7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors

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7 Grundlagen und
praktische Schaltungslehre
des Transistors
Die Bezeichnung „Transistor“ ist ein Kunstwort aus „transfer resistor“, was sich als
„übersetzender Widerstand“ oder „Übertragungswiderstand“ definieren lässt.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen drei Transistorfamilien in der Praxis:
Transistor
(prinzipiell)
Bipolare
Transistoren
Unijunktiontransistor
UJT
Unipolare
Transistoren
pnp-Typ
n-Kanal-FET
npn-Typ
p-Kanal-FET
Für den Betrieb von bipolaren Transistoren sind immer zwei pn-Übergänge erforderlich, d. h., ein Transistor besteht normalerweise aus drei Zonen. Davon weisen die beiden äußeren Zonen untereinander prinzipiell identische Eigenschaften auf, während
die mittlere Zone abweichende Kriterien hat. Die besonderen Eigenschaften erreicht
man durch unterschiedliche Dotierung bestimmter chemischer Elemente. Den elektrischen Charakter der Zonen kennzeichnet man mit den Buchstaben „p“ und „n“, wie bei
den Dioden. Da die beiden äußeren Zonen im Prinzip gleiche Eigenschaften aufweisen,
gilt für diese Zonen auch der gleiche Buchstabe. Für die Zwischenzone hat man dagegen andere Buchstaben. Bei einem pnp-Transistor lautet daher die Reihenfolge der
Zonen „pnp“ und beim npn-Transistor „npn“. Die drei Anschlüsse eines Transistors
werden mit Basis [basis (lat.) = Grundlage], Emitter [emittere (lat.) = hervorbringen]
und Kollektor [collector (lat.) = Sammler] bezeichnet.
Ein Unijunktiontransistor UJT ist dagegen ein Bauelement, das aus einem einkristallinen Siliziumstab mit n-Dotierung, zwei ohmschen Endkontakten und einem Sperrschichtkontakt mit p-Dotierung besteht. Die beiden ohmschen Kontakte bezeichnet
man als Basis 1 (B1) und Basis 2 (B2) und den Sperrschichtkontakt als Emitter. Die
Erklärung von den Unijunktiontransistoren folgt im Kapitel zur Leistungselektronik.
Unter einem Feldeffekttransistor FET versteht man ein Bauelement, bei dem der Majoritätsträgerstrom zwischen Source (Quelle) und Drain (Abfluss) mithilfe eines elek-
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7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors
trischen Felds am Gate (Tor) gesteuert wird, das entweder die Bahn des gesteuerten
Stroms quer zur Stromrichtung durchsetzt oder den Strömungsquerschnitt im Halbleiter beeinflusst. Da nur eine Ladungsträgerart am Verstärkermechanismus beteiligt
ist, bezeichnet man die Feldeffekttransistoren auch als unipolare Transistoren.
Im Gegensatz zu den bipolaren Transistoren hat man bei den Feldeffekttransistoren
das Gate (Tor) für den Steueranschluss, das die Funktion der Basis beim Transistor hat,
den Drain-Anschluss (Senke) und den Source-Anschluss (Quelle). Der Stromfluss
zwischen Source und Drain wird durch ein elektrisches Feld gesteuert. Beim Sperrschicht-Feldeffekttransistor oder J-FET (Junction) wirkt das elektrische Feld über einen pn-Übergang auf den Stromfluss ein. Bei den Isolierschicht-FETs, den MOSFETs
(Metal Oxide-Semiconductor-FET) hat man dagegen eine hochisolierende Schicht
zwischen Kanal und Gate. Aus diesem Grund auch die Bezeichnung IG-FET (IsolatedGate-FET). Insgesamt gibt es zwei Arten von Feldeffekttransistoren, den p- und den
n-Kanal, bei den MOSFETs ebenfalls die beiden Typen mit p- und n-Kanal, wobei man
noch zwischen dem Verarmungstyp (Depletion) und dem Anreicherungstyp (Enhancement) unterscheiden muss.
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
Bipolare Transistoren bestehen aus drei Zonen, Emitterzone, Basiszone und Kollektorzone. Zu jeder der drei Zonen gehört ein separater Anschluss und somit weist der
Transistor einen Emitteranschluss, einen Basisanschluss und einen Kollektoranschluss
auf.
Abb. 7.1: Querschicht durch einen npn-Planar-Epitaxial-Transistor. Das Verhältnis der
Höhe zur Breite des Schnittbilds wurde wesentlich übertrieben dargestellt, insbesondere
soweit das die epitaxiale Schicht und deren Abdeckung betrifft.
Wie Abb. 7.1 erkennen lässt, ist die Grenzfläche der Basiszone gegen die Kollektorzone
größer als die gegen die Emitterzone. Dieser Größenunterschied hat zwei Gründe:
● Der den Transistor durchfließende Strom ist, wie der Strom auch sonst, eine Drift
von Ladungsträgern. Die Ladungsträger gehen von der Emitterzone zur Kollek-
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
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torzone über. Hierbei sollen sie auf den mittleren Bereich der Grenzfläche zwischen Basiszone und Kollektorzone treffen, damit ihre Wege in der Basiszone möglichst kurz ausfallen. Das erreicht man, indem man die Kollektorgrenzfläche nach
allen Seiten größer gestaltet als die Emittergrenzfläche.
● Bei Betrieb liegt zwischen Basis und Kollektor im Allgemeinen eine weit höhere
Spannung als zwischen Emitter und Basis. Der Emitterstrom IE und der Kollektorstrom IC hingegen weisen fast identische Werte auf. Daraus folgt, dass an der Grenze zwischen Kollektor und Basis eine größere elektrische Leistung entsteht als an
der Grenze zwischen Emitter und Basis. Beide Leistungen werden in Wärme umgesetzt. An der Grenze zwischen Kollektor und Basis entsteht folglich mehr Wärme
als an der Grenze zwischen Emitter und Basis.
Abb. 7.2: Gegenüberstellung von pnp- und npn-Transistor im Schichtenaufbau, Wirkung
der Dioden und die Schaltzeichen
Die Gegenüberstellung von pnp-Transistor (links) und npn-Transistor (rechts) in
Abb. 7.2 zeigt den unterschiedlichen Aufbau der Transistoren. Bei der Frage nach dem
Schichtenaufbau muss man die technologischen Varianten des Transistors beachten,
wobei zahlreiche, recht unterschiedliche Möglichkeiten für die Realisierung vorhanden
sind: Legierungstransistor, Drifttransistor, diffundiert-legierter Mesa-Transistor, Planartransistor, Epitaxie-Planar-Transistor, HF-Leistungstransistor, Overlay-Transistor
und Hochspannungstransistor. Jeder Transistor ist anders aufgebaut und für bestimmte Anwendungsbereiche optimiert worden. Bei allen Transistoren ist aber gleich, dass
die Ladungsträger über den Emitteranschluss in den Transistor eintreten und diesen
über den Kollektoranschluss verlassen. Der gesteuerte bzw. zu steuernde Strom fließt
somit vom Emitter zum Kollektor. Die Steuerung dieses Stroms übernimmt die Basis.
Betrachtet man sich die Diodenmodelle, erkennt man die Grenzschicht zwischen
Basis- und Emitterzone, die als Basis-Emitter-Sperrschicht bezeichnet wird. Die
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7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors
Grenzschicht zwischen Basis- und Kollektorzone definiert man als Basis-KollektorSperrschicht. Die Diode zwischen Basis und Emitter bezeichnet man als Basis-EmitterDiode und die zwischen Basis und Kollektor als Basis-Kollektor-Diode.
7.1.1 Wirkungsweise des npn-Transistors
Aus technologischen Herstellungsgründen wurden bis 1970 pnp-Transistoren aus
Germanium und npn-Transistoren aus Silizium hergestellt. Heute arbeitet man ausschließlich mit Silizium-Transistoren, ob man nun npn- oder pnp-Typen in der analogen oder digitalen Schaltungstechnik einsetzt. Germanium findet man dagegen nur
sehr selten.
Abb. 7.3: Ausschnitt eines npn-Transistors mit seinen drei Zonen. Dieser
Ausschnitt umfasst die Teile, die an den
beiden Grenzflächen aneinanderstoßen.
Jede der Grenzflächen stellt einen pnÜbergang dar.
Bei einem npn-Transistor sind die Emitterzone und die Kollektorzone mit Donatoren
dotiert und daher erfolgt die Darstellung in Abb. 7.3 als n-Zone. Die Basiszone wird
mit Akzeptoren dotiert und ist als p-Zone dargestellt. Aufgrund dieser drei Zonen
weist ein npn-Transistor zwei Grenzflächen auf, an denen jeweils eine n-Zone und eine
p-Zone aneinanderstoßen. Hierbei handelt es sich nicht etwa um drei einzelne Siliziumstücke, sondern um ein durchgehendes Silizium-Atomgitter, das auf der einen Seite der Grenzfläche mit Donatoren und an der anderen Seite mit Akzeptoren dotiert
ist.
Diesseits und jenseits der Grenzfläche, an der die beiden unterschiedlichen Zonen aneinander grenzen, entstehen besondere elektrische Zustände. Die gesamte Schicht, die
durch diese Zustände charakterisiert ist, bezeichnet man als Sperrschicht. Diese Bezeichnung lässt sich damit begründen, dass diese Schicht eine Diodenwirkung aufweist.
Zwei gegeneinandergeschaltete Dioden wirken noch nicht wie ein Transistor. Man
erkennt dessen Wirkungsweise auch nicht aus einer solchen Schaltung, wie die
Diodenmodelle in Abb. 7.2 zeigen. Aufgrund der Diodenmodelle wäre zunächst lediglich zu vermuten, vom Emitter müsse zur Basis durch die Emitter-Basis-Diode ein
verhältnismäßig hoher Strom fließen. Wenn man dann noch zur Kenntnis nimmt,
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
467
dass |UCE| > |UBE| ist, könnte man außerdem annehmen, es wird über den Kollektor
nur ein sehr geringer Strom fließen. So aber ist eine Funktion des Transistors als verstärkendes Bauelement nicht möglich.
Abb. 7.4: Physikalisches Prinzip eines npn-Transistors
Das physikalische Prinzip eines npn-Transistors lässt sich über zwei Gleichstromkreise
erklären, wie Abb. 7.4 zeigt. Hier muss man nun zwischen der technischen Stromrichtung (Plus nach Minus) und der Elektronenflussrichtung (Minus nach Plus) unterscheiden.
In Abb. 7.4 entspricht die Polung der Betriebsspannungsquelle der technischen Stromrichtung. Damit fließt vom Pluspol der Spannungsversorgung ein Kollektorstrom IC
zum Kollektor C weiter in die Kollektor-Basis-Diode, die in Sperrrichtung betrieben
wird. Bei einem nicht angeschlossenen Emitter kann demzufolge im Kollektorstromkreis nur ein sehr geringer Sperrstrom durch die Kollektor-Emitter-Diode fließen. Dieser Strom ist für die Kollektor-Emitter-Diode (wie dies auch bei jeder Diode der Fall ist,
wenn in Sperrrichtung nur ein geringer Strom fließen kann) ein Majoritätsträgerstrom.
Als Majoritätsträgerstrom kommen in der p-Zone der Basis nur Elektronen infrage.
Ist der Kollektor dagegen offen und die Basis-Emitter-Strecke angeschlossen, d. h. in
Durchlassrichtung, so würden die in den Basisraum injizierten Elektronen mit den
dort auf Grund der p-Dotierung vorhandenen Defektelektronen rekombinieren. Dabei würden an dem Basisanschluss des Pluspols der angeschlossenen Spannungsquelle
laufend Defektelektronen nachgeliefert werden.
Jedoch ist der Kollektorstromkreis gemäß Abb. 7.4 angeschlossen. Wie bei fehlendem
Kollektorstromkreis, gelangen auch jetzt Elektronen aus der n-Zone des Emitters in
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7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors
die p-Zone der Basis. Elektronen in der p-Zone sind dort nichts anderes als Majoritätsträger, da ja in der p-Zone die Defektelektronen die Minoritätsträger darstellen.
Der auf die Basis-Kollektor-Sperrschicht entfallende Teil der Kollektorspannung ist
für die Minoritätsträger in Sperrrichtung gemäß gepolt. Diese Polung stellt aber für
die Majoritätsträger, d. h. für die vom Emitter her in die Basiszone fließenden Elektronen, die Durchlassrichtung dar. Was also an Elektronen durch die Basis-Emitter-Diode in die Basisschicht kommt, findet dort durch die Basis-Kollektor-Sperrschicht
hindurch einen offenen Weg zum Kollektoranschluss.
Die Funktion des Transistors beruht demzufolge darauf, dass der über die Emitter-Basis-Diode fließende Elektronenstrom, der von der zwischen Basis und Emitter wirkenden Signalquelle gesteuert ist, zum allergrößten Teil durch die Kollektorspannung aus
der Basis über die Kollektor-Basis-Diode „abgesaugt“ wird. Dabei bemüht man sich, den
im Prinzip unvermeidlichen, über die Basis fließenden Stromanteil so klein wie möglich
zu halten. Der Basisstrom IB beträgt 0,5 % bis 5 % des Kollektorstroms IC, d. h.
IE = IC + IB
Der Emitterstrom IE ist eine Addition zwischen dem Kollektorstrom IC und dem Basisstrom IB. Der Wert des Basisstroms ist zwar im Vergleich zum Kollektorstrom gering,
muss aber beim Entwurf und Aufbau einer Schaltung berücksichtigt werden.
Die verstärkende Wirkung des Transistors erklärt sich so: Weil die Basis-EmitterDiode in Durchlassrichtung betrieben wird, ist die an dieser Diode erforderliche BasisEmitter-Signalspannung geringer und liegt je nach Typ bei UBE ≈ 0,6 V. Da man dafür
sorgt, dass der durch die Basis-Emitter-Diode fließende Strom zum größten Teil zum
Kollektor weiterfließt, hat der Basisstrom auch nur einen niedrigen Wert. Beides zusammen ergibt eine nur kleine Signalsteuerleistung. Im Ausgang fließt der Kollektorsignalstrom, der wesentlich höher ist als der Basissignalstrom. Die Kollektorgleichspannung ermöglicht im Ausgang bei Einschalten eines passenden Arbeitswiderstands
eine Kollektorsignalspannung, deren Scheitelwert den Wert der Kollektorbetriebsspannung +UB erreichen kann. Es gilt:
UCE = UBE + UBC
Hoher Signalstrom bei hoher Signalspannung auf der Kollektorseite ergeben gemeinsam die Kollektorsignalleistung, die die Basissignalleistung wesentlich übersteigt.
7.1.2 Statische Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors in
Emitterschaltung
Im Transistor stehen folgende vier Größen zueinander in Beziehung:
● Eingangsstrom I1 oder Basisstrom IB
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
469
● Eingangsspannung U1 oder Basis-Emitter-Spannung UBE
● Ausgangsstrom I2 oder Kollektorstrom IC
● Ausgangsspannung U2 oder Kollektor-Emitter-Spannung UCE
Wegen der internen Verkopplungen der einzelnen Sperrschichten sind alle vier Größen voneinander abhängig.
Abb. 7.5: Schaltung zur statischen Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors in Emitterschaltung
Mit der Schaltung von Abb. 7.5 lassen sich folgende vier Kennlinien des Transistors
aufnehmen:
● Eingangskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von IB = f(UBE) bei
UCE = konstant und hat den Verlauf einer Siliziumdiode.
● Stromverstärkungskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von IC = f(IB)
bei UCE = konstant. Aus der Stromverstärkungskennlinie kann die Stromverstärkung B
(statischer Wert) oder B (dynamischer Wert) eines Transistors ermittelt werden. In der
analogen Schaltungspraxis setzt man die Bedingung voraus: B ≈ B.
● Ausgangskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von IC = f(UCE) mit
IB = konstant. Die Ausgangskennlinie stellt für den praktischen Entwurf die wichtigsten Kenngrößen zur Verfügung.
● Rückwirkungskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von
UBE = f (UCE) bei IB = konstant. Aus dieser Kennlinie ist zu entnehmen, dass eine
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7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors
Änderung der Kollektor-Emitter-Spannung nur einen sehr geringen Einfluss auf
die Eingangsspannung UBE hat. Diese Kennlinie wird für den praktischen Schaltungsentwurf nicht benötigt.
Bei der Untersuchung der Eingangskennlinie lässt sich die Abhängigkeit des Basisstroms IB von der Basis-Emitter-Spannung UBE ermitteln. Bedingung ist hier, dass die
Kollektor-Emitter-Spannung UCE einen konstanten Wert für die Kennlinienaufnahme
hat. Tabelle 7.1 zeigt die Werte für die statische Aufnahme der Eingangskennlinie bei
Transistor BC107, wenn die Bedingung UCE = +5 V beträgt.
Tabelle 7.1: Werte für die statische Aufnahme der Eingangskennlinie des Transistors BC107
bei einer konstanten Kollektor-Emitter-Spannung von UCE = +5 V
UBE in mV 400
IB in µA
450
500
550
600
650 700 750 800
0,028 0,055 0,111 0,278 1,77 11
69
314 938
850
900
2056 3736
Aus Tabelle 7.1 lässt sich die Eingangskennlinie im doppelt-linearen Maßstab (links)
und im linear-logarithmischen Maßstab darstellen, wie Abb. 7.6 zeigt.
Abb. 7.6: Eingangskennlinie des Transistors BC107 im doppelt-linearen Maßstab (links)
und im linear-logarithmischen Maßstab
Man benötigt die Eingangskennlinie aus zwei Gründen in der analogen Schaltungstechnik:
● Die Kennlinie gibt Aufschluss über die Belastung bzw. das Ansteuerverhalten der
Signalquelle am Eingang der Transistorstufe.
● Man muss den zur Basis-Emitter-Spannung fließenden Basisstrom kennen, um die
Stromquelle dieser Signalerzeugung richtig zu berechnen und die erforderlichen
Bauelemente dimensionieren zu können.
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
471
Aus der Basis-Emitter-Spannung UBE und dem Basisstrom IB kann man den statischen
und den dynamischen Eingangswiderstand ermitteln mit
Rein =
U BE
IB
rein =
∆U BE
∆I B
Es wird zwischen dem Eingangswiderstand für reinen Gleichstrombetrieb und Signalstrom- bzw. Wechselstrombetrieb unterschieden.
Bei der Untersuchung der Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskennlinie lässt sich
der Kollektorstrom IC in Abhängigkeit des Basisstroms IB ermitteln. Bedingung ist hier,
dass die Kollektor-Emitter-Spannung UCE einen konstanten Wert für die Kennlinienaufnahme hat. Tabelle 7.2 zeigt die Werte für die statische Aufnahme der Steuerkennlinie bei Transistor BC107, wenn die Bedingung UCE = +5 V beträgt.
Tabelle 7.2: Werte für die statische Aufnahme der Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskennlinie des Transistors BC107 bei einer konstanten Kollektor-Emitter-Spannung von UCE = +5 V
UBE in mV
IB in µA
IC in mA
500
0,12
8µ
550
0,28
52 µ
600
1,77
360 µ
650
11
2,42
700
69
15
750
314
62
800
938
159
850
2056
292
900
3736
446
Aus Tabelle 7.2 lässt sich die Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskennlinie des Transistors BC107 bei UCE = +5 V im doppelt-linearen Maßstab darstellen, wie Abb. 7.7 zeigt.
Abb. 7.7: Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskennlinie des Transistors BC107 bei
einer konstanten Kollektor-Emitter-Spannung von UCE = +5 V im doppelt-linearen Maßstab
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7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors
Aus dieser Kennlinie lässt sich die Stromverstärkung des Transistors ermitteln. Dabei
unterscheidet man zwischen der
● statischen Stromverstärkung (Gleichstromverstärkung) mit
B=
I C 2 ,42mA
=
= 220
IB
11M A
● dynamischen Stromverstärkung (Wechselstromverstärkung) mit
B=
∆I C 15mA − 2 ,62mA
=
= 217
∆I B
69M A − 11M A
Da sich die statische und dynamische Stromverstärkung sehr ähnlich sind, denn die
Differenzen treten im Wesentlichen durch menschliche Messfehler und Messungenauigkeiten auf, gilt in der analogen Schaltungstechnik immer die Bedingung:
B≈β
Die Ausgangskennlinie stellt dagegen den Zusammenhang zwischen den beiden Ausgangsgrößen von Kollektorstrom IC und Kollektor-Emitter-Spannung UCE dar, wobei
entweder der Basisstrom IB oder die Basis-Emitter-Dioden-Spannung UBE auf einem
konstanten Wert gehalten wird. Statt einer Konstantspannungsquelle setzt man eine
Konstantstromquelle ein, wie Abb. 7.8 zeigt.
Abb. 7.8: Schaltung zur Untersuchung der Ausgangskennlinie
Für die Untersuchung der Ausgangskennlinie stellt man den Basisstrom IB auf einen
bestimmten Wert ein und erhöht dann die Ausgangsspannung. Tabelle 7.3 zeigt die
Einstellungen und die Messergebnisse.
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
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Tabelle 7.3: Einstellungen und Messergebnisse für die Untersuchung der Ausgangskennlinie
IB = 0,5 µA UCE in V 0,5
IC in µA 73
1
73
2
73
3
75
4
75
5
77
IB = 1 µA
UCE in V 0,5
IC in µA 194
1
195
2
197
3
200
4
202
5
206
IB = 1,5 µA UCE in V 0,5
IC in µA 324
1
326
2
330
3
335
4
338
5
344
IB = 2 µA
UCE in V 0,5
IC in µA 460
1
465
2
469
3
475
4
481
5
488
IB = 3 µA
UCE in V 0,5
IC in µA 740
1
744
2
754
3
764
4
774
5
784
IB = 4 µA
UCE in V 0,5
IC in µA 1027
1
1034
2
1047
3
1061
4
1074
5
1089
IB = 5 µA
UCE in V 0,5
IC in µA 1319
1
1338
2
1345
3
1363
4
1379
5
1398
Aus Tabelle 7.3 lässt sich die Ausgangskennlinie des Transistors BC107 im doppeltlinearen Maßstab darstellen, wie Abb. 7.9 zeigt.
Über die Ausgangskennlinie lässt sich der statische und dynamische Ausgangswiderstand berechnen mit
∆U CE
U
raus =
Raus = CE
∆I B
IB
Auf die Untersuchung der Rückwirkungskennlinie, die den Zusammenhang zwischen
UBE = f (UCE) mit IB = konstant darstellt, wird verzichtet, da diese Kennlinie keine praktische Bedeutung hat.
7.1.3 Dynamische Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors in
Emitterschaltung
Die dynamische Kennlinienaufnahme eines Transistors bedeutet für ein Simulationsprogramm sehr viel Rechenarbeit.
Abb. 7.10 zeigt die Prinzipschaltung zur dynamischen Kennlinienaufnahme eines npnoder pnp-Transistors in Emitterschaltung. Das Problem ist die gleichzeitige Änderung
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7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors
des Basisstroms IB und der Kollektor-Emitter-Spannung UCE. Für die Änderung des
Basisstroms in Stromstufen setzt man einen Treppenspannungsgenerator ein, der eine
stufenförmige Ausgangsspannung erzeugt. Je nach Ausgangsspannung stellt sich ein
bestimmter Basisstrom ein, der den nachfolgenden Transistor an seiner Basis ansteuert. Hierbei muss man zwischen npn- und pnp-Transistor unterscheiden, denn die
Spannungs- und Stromverhältnisse verhalten sich genau umgekehrt.
Abb. 7.9: Ausgangskennlinie des Transistors BC107
Abb. 7.10: Prinzipschaltung zur dynamischen Kennlinienaufnahme eines npn- oder pnpTransistors in Emitterschaltung
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
475
Während sich der Basisstrom stufenförmig ändert, wird durch eine Wechselspannungsquelle mit nachgeschaltetem Brückengleichrichter eine pulsierende Wechselspannung für die Aussteuerung der Kollektor-Emitter-Spannung erzeugt. Der Kollektorstrom errechnet sich aus
IC =
UY
RC
Mit einem Oszilloskop lässt sich nur über den Umweg der Spannungsmessung ein
Strom am Bildschirm darstellen. Die Spannung am Y-Eingang muss invertiert anliegen oder die Kennlinienschar der Ausgangskennlinie ist um 180° nach unten geklappt.
Dies gilt auch für den Basisstrom, der sich berechnet aus
IB =
U Tr
RB
Die Spannung UY ist mit dem Strom IC proportional und wird auf den negierten
Y-Eingang des Oszilloskops gegeben. Der Strom IC ist die Wirkung auf die KollektorEmitter-Spannung UCE. Entfernt man den Widerstand RC, wird der Elektronenstrahl
in Y-Richtung abgelenkt. Entfernt man den Widerstand RB, wird der Elektronenstrahl
dagegen in X-Richtung abgelenkt.
Abb. 7.11: Simulationsschaltung zur dynamischen Kennlinienaufnahme eines npn-Transistors
Zur Realisierung eines simulierten Kennlinienschreibers für einen npn-Transistor verwendet man die Schaltung von Abb. 7.11.
Mit der Schaltung von Abb. 7.12 lässt sch die Stromsteuerkennlinie IC = f (IB) durchführen. Aus dieser Kennlinie lässt sich erkennen, wie sich der Kollektorstrom bei unterschiedlichem Basisstrom ändert. Um diese Kennlinienaufnahme durchführen zu
können, muss der Funktionsgenerator eine Wechselspannung erzeugen, die über den
476
7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors
Kondensator eingekoppelt wird. Dadurch entsteht eine Mischspannung, die auf den
X-Eingang des Oszilloskops gegeben wird. Dazu ist die Konstantspannungsquelle an
der Basis des Transistors erforderlich. Durch die sinusförmige Wechselspannung fließt
ein sich ändernder Basisstrom und damit ändert sich auch der Kollektorstrom. Während der Basisstrom in der Größenordnung zwischen 0 und 100 µA differiert, ergibt
sich ein entsprechend großer Kollektorstrom.
Abb. 7.12: Untersuchung der IC-IB-Kennlinie eines npn-Transistors
Über den Widerstand zwischen Konstantspannungsquelle und Masse misst man den
Kollektorstrom IC, der als Spannungswert durch den Operationsverstärker invertiert auf
den Y-Eingang gegeben wird. Das Oszillogramm zeigt den typischen Verlauf der Stromsteuerkennlinie des BC107, also eine nahezu gerade Linie, d. h., der Kollektorstrom IC ist
dem Basisstrom IB annähernd proportional. Die Stromverstärkung β ist der Quotient aus
der Kollektorstromänderung ∆IC und der diese Änderung bewirkenden Basisstromänderung ∆IB. Damit ergibt sich eine entsprechende Neigung der Kennlinie.
7.1.4 Untersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-Transistors
Jeder Transistor hat Kenngrößen und Kennwerte. Ein Kennwert, in den Datenbüchern
auch als Messwert bezeichnet, ist der Wert einer am Transistor elektrisch oder wärme-
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
477
mäßig messbaren, ihn charakterisierenden Größe, also als Kenngröße definierte Größe. Der einzeln angegebene Kennwert stellt immer nur einen Mittelwert dar. In der
Praxis hat man einen Streubereich und innerhalb diesem befinden sich die Werte der
Kenngröße unter bestimmten Bedingungen für diesen Transistortyp. Häufig begnügt
man sich, falls dies sinnvoll ist, auch nur mit der Angabe des Streubereichs mit seinen
minimalen bzw. maximalen Werten. In diesem Streubereich befindet sich dann der
Verlauf der Kennlinie.
Die Kennwerte bzw. die hier zugrunde liegenden Kenngrößen lassen sich im Wesentlichen in Gruppen zusammenfassen:
● Signalkenngrößen (Signalkennwerte, Wechselstrommesswerte): Hierbei handelt es
sich um Kenngrößen, die das Verhältnis zweier Signalgrößen zueinander angeben,
also des Signalstroms und einer Signalspannung, zweier Signalströme oder zweier
Signalspannungen.
● Gleichstromkenngrößen und Gleichstromkennwerte (Gleichstrommesswerte oder
auch statische Kennwerte bzw. statische Kenngrößen): Diese Werte lassen sich entweder durch Gleichströme bzw. durch Gleichspannungen unmittelbar darstellen,
oder es handelt sich um das Verhältnis zweier dieser Größen zueinander.
● Erwärmungskenngrößen: Es handelt sich um Größen, die die Temperaturabhängigkeit und die Wärmeabgabe des Bauelements betreffen.
● Frequenzkenngrößen: Sie geben die Signalfrequenz an, für die eine bestimmte
Eigenschaft einer Transistorgrundschaltung auf ein feststehendes Maß (Transitfrequenz v = 1) abgesunken ist.
● Rauschkenngrößen: Sie sind zunächst nur durch einen einzigen Kennwert vertreten, nämlich durch die Rauschzahl bzw. den Rauschfaktor.
Bei der Betrachtung dieser Kenngrößen ist zu beachten, dass in den Datenblättern, die
die Kenngrößen beinhalten, oft in gleicher Weise auch die entsprechenden Einstellwerte angegeben sind. Hierunter sind die Werte zu verstehen, für die die angegebenen
Kennwerte gelten. Einstellwerte sind z. B. die Kollektor-Emitter-Gleichspannung UCE
und der Kollektorruhestrom IC.
Für die statische Untersuchung des npn-Transistors BC239 benötigt man eine Konstantstromquelle, die den Basisstrom IB erzeugt, wie die Schaltung (Abb. 7.13) zeigt.
Durch den Transistor wird der Basisstrom IB verstärkt und es ergibt sich ein bestimmter Kollektorstrom IC, der an dem Kollektor-, Last- bzw. Arbeitswiderstand einen bestimmten Spannungsfall erzeugt. Dieser Spannungsfall errechnet sich aus
UR = IC ⋅ RC
Entsprechend entsteht an dem Transistor zwischen dem Kollektor- und dem Emitteranschluss die Spannung UCE. Addiert man UR und UCE, muss sich die Betriebsspannung ergeben, wie die Spannungswerte in der Schaltung von Abb. 7.13 zeigen.
Um mit einem Ausgangskennlinienfeld arbeiten zu können, benötigt man zwei maximale Werte. In der Praxis hat man hierzu die Betriebsspannung +UB und den maximalen Kollektorstrom IC. Trägt man diese beiden Werte als Punkte in das Kennlinienfeld
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7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors
ein und verbindet diese beiden Punkte mit einer Geraden, erhält man die Arbeitsgerade oder Widerstandsgerade für den Betrieb eines Transistors. Der maximale Kollektorstrom IC errechnet sich aus
I Cmax =
+U B
15V
=
= 75mA
RC
200Ω
Abb. 7.13: Schaltung zur statischen Untersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-Transistors
Trägt man den Kollektorstrom IC und die Kollektor-Emitter-Spannung UCE in das Ausgangskennlinienfeld ein, lässt sich auf der Arbeitsgeraden ein Arbeitspunkt definieren.
Abb. 7.14 zeigt das Ausgangskennlinienfeld des BC239 mit dem Arbeitspunkt AP.
Vergleicht man die Messergebnisse der Simulation mit dem Ausgangskennlinienfeld
des BC239, ergeben sich geringfügige Unterschiede am Arbeitspunkt AP.
Dieses Wertepaar von der Kollektor-Emitter-Spannung UCE und dem Kollektorstrom IC
fasst man unter der Bezeichnung „Arbeitspunkt“ zusammen, da hiermit z. B. im Kollektorstrom/Kollektor-Emitter-Spannungs-Kennlinienfeld ein bestimmter Punkt festgelegt ist. Man könnte zum Arbeitspunkt außer UCE und IC auch die Basis-EmitterSpannung UBE und schließlich hierzu noch den Basisstrom IB einbeziehen. Wegen der
Temperaturabhängigkeit der Transistoreigenschaften geschieht das nicht. Wie später
noch erklärt wird, strebt man an, den mit dem Kollektorstrom IC bei gegebener Kollektor-Emitter-Spannung UCE bestimmten Arbeitspunkt durch passende Veränderungen
des Werts der Basis-Emitter-Spannung UBE festzuhalten und damit ergibt sich für die
Praxis der optimale Verstärkerbetrieb.
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
479
Abb. 7.14: Ausgangskennlinienfeld des BC239 mit dem Arbeitspunkt AP für die
Messergebnisse von Schaltung 7.13
Zu einem mit UCE und IC gegebenen Arbeitspunkt gehören im Allgemeinen einigermaßen konstante Signalkennwerte, unabhängig davon, ob die Sperrschichttemperatur
tatsächlich, wie für Kennwertangaben vorausgesetzt, 25 °C beträgt, oder ob bei geringen Abweichungen von den 25 °C durch passende Änderungen von UBE bzw. von IB der
Wert des Arbeitspunkts von dem Kollektorstrom IC festgehalten wird.
Im Arbeitspunkt AP ergibt sich eine Stromverstärkung von
I
40mA
= 400
B= C =
I B 100M A
Im Datenblatt (Tabelle 7.4) sind folgende Werte für das Kollektor-Basis-Gleichstromverhältnis hFE bei UCE = 5 V und IC = 2 mA vorhanden:
Tabelle 7.4: Werte für das Kollektor-Basis-Gleichstromverhältnis
Gruppe A:
Gruppe B:
Gruppe C:
Min.
110
200
420
Typ.
180
290
520
Max.
222
450
800
Es ergeben sich erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen, wobei man
noch zwischen den Spezifikationen unterscheiden muss.
480
7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors
7.1.5 Untersuchung der Verstärkerwirkung eines pnp-Transistors
Durch den unterschiedlichen Aufbau der Halbleiterschichten eines pnp-Transistors zu
einem npn-Typ, sind für den Betrieb und die Ansteuerung andere Spannungspotentiale erforderlich.
Abb. 7.15: Schaltung zur statischen Untersuchung der Verstärkerwirkung eines
pnp-Transistors
Der BC212 ist ein pnp-Transistor für den Betrieb von Treibern und Endstufen. Der
maximale Kollektorstrom errechnet sich aus
− I Cmax =
−U B −3V
=
= −400mA
7 ,5Ω
RC
Trägt man die Betriebsspannung –UB und den maximalen Kollektorstrom IC in das
Datenblatt des BC212 ein, erhält man Abb. 7.16.
Im Arbeitspunkt AP ergibt sich eine Stromverstärkung von
B=
I C 225mA
=
= 112 ,5
IB
1mA
Im Datenblatt (Tabelle 7.5) sind folgende Werte für das Kollektor-Basis-Gleichstromverhältnis hFE bei –UCE = 1 V und –IC = 100 mA vorhanden:
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
481
Abb. 7.16: Ausgangskennlinienfeld des BC212 mit dem Arbeitspunkt AP für die Messergebnisse der Schaltung aus Abb. 7.15
Tabelle 7.5: Werte für das Kollektor-Basis-Gleichstromverhältnis
Min.
Max.
Gruppe 10:
67
150
Gruppe 16:
106
236
Gruppe 25:
170
373
Gruppe 40:
265
600
Es ergeben sich erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen.
7.1.6 Emittergrundschaltung eines npn-Transistors
Anhand der bisherigen Betrachtungen über die Transistorschaltungen muss man den
Eindruck gewinnen, dass es nur eine grundsätzliche Schaltungsvariante gibt. In der
praktischen Schaltungstechnik unterscheidet man zwischen
● Emitterschaltung, bei der der Emitteranschluss des Transistors entweder direkt
oder über einen niederohmigen Widerstand mit Masse verbunden ist.
● Kollektorschaltung, bei der der Kollektoranschluss des Transistors entweder direkt
oder über einen niederohmigen Widerstand mit der Betriebsspannung verbunden
ist.
482
7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors
● Basisschaltung, bei der der Basisanschluss des Transistors entweder mit der Betriebsspannung oder mit Masse verbunden ist.
Jede dieser drei Schaltungen hat in der analogen bzw. digitalen Schaltungstechnik entsprechende Vor- und Nachteile. Etwa 98 % aller Transistorschaltungen basieren auf
der Emitterschaltung, bei etwa 1,5 % verwendet man die Kollektorschaltung und nur
in 0,5 % aller Fälle setzt man die Basisschaltung ein.
Abb. 7.17: Schaltung zur Untersuchung der Emittergrundschaltung mit einem npn-Transistor
Mithilfe der Schaltung von Abb. 7.17 lassen sich mehrere Signalkenngrößen für die
Emittergrundschaltung eines npn-Transistors untersuchen. Der Eingangswiderstand
der Emitterschaltung lässt sich berechnen aus
Rein =
U BE 747mV
=
= 7 ,47kΩ
IB
100M A
Erhöht man den Wert der Konstantstromquelle auf IB = 150 µA, reduziert sich der
Eingangswiderstand auf
Rein =
U BE 768mV
=
= 5,12kΩ
150M A
IB
Der statische Eingangswiderstand Rein einer Emittergrundschaltung stellt keinen konstanten Wert dar, sondern muss für jeden Basisstrom separat bestimmt werden.
Der Ausgangswiderstand Raus errechnet sich aus
Raus =
U CE
8 ,47V
=
= 260Ω
32 ,6mA
IC
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
483
Erhöht man den Wert der Konstantstromquelle auf IB = 150 µA, reduziert sich der
Ausgangswiderstand Raus auf
Raus =
U CE
5,96V
=
= 132Ω
IC
45,2mA
Der statische Ausgangswiderstand einer Emittergrundschaltung stellt keinen konstanten Wert dar, sondern muss für jeden Basisstrom separat bestimmt werden.
Aus dem Verhältnis von Kollektorstrom IC und Basisstrom IB lässt sich die statische
Stromverstärkung berechnen mit
B=
I C 32 ,6mA
=
= 326
I B 100M A
Die Stromverstärkung B ändert sich nur geringfügig, wenn man z. B. den Basisstrom
auf IB = 150 µA erhöht. In der Verstärkertechnik bezeichnet man den Stromverstärkungsfaktor mit vI. Bei einem Eingangsstrom von IB = 100 µA stellt sich eine BasisEmitter-Spannung von UBE = 0,747 V ein. Damit ergibt sich eine Kollektor-EmitterSpannung von UCE = 8,47 V. Die Spannungsverstärkung einer Emittergrundschaltung
berechnet sich aus
vU =
U CE
8 ,47V
=
= 11,3
U BE 0 ,747V
Die Leistungsverstärkung ist dann
v P = v I ⋅ vU = 326 ⋅ 11,3 = 3696
Die Stromverstärkung einer Emittergrundschaltung ist hoch, die Spannungsverstärkung dagegen liegt im mittleren Bereich und es ergibt sich eine relativ hohe Leistungsverstärkung. Die einzelnen Spezifikationen sind im Vergleich mit den beiden anderen
Grundschaltungen zu betrachten.
7.1.7 Kollektorgrundschaltung eines npn-Transistors
Bei der Kollektorgrundschaltung mit npn-Transistor verbindet man den Kollektor des
Transistors direkt mit der Betriebsspannung, während der Arbeitswiderstand zwischen
Emitteranschluss und Masse eingeschaltet ist.
Mithilfe der Schaltung von Abb. 7.18 lassen sich mehrere Signalkenngrößen untersuchen. Der Eingangswiderstand der Kollektorschaltung lässt sich berechnen aus
Rein =
U CB
4 ,6V
=
= 46kΩ
IB
100M A
484
7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors
Abb. 7.18: Schaltung zur Untersuchung der Kollektorgrundschaltung mit einem
npn-Transistor
Erhöht man den Wert der Konstantstromquelle auf IB = 150 µA, reduziert sich der
Eingangswiderstand auf
Rein =
U CB 2 ,19V
=
= 14 ,6kΩ
IB
150M A
Der statische Eingangswiderstand einer Kollektorgrundschaltung stellt keinen konstanten Wert dar, sondern muss für jeden Basisstrom separat bestimmt werden.
Unter der Annahme IC = IE errechnet sich der Ausgangswiderstand mit
Raus =
UR
6 ,67V
=
= 200Ω
I E 33,2mA
Für den Ausgangswiderstand einer Kollektorgrundschaltung gilt:
Raus = RE
Erhöht man den Wert der Konstantstromquelle auf IB = 150 µA, vergrößert sich der
Kollektorstrom auf IC = 45,1 mA und der Spannungsfall an dem Emitterwiderstand
steigt auf UR = 9,04 V an, aber der Ausgangswiderstand bleibt weitgehend konstant.
Aus dem Verhältnis von Kollektorstrom IC und Basisstrom IB lässt sich die Stromverstärkung berechnen mit
B=
I C 33,2mA
=
= 336
I B 100M A
7.1 Aufbau, Herstellung und Bezeichnungen
485
Die Stromverstärkung B ändert sich nur geringfügig, wenn man z. B. den Basisstrom auf
IB = 150 µA erhöht. In der Verstärkertechnik bezeichnet man den Stromverstärkungsfaktor mit vI. Bei einem Eingangsstrom von IB = 100 µA stellt sich eine Basis-EmitterSpannung von UBE = 0,747 V ein. Da die Eingangsspannung U1 zwischen der Basis und
Masse liegt, stellt sich ein Spannungswert von 7,4 V ein. Die Ausgangsspannung U2 wird
am Emitterwiderstand abgegriffen und beträgt U2 = 6,65 V, d. h., die Spannungsverstärkung bei einer Kollektorgrundschaltung ist vU < 1. Für die Messschaltung gilt:
vU =
U 2 6 ,65V
=
= 0 ,9
U1 7 ,4V
Die Leistungsverstärkung ist
v P = v I ⋅ vU = 332 ⋅ 0 ,9 = 299
Die Stromverstärkung einer Emittergrundschaltung ist hoch, die Spannungsverstärkung dagegen liegt unter 1 und es ergibt sich eine mittlere Leistungsverstärkung. Die
einzelnen Spezifikationen sind im Vergleich mit den beiden anderen Grundschaltungen zu betrachten.
7.1.8 Basisgrundschaltung eines npn-Transistors
Bei der Basisgrundschaltung wird die Basis signalmäßig mit Masse verbunden. Der
Arbeitswiderstand befindet sich zwischen dem Kollektoranschluss des Transistors und
der Betriebsspannung. Beim Anschluss der Konstantstromquelle muss eine andere Polarität gewählt werden, damit die Basis-Emitter-Spannung von UBE ≈ 0,7 V erreicht
wird, d. h., der Anschluss des Emitters muss ein negatives Potential aufweisen.
Abb. 7.19: Schaltung zur Untersuchung der Basisgrundschaltung mit einem npn-Transistor