
u CE
C 2
6. Bipolare Transistoren
u a
U B
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Arbeitspunkteinstellung mit Kennlinien
3
2
1
0
I C / mA
2
1
3
P VMax
AP
0 4 8 12 UCE / V
6. Bipolare Transistoren
I B = 20µA
I B = 16µA
I B = 12µA
I B = 8µA
I B = 4µA
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Stabilisierung des Arbeitspunkts
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.
u e
C 1
R 1
R 2
i B
R C
i C
uBE RE u CE
C 2
C E
6. Bipolare Transistoren
u a
U B
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Übungsaufgabe 6.1 (a)
Die abgebildete Verstärkerschaltung soll an einer Betriebsspannung
U B = 16 V mit einem Kollektorwiderstand R C = 40 Ω betrieben werden.
u e
C 1
R B
i B
u BE
R C
i C
u CE
6. Bipolare Transistoren
C 2
u a
U B
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Übungsaufgabe 6.1 (b)
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.
I B /
mA
6
4
2
0
0,2 0,4 0,6
U BE / V
I C /
A
0,3
0,2
0,1
6. Bipolare Transistoren
7
6
5
4
3
2
1
I B /
mA
0 0 4 8 12 UCE / V
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Übungsaufgabe 6.1 (c)
iv) Ermitteln Sie den Basis-Emitter-Ersatzwiderstand r BE grafisch
und rechnerisch und dimensionieren Sie unter Verwendung
der rechnerischen Lösung den Vorwiderstand R B zur 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.
6. Bipolare Transistoren
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Transistor als Schalter
6.5. Der Transistor als Schalter
I C / mA
B A
3
2
1
0
Sättigungsbereich
Sperrbereich
Kniespannungslinie
4 8 12 U CE / V
6. Bipolare Transistoren
I B = 20µA
I B = 16µA
I B = 12µA
I B = 8µA
I B = 4µA
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Übungsaufgabe 6.2 (a)
Der Schaltplan zeigt eine kontaktgesteuerte Transistorzündung für
Ottomotoren. Dimensionieren Sie die Widerstände R 1 und R 2 so,
dass jeder Transistor beim Einschalten 10-fach übersteuert ist!
U B
R 1
R 2
T 1
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R Z
T 2
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Es gelten folgende Daten:
Übungsaufgabe 6.2 (b)
• Betriebsspannung U B = 14 V
• Widerstand der Primärwicklung der Zündspule R Z = 3,5 Ω
• Transistor T 1 : B 1 = 50
r BE1 = 3 Ω
U CESat1 = 0,4 V
U S1 = 0,7 V
• Transistor T 2 : B 2 = 30
r BE2 = 1 Ω
U CESat2 = 0,5 V
U S2 = 0,6 V
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Übungsaufgabe 6.2 (c)
i) Welcher Kollektorstrom I C2 fließt bei eingeschaltetem Transistor
T 2 durch die Primärwicklung der Zündspule?
ii) Welchen Basisstrom I B2 benötigen Sie, um den Transistor T 2
beim Einschalten 10-fach zu übersteuern? Wie groß ist in diesem
Fall die Spannung U BE2 an der Basis von T 2 ?
iii) Berechnen Sie einen geeigneten Widerstand R 2 .
iv) Wie groß ist der Strom I B2 bei eingeschaltetem Transistor T 1 ?
Welcher Kollektorstrom I C1 fließt in diesem Fall?
v) Welchen Basisstrom I B1 benötigen Sie, um den Transistor T 1
beim Einschalten 10-fach zu übersteuern? Wie groß ist in diesem
Fall die Spannung U BE1 an der Basis von T 1 ?
vi) Berechnen Sie einen geeigneten Widerstand R 1 .
6. Bipolare Transistoren
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