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Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Transistor << Transfer Resistor FET Unipolarer Feldeffekt-Transistor BJT Bipolarer (Sperrschicht-) Transistor Zonenfolge PNP oder NPN ƒ1 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren: Aufbau und Wirkungsweise Emitter e, Basis b und Kollektor c be PN Emitter-Diode in Durchlassrichtung ⇒ verengte Sperrschicht) bc PN-Übergang gebildete Kollektor-Diode in Sperrichtung ⇒ aufgeweitete Sperrschicht durch Verarmung an Majoritätsladungsträgern I e = I en + I ep , I en >> I ep I c = I cn + I cp , I cn >> I cp I b = I ep + I rec ! I cp I b << I c , I b << I e , BJT ⇒ Stromgesteuerter Stromgenerator Stromverstärkung ⇒ aktives Bauelement Ie ! Ic Ic = B ! 100 …1000 Ib ƒ2 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren: Aufbau und Wirkungsweise Diodenersatzschaltbild Basiszone b sehr dünn ≈ 10µm und niedrig dotiert ⇒ niedrige o Majoritätsladungsträgerdichte Historisch Spitzentransistor, Metall-Halbleiter Schottky Dioden ⇒ Schaltsymbol Planartransistor NPN ⇔ PNP N⇔P • ⇔ o U ⇔ -U I ⇔ -I Diskreter Transistor ⇒ Transistor in IC e ≠ c Emitterzone wesentlich höher dotiert ⇒ niedrige max. Sperrspannung ƒ3 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren: Aufbau und Wirkungsweise Vom Kollektor muss hohe Verlustleistung abgeführt werden 4 Betriebsbereiche: 1. Sperrbereich (Cut off region) be und bc Diode in Sperrrichtung Schalterbetrieb: AUS Zustand 2. Verstärkerbereich (Active region) be Durchlass-, bc Diode Sperrrichtung 3. Sättigungsbereich (Saturation region) be und bc Diode in Durchlassrichtung EIN Zustand 4. Inverser Verstärkerbereich (Inverse active region) be Sperr-, bc Diode Durchlassrichtung ƒ4 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren: Grundschaltungen Bepfeilung eines diskreten BJT, von aussen zugängliche U und I: Knotenregel: I e = Ib + I c Maschenregel: U ce = U cb + U be 6 → 4 Größen, 3 Möglichkeiten Transistor (3-Pol) auf 4-Pol zu ergänzen: Emitter-, Basis- und Kollektor-Grundschaltung Common Emitter, Base, Collector Circuit ƒ5 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Emittergrundschaltung Bipolare Transistoren: Kennlinien U ce ! I c ! U be ! I b ƒ6 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren: Kennlinien Emittergrundschaltung I. Ausgangskennlinie I c = f I (U ce ) Ib II. Stromübertragungskennlinie I c = f II ( I b ) U ce III. Eingangskennlinie U be = f III ( I b ) U ce IV. Spannungsrückwirkungskennlinie U be = f IV (U ce ) Ib Mit Arbeitswiderstand ƒ7 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren: Kennlinien Projektion eines sinusförmigen Eingangsstromverlaufes auf die Ausgangsseite: Ic = I R c Uce = U0 ! U R c Arbeitspunkt A Ic , U ce Kleinsignalverstärker Bereich 2 Schalter Bereich 1↔3 ƒ8 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Arbeitspunktstabilisierung Arbeitspunkteinstellung mit Basisvorwiderstand Arbeitspunkteinstellung: R1 ! U 0 / Ib , Ube << U 0 ƒ9 Bipolare Transistoren; Arbeitspunktstabilisierung Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Thermische Stabilisierung des Arbeitspunktes Tj !" #Ube $ %Ube %Tj = &(2…3) mV/°C Ib Tj !" #Icb0 ! Tj /10°C Icb0 $ 1nA•2 ƒ10 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Arbeitspunktstabilisierung Arbeitspunkteinstellung mit Basisvorwiderstand ƒ11 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Arbeitspunktstabilisierung Arbeitspunkteinstellung mit Basisvorwiderstand; Aufhebung der Gegenkopplung für Wechselstrom ƒ12 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Arbeitspunktstabilisierung Standard-Stabilisierungsschaltung („Spannungsgegenkopplung“) Arbeitspunkteinstellung: Ic = I R c Uce = U0 ! U R ! U R c e U R " U R " Uce " U0 / 3 c e I c = 10 mA Ib = I c / B !!!! B = 100 I = U0 ( R1 + R2 ) " 10 Ib = 1mA R2 R1 + R2 "1/3 Ube << Ue # U1 " Ue ƒ13 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Grenz- und Kennwerte Durchbruchspannungen der gesperrten PN Übergänge I cb 0 < I ceR < I ce 0 U cb 0 † > +U ceR † > U ce 0 † Ucb0† = 30!V…>!1!kV , Ueb0† = 4!…6!V. ƒ14 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Grenz- und Kennwerte Durchbruchspannungen der gesperrten PN Übergänge Ucb ! Uce PV ! Uce I c (+Ube Ib ) ! ! Ucb I c (+Ube I c ) TS max für Si Transistoren ca. 175 °C !T = TS " TU = = PV RTSU ƒ15 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Grenz- und Kennwerte Kühlkörperdimensionierung !T = TS " TU = PV RTSU Ohne RTSU = RTSG + RTGU mit Kühlkörper RTSU = RTSG + RTGK + RTKU RTGK + RTKU << RTGU ƒ16 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Grenz- und Kennwerte Kühlkörperdimensionierung PVmax in ruhender Luft von 25°C = 2 W PVmax Gehäuse auf 25°C = 100 W PV > 2 W ! Kühlung bzw. Kühlkörper PV < 100 W ! Transistor O.K. TSmax = 150°C RTSG = 1,8°C/W RTGK = 1,7°C/W (Kollektorisolierung) ! "TSmax = Tsmax – TU = 150ºC – 55ºC = 95ºC = PVRTSU = 18W•RTSU ! RTSU = 95/18!ºC/W = 5,3ºC/W ! RTKU = RTSU - RTSG - RTGK = = 5,3°C/W - 1,8°C/W -1,7°C/W = 1,8°C/W ƒ17 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Der Transistor als linearer Vierpol Emittergrundschaltung Kennlinienfeld U ce ! I c ! U be ! I b Für hinreichend kleine Spannungs- bzw. Stromänderungen (Wechselspannungen und -ströme kleiner Amplitude) kann der Transistor als linearer Vierpol beschrieben werden. Funktionaler Zusammenhang, der durch die Eingangs- (III) und Ausgangskennlinien (I) des Transitors gegeben ist: ƒ18 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Der Transistor als linearer Vierpol U be = FIII ( Ib ,U ce ) I c = FI (I b ,U ce ) Totales Differential: Die als Faktoren auftretenden partiellen Ableitungen sind nichts anderes als die Steigungen der Tangenten der Kennlinien im betrachteten Arbeitspunkt: dU be !U be !U be = dI b + dU ce !I b !U ce !I c dI c = dI b !I b !U be = tan " = h11 , !I b !U be = tan # = h12 !U ce !I c = tan " = h21 , !I b !I c = tan # = h22 !U ce !I c + dU ce !U ce hij Hybridparameter ƒ19 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Der Transistor als linearer Vierpol Was für die totalen Differentiale exakt gilt, gilt für hinreichend kleine Differenzen in sehr guter Näherung. Die kleinen Differenzen können wir auch als zeitabhängige Wechselspannungen und Ströme interpretieren. dU be ! "U be = ube = u1 dI c ! "I c dI b ! "I b = ic = i2 = ib = i1 dU ce ! "U ce = u ce = u2 ube = h11 ib + h12 uce ic ! = h21 ib + h22 uce ube ib max max << U be , << I b , ic u ce max max << I c << U ce Voraussetzung für die Behandlung des Transistors als linearer Vierpol ƒ20 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Der Transistor als linearer Vierpol Dargestellt sind nur die Wechselgrößen (Wechselspannungen und -ströme); die Gleichgrößen und die Maßnahmen zur Einstellung des Arbeitspunktes sind getrennt zu betrachten. ƒ21 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Der Transistor als linearer Vierpol Für harmonische Größen (sinusförmige Zeitabhängigkeiten) können wir wieder die komplexe Schreibweise einführen. ube = h11 ib + h12 uce ic ! = h21 ib + h22 uce ube = u1 (t) = Re U! 1 i = i (t) = Re I! c 2 2 ib ! = i1 (t) = Re I!1 u = u (t) = Re U! ce 2 Vollständige Beschreibung des Kleinsignalverhaltens eines Transistors 2 U˜ 1 = h11 I˜1 + h12U˜ 2 I˜ = h I˜ + h U˜ 2 21 1 22 2 ƒ22 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl ube = h11 ib + h12 u ce ic = h21 ib + h22 u ce Der Transistor als linearer Vierpol U˜ 1 = h11 I˜1 + h12U˜ 2 I˜ = h I˜ + h U˜ 2 21 1 22 2 ƒ23 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Kleinsignalersatzschaltbild Die Hybridparameter können auch als lineare Bauelemente in einem Ersatzschaltbild des Transistors dargestellt werden. Das folgende Ersatzschaltbild gilt für kleine Wechselstromsignale mit hinreichend niedriger Frequenz (NF-Ersatzschaltbild). ube = h11 ib + h12 uce ic ! = h21 ib + h22 uce U˜ 1 = h11 I˜1 + h12U˜ 2 I˜ = h I˜ + h U˜ 2 21 1 22 2 hije hijc hijb ƒ24 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl BJT Kleinsignal-Ersatzschaltbild Die Messvorschriften für die Messung der Hybridparameter für die Emitterschaltung folgen direkt aus den Vierpolgleichungen, durch die die Parameter definiert wurden. hije , hijc , hijb hije ! z ije ! y ije ! a ije Die Spannungsrückwirkung h12e ist so klein, dass sie fast immer vernachlässigt werden kann. ƒ25 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Verstärkerstufe Emittergrundschaltung Es ist zweckmäßig, die Arbeitspunkteinstellung (Gleichspannungs-, Gleichstromeinstellung) bzw. das Gleichstromverhalten getrennt vom Wechselstromverhalten zu betrachten. Wechselstrom-Ersatzschaltbild Vollständiges Ersatzschaltbild ƒ26 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Verstärkerstufe Kollektorgrundschaltung Es kann für alle drei Grundschaltungen, die gleiche Arbeitspunkt-Stabilisierungsschaltung verwendet werden. Es ist allerdings zu beachten, dass die für die Arbeitspunkteinstellung und Stabilisierung erforderlichen Widerstände auch im Wechselspannungs-Ersatzschaltbild zu berücksichtigen sind. Wechselstrom-Ersatzschaltbild Vollständiges Ersatzschaltbild Emitterfolger ƒ27 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Abhängigkeiten der Transistorparameter 1. Typenabhängigkeit Allzwecktransistoren, Vorstufen- und Endstufentransistoren, HF Transistoren. 2. Exemplarstreuung Transistoren weisen technologiebedingt eine hohe Streuung der Parameter auf. 3. Arbeitspunkt Die Transistorparameter sind vom eingestellten Arbeitspunkt abhängig. 4. Sperrschicht-Temperatur Alle Parameter weisen eine starke Abhängigkeit von der Sperrschichttemperatur auf. 5. Arbeitsfrequenz Die Vierpolparameter weisen bei höheren Frequenzen eine starke Frequenzabhängigkeit auf. Die Stromverstärkung kann durch die ArbeitspunktEinstellung verändert werden. Regeltransistor ƒ28 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Einfache Schaltungen Standard-Stabilisierungsschaltung = Vorverstärkerstufe Die Dimensionierung der Emitter-Parallelkapazität Ce erfolgt so groß, dass sie für alle betrachteten Wechselstromfrequenzen den Emitterwiderstand Re praktisch kurzschließt. 1 j! Ce << Re ƒ29 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Einfache Schaltungen Standard-Stabilisierungsschaltung = Vorverstärkerstufe Für den Eingangs- und Ausgangswechselstromwiderstand der Schaltung gilt: r1 = R1 ||R2 ||h11 e r2 = Rc ||(1 / h22 e ) wobei h11e häufig auch als Basisbahnwiderstand rbe und 1/h22e als Kollektorinnenwiderstand rce bezeichnet wird. Typische Werte sind h11e = rbe ≈ 200 Ω , 1/h22e = rce ≈ 15 kΩ. Die Stromverstärkung gi und die Spannungsverstärkung gu ist definiert als die Leistungsverstärkung gi = i2 / i1 , gu = u2 / u1 g p = p2 / p1 = u2 i2 / u1 i1 = gi gu Die Phasendrehung zwischen Ausgang und Eingang beträgt 180°. ƒ30 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Einfache Schaltungen Emitterfolger Bei der Kollektor-Grundschaltung folgt die Ausgangsspannung u2 bei Änderung der Eingangsspannung u1 direkt dem Verlauf der Eingangsspan-nung, da die Basis-Emitterspannung praktisch konstand ist. (Die Diodendurchlass-Kniespannung für be Si-Dioden ist ca. 0,5 V). ƒ31 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Einfache Schaltungen Emitterfolger Es gilt u2 = u1 , die Spannungsverstärkung ist identisch gleich 1. Der Emitterwiderstand erscheint eingangsseitig um den Stromverstärkungsfaktor β erhöht, da bei gleicher Wechselspannung durch den Widerstand Re der Emitterstrom, in die Basis jedoch nur der um β geringere Basisstrom fliesst. ie = ic + ib = ( ! + 1) ib " ! ib , rein = rbe + ( ! + 1) Re " ! Re Der Emitterfolger fungiert als Impedanzwandler, er macht aus einer hochohmigen, gering belastbaren Spannungsquelle, eine niederohmige, mit hohen Strömen belastbare Spannungsquelle. Für den Eingangs- und Ausgangswechselstromwiderstand der Kollektor-Grundschaltung gilt: r1 = R1 ||R2 ||rein ! R1 ||R2 ||" Re r2 = Re ||#$ rbe / (1 + " ) %& ! rbe / " Die Phasendrehung zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung beträgt 0°. ƒ32 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Einfache Schaltungen Konstantspannungsquelle Die Zener-Diodenschaltung zur Erzeugung einer stabilisierten Gleichspannung hat den Nachteil, dass die so erzeugte Gleichspannung nur gering belastbar ist. Man kann die Impedanzwandler-Eigenschaft der Emitterschaltung zur Erzeugung einer hochbelastbaren, stabilisierten Spannungsquelle nutzen. U= = Uref ! Ube " Uref ! 0,5V ƒ33 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Einfache Schaltungen Konstantstromquelle Zur Erzeugung eines eingeprägten Stromes wird sehr häufig diese Schaltung verwendet. Dabei nützt man den hochohmigen differentiellen Kollektorinnenwiderstand (rce = 1/h22e ≈ 15 kΩ) als Quellenwiderstand. ƒ34 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Einfache Schaltungen Darlington Schaltung Bei der Darlington-Schaltung wird die Basis des ersten Transistors T1 direkt vom Emitter des zweiten Transistors T2 gespeist. Die Schaltung zeichnet sich durch eine extrem hohe Stromverstärkung β aus, die sich aus dem Produkt der beiden Einzelstromverstärkungen β2β1 ableitet. Beispiel: die Verwendung als Emitterfolger. ie1 = (1 + !1 ) ib1 " ib1 = ie 2 " ie 2 = (1 + !2 ) ib 2 ie1 = (1 + !1 )(1 + !2 ) ib 2 # !1 !2 ib 2 rein = rbe 2 + (1 + !2 ) $% rbe1 + (1 + !1 ) Re &' # !2 !1 Re ƒ35 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Bipolare Transistoren; Einfache Schaltungen Der BJT als Schalter Wir verlassen nun die Voraussetzungen des Kleinsignalverhaltens und betrachten die Verwendung des Transistors als elektronischer Schalter. Dabei wird der volle Aussteuerungsbereich genützt, der Transistor wird zwischen den Extrembereichen 3 (EIN Zustand, BJT durchgeschaltet) und 1 (AUS Zustand, BJT abgeschaltet) im Ausgangskennlinienfeld hin- und hergeschaltet. Beispiel: Arbeitswiderstand = Glühlampe Es gilt für den AUS Zustand U1 = 0 ! Ib = 0 ! I c " 0 ! Uce " U0 und für den EIN Zustand U1 > 0 ! Ib = U1 " Ube R1 ! Ic = U0 " Uce Rc # U0 Rc , Uce # 0 Die rechte Seite der Gleichung gilt dabei nur unter der Voraussetzung, dass der BJT wirklich voll durchgeschaltet ist, d. h. I c ! BIb ƒ36 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Unipolare Transistoren - Feldeffekttransistoren FET Bei unipolaren Transistoren erfolgt die Steuerung des Stromes durch den Halbleiter leistungslos über ein elektrisches Feld. Man spricht daher auch von Feldeffekt-Transistoren (FET). Sperrschicht- (Junction resp. J-) FET Metall-Oxid-(Metal Oxide Semiconducter resp. MOS-) FET Die Anschlüsse des FETs werden Source, Gate und Drain genannt. Im normalen Betriebsspannungsbereich ist der PN-Übergang in Sperrrichtung gepolt. Je negativer die Gate-Source Spannung, umso breiter ist die Sperrzone und die Einengung des leitenden Drain-Source Kanals. Bei einer hinreichend hohen Spannung (Pinch Off Spannung, einige Volt) kommt es zu einer vollständigen Abschnürung des Stromflusses durch die dann über den ganzen Kanalquerschnitt reichende Sperr(= weitgehend ladungsträgerfreie)-Zone. ƒ37 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Unipolare Transistoren – Feldeffekttransistoren FET Sperrschicht- (Junction resp. J-) FET N-Kanal Der FET kann als eine spannungsgesteuerte Stromquelle aufgefasst werden. Die wichtigste dynamische Kenngröße des FET ist die sog. Steilheit: !I d S= !U gs Uds mA/V ƒ38 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Unipolare Transistoren – Feldeffekttransistoren FET Sperrschicht- (Junction resp. J-) FET N-Kanal Steuer- und Ausgangskennlinien eines FET in SourceGrundschaltung. J-FET sind immer vom selbstleitenden Typ, während MOS-FETs auch vom selbstsperrenden Typ sein können. ƒ39 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Unipolare Transistoren – Feldeffekttransistoren FET Arbeitspunkteinstellung beim Sperrschicht- (Junction resp. J-) FET N-Kanal Da R1 praktisch gleichstromlos ist, gilt U gs = !U R2 = !I d R2 R1 wird typischerweise gleich 1 MΩ gewählt. Neben der Source-Grundschaltung wird der FET auch in DrainGrundschaltung (Source-Folger) verwendet. ƒ40 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Unipolare Transistoren – Feldeffekttransistoren FET J-FET Kleinsignalersatzschaltbild Für den Eingangsstrom i1 und die Spannungsverstärkung gu gilt u2 i1 ! 0!!!!!! gu = = "S(rds ! RL ) u1 wobei rds der differentielle Drain-Source Widerstand ist. ƒ41 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Unipolare Transistoren – Feldeffekttransistoren FET Metalloxid-Feldeffekttransistoren MOS-FET Die metallische Gate Elektrode ist vollständig durch eine dünne SiO2 (Quarzglas)-Schicht vom Kanal isoliert. Man unterscheidet - abgesehen von einer P oder N-Kanal Version - den Drosselungs (Depletion) Typ und den Anreicherungs (Enhancement) Typ. ƒ42 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Unipolare Transistoren – Feldeffekttransistoren FET Metalloxid-Feldeffekttransistoren MOS-FET Man unterscheidet - abgesehen von einer P oder N-Kanal Version den Drosselungs (Depletion) Typ und den Anreicherungs (Enhancement) Typ. ƒ43 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Unipolare Transistoren – Feldeffekttransistoren FET Schaltsymbole für FET ƒ44 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl 1947: 1. Transistor Bell Labs Geschichte des Transistors 2001: Pentium IV: 50 Millionen Transistoren Intel 2016: 3 Milliarden Transistoren, 30 GHz, 128 GB RAM ƒ45 Grundlagen der Elektronik Benes, Größinger, Gröschl Geschichte des Transistors Minimum Feature Size (nm) Mikroelektronik >> Nanoelektronik 500 92 95 97 99 02 05 08 11 08 2011 sichtbares Licht 350 250 180 130 100 70 50 35 25 1992 95 97 99 2002 05 Year ƒ46
