Teil D5: Bipolare Transistoren Bipolare Transistoren Entwicklung

Bipolare Transistoren
Teil D5:
Bipolare Transistoren
Bauelement zum Verstärken elektrischer Signale.
Stromgesteuerte, aktive Bauelemente.
Wirkprinzip, Aufbau und Bezeichnungen
Grundmaterial meist Silizium, aber auch Germanium
oder GaAs.
Kennlinien
Transistor-Grenzwerte
Bildliche Darstellungen:
Emitterschaltung
Dioden-Transistor-Logik
C
E
Transistor-Transistor-Logik
B
C
E
C
B
npn - Transistor
E
B
C
E
B
pnp - Transistor
06.002.05
06.011.01
Bipolare Transistoren
Entwicklung
Bipolare Transistoren
Gehäuseformen
Erste Entwicklung 1947
Bell Labs, New Jersey
Entwickler:
John Bardeen
Walter Brattain
William Shockley
Nobelpreis 1956
(Bardeen erhält 1972 einen weiteren Nobelpreis
für seine Arbeiten in der Supraleitung.)
Kriterien für die Gehäusewahl:
Preis, Wärmehaushalt, Umgebungsbedingungen, ...
06.011.03
06 / Teil D5 / Seite 01
06.011.04
Bipolare Transistoren
Aufbau
Als Dioden gezeichnet:
Schicht 1
Schicht 2
Schicht 3
elektr. Anschlüsse
Drei dünne Halbleiterschichten:
Wie bei der Diode
sind die einzelnen
Schichten verschieden dotiert:
Bipolare Transistoren
Aufbau
npn
npn - Transistor
Anschluss 1
Anschluss 2
pnp
n
p
p
n
n
p
Die Schichtgrenzen bewirken
den Transistoreffekt.
06.011.05
Anschluss 1
Anschluss 2
Anschluss 3
Anschluss 3
Achtung: Diese Struktur lässt sich leicht nachmessen,
sie erklärt aber nicht die Funktion.
06.011.06
Bipolare Transistoren
Entwicklung
Bipolare Transistoren
Bezeichnungen
Das Potenzial des Transistors bleibt zuerst unerkannt.
Emitter
Basis
Kollektor
elektr. Anschlüsse
Shockley sah die Möglichkeiten, verließ die Bell Labs
und gründete eine eigene Firma.
Er stellt Spitzenkräfte ein, verprellt aber die acht besten
mit seiner Persönlichkeit.
Zu den acht gehören Bob
Noyce und Gordon Moore,
die die Firma Intel gründen.
Noyce
pnp - Transistor
Moore
06.011.07
Basis, B:
mittlere Schicht, hier werden die Steuersignale angelegt.
Kollektor, C:
Elektrode an einer der äußeren Schichten.
Emitter, E:
Elektrode an der zweiten äußeren Schicht.
Anm.: Die Anschlüsse dürfen nicht vertauscht werden.
06 / Teil D5 / Seite 02
06.011.08
Bipolare Transistoren
Schaltzeichen
npn - Transistor
C
E
C
B
Bipolare Transistoren
Bezeichnungen
Bezeichnungen in Transistorschaltungen:
pnp - Transistor
E
C
B
E
B
C
E
B
Kollektor, C: n-dotiert
Kollektor, C: p-dotiert
Basis, B:
p-dotiert
Basis, B:
n-dotiert
Emitter, E:
n-dotiert
Emitter, E:
p-dotiert
IC
Kollektorstrom
IB
Basisstrom
IE
Emitterstrom
UCE
Kollektor-Emitter-Spannung
UBE
Basis-Emitter-Spannung
UBC
Basis-Kollektor-Spannung
06.011.09
06.011.10
Bipolare Transistoren
Funktion npn-Transistor
Bipolare Transistoren
Funktion npn-Transistor
Situation 2:
C
IB
+
UBE
+
IC
-
B
UCE
UBE
E
+
-
C
+
Situation 1:
B
E
IE=IC+IB
-
UCE
UBE > 0,7 V: Diode BE leitet, es fließt Strom IB und IE.
Der Elektronenzufluss in die Basis macht
die Diode BC leitfähig und Strom IC beginnt
zu fließen.
Diode BE sperrt.
Diode BC sperrt.
Es fließt kein Strom.
06.011.11
06 / Teil D5 / Seite 03
06.011.13
Bipolare Transistoren
Kennlinien
Basisstrom IB
als Funktion
der BasisEmitter-Spannung UBE
10
8
E
B
typische
Diodenkennlinie
Kollektorstrom
2.5
IC als Funktion
des Basisstroms 2.0
I B.
1.5
UCE = 5V
1.0
IC
UCE
0.5
Arbeitspunkt A
4
UCE
C
IB [µA]
6
UCE = 5V
Bipolare Transistoren
Kennlinien
2
C
UBE
0.2 0.4 0.6 0.8
IB
UBE [V]
E
B
UBE
IC
UCE
C
A
IB = 6µA
1.0
B
IB
UBE
IC
UCE
IB kleiner
0.5
E
Basis-EmitterSpannung UBE
als Funktion
der KollektorEmitter-Spannung UCE.
IB = 6 µA
IB größer
1.5
C
2
4
6
2
4
6
8
IB [µA]
Bipolare Transistoren
Kennlinien
IC [mA]
2.0
Arbeitspunkt A
06.011.15
Bipolare Transistoren
Kennlinien
2.5
nahezu lineare
Abhängigkeit
IB
06.011.14
Kollektorstrom
IC als Funktion
der KollektorEmitter-Spannung UCE.
IC [mA]
UCE [V]
IC hängt kaum von UCE ab.
B
06 / Teil D5 / Seite 04
IB größer
0.8
IB = 6µA
IB kleiner
0.6
UBE hängt kaum
von UCE ab.
(rückwirkungsfrei)
0.4
0.2
E
06.011.16
1.0
UBE [V]
IB
UBE
2
4
6
UCE [V]
06.011.17
Bipolare Transistoren
Zusammenfassung der Kennlinien
Die ZusammenIC [mA]
fassung bietet
2.0
einen umfassenA
1.0
den Blick auf
die Transistor10 8 6 4
eigenschaften. I [µA]
2 4 6
B
IC
0.4
UCE
0.6
C
E
B
IB
UBE
Arbeitspunkt A
1.0
UBE [V]
Bipolare Transistoren
Benennung der Kennlinien
IC [mA]
Stromverstärkungskennlinie
IB größer
IB = 6µA
IB kleiner
UCE [V]
A
A
1.0
2
IB [µA]
IB kleiner
IB = 6µA
IB größer
Eingangskennlinie
IB = 6µA
4
0.4
0.6
Arbeitspunkt A
6
UCE [V]
A IB = 6µA
1.0
UBE [V]
Ausgangskennlinie
Aktiver Bereich,
bevorzugter Bereich für die Lage
der Arbeitspunkte
Rückwirkungskennline
06.011.18
06.011.19
Bipolare Transistoren
Emitterschaltung
Maximalwerte für die Beschaltung
eines Transistors. Besonders zu beachten: Basisspannungen und -ströme
zu verstärkendes Signal, z.B.
Mikrofon.
I
Arbeitspunkt: Bereich im Kennlinienfeld, in dem der
Transistor arbeitet.
Anmerkung:
2.0
10 8 6 4
Bipolare Transistoren
Weitere Begriffe
Grenzdaten:
Sättigungsbereich
B
Bei der Verstärkung analoger Signale
muss der Arbeitspunkt in einem Bereich
der Kennlinie liegen, der möglichst linear
ist. Dies schließt den Bereich um den
Nullpunkt aus.
06.011.20
RC
B
C
E
Basisvorspannung
06 / Teil D5 / Seite 05
IC
Last, z.B.
Kopfhörer
Die Leitung am Emitter ist der
gemeinsame Bezugspunkt.
06.011.26
Bipolare Transistoren
Emitterschaltung
Bipolare Transistoren
Emitterschaltung
US
IC
Verstärkung:
Ua
E
Eingangswiderstand:
B
IB
vu = -βRC / rBE
Kleinsignalβ ∼ 100
stromverstär- (s. Datenblatt)
kung
RC
C
US
IC
Ue
Großsignalverhalten
für US = 10 V, β = 233
Ua
1 kΩ
C
E
~ 40 mV / IB
rBE ~
B
IB
Ue
Ue
IB
rBE
IC
Ua
.5V
.5µA
80kΩ
10µA
10V
.6V
.6µA
67kΩ
12µA
10V
.7V
1µA
40kΩ
66µA
9.9V
.8V
12µA
3kΩ
2.5mA
7.4V
.9V
59mA
.7Ω
10mA
20mV
06.011.27
06.011.28
Bipolare Transistoren
Emitterschaltung
Großsignalverhalten
für US = 10 V, β = 233
Bipolare Transistoren
Emitterschaltung
Kennlinie
R = 1 kΩ
IC [mA]
Kleinsignalverhalten
für US = 10 V, β = 233
US
IC
-2.0
Ue
IB
rBE
IC
.5V
.5µA
80kΩ 10µA
10V
.6V
.6µA
67kΩ 12µA
10V
.7V
1µA
40kΩ 66µA
9.9V
.8V
12µA
3kΩ 2.5mA
7.4V
.9V
59mA
.7Ω
Ua
10mA 20mV
Großsignalverhalten = die ganze
Kennlinie wird genutzt.
Ua
-1.0
10 8 6 4
IB [µA]
5
0.4
0.6
0.8
1.0
10
Ua [V]
1 kΩ
C
E
B
IB
Ue
Ue
IB
rBE
IC
Ua
750mV
2.4µA
17kΩ
0.40mA
9.60V
751mV
2.5µA
16kΩ
0.42mA
9.58V
752mV
2.6µA
15kΩ
0.43mA
9.57V
753mV
2.6µA
15kΩ
0.45mA
9.55V
754mV
2.7µA
15kΩ
0,46mA
9.53V
Ue [V]
06.011.29
06 / Teil D5 / Seite 06
nahezu linearer Zusammenh.
06.011.30
Dioden-Transistor-Logik
Dioden-Transistor-Logik
NOR - Gatter
Ein Transistor in Emitterschaltung arbeitet als Inverter.
5V
40kΩ
10kΩ
Ue
10kΩ
B
C
E
RC
5V
Ua
Ue
Ua
0V
5V
5V
0V
RC
E1
E2
B
E3
E4
C
E1 + E2 + ... + EN
E
EN
06.012.01
06.012.02
Dioden-Transistor-Logik
NOT - Gatter
Dioden-Transistor-Logik
NAND - Gatter
5V
5V
RC
E3
B
C
5V
RC
E1
E2
E3 = Z1
E3
B
E4
E
EN
06.012.13
06 / Teil D5 / Seite 07
C
E1 * E2 * ... * EN
E
unsichere
Schaltung,
da Spannung
zu hoch.
06.012.03
Dioden-Transistor-Logik
NAND - Gatter
5V
5V
0V
B
0V
0V
5V
RC
0V
0V
Dioden-Transistor-Logik
NAND - Gatter
Spannungsabfall
der Dioden hebt
diesen Punkt auf
ca. 0,7 V.
5V
RC
0V
<5V
C
0V
B
0V
UBE von 0,7 V
sperrt den Transistor nicht mehr
sicher.
E
0V
Dieser Punkt muss
nun ~1,4 V erreichen,
bevor der Transistor
zu leiten beginnt.
0V
5V
C
E
06.012.04
06.012.05
Dioden-Transistor-Logik
5V
5V
E3
E4
EN
Multi-EmitterTransistor, fasst
Eingänge zusammen
RC
E1
E2
Transistor-Transistor-Logik TTL
NAND
C
5V
B
Eine Diode benötigt
in einem IC mehr Platz
als ein Transistor.
Transistor-TransistorLogik (TTL)
E1
E2
E
E3
06.012.06
06 / Teil D5 / Seite 08
5V
5V
B
E
C
B
C
E1 * E2 * E3
E
06.012.07
Transistor-Transistor-Logik TTL
NAND
5V
Diode BE
sperrt
5V
5V
5V
B
E
Transistor-Transistor-Logik TTL
NAND
5V
Diode
BC
leitet
C
B
Stromfluss
5V
Diode BE
leitet
C
E
0V
B
5V
E
0V
Transistor
leitet
5V
UCE ~ 0 V
5V
Diode
BC
sperrt
C
B
kein
Stromfluss
5V
C
E
Transistor
sperrt
06.012.08
06.012.09
Transistor-Transistor-Logik TTL
NAND
Transistor-Transistor-Logik TTL
Familien
Industrielle
Ausführung
SN 7400:
Familie
Ausgangsverstärker
Gatterlaufzeit
Störabstand
bei ’0’
Störabstand
bei ’1’
Verlustleistung
pro Gatter
Standard
TTL
10 ns
0.40 V
0.40 V
10 mW
Schottky
S TTL
3 ns
0.30 V
0.70 V
20 mW
7 ns
0.30 V
0.70 V
2 mW
Low Power
Schottky
LS TTL
Schutzdioden
06.012.10
Störabstand: max. zul. Abweichung vom Normpegel
06 / Teil D5 / Seite 09
06.012.11
Transistor-Transistor-Logik TTL
Nachteile
1. Hoher Stromverbrauch:
Leistungsaufnahme eines aktuellen Mikroprozessors (40 Mill. Transistoren) in LS-Technik:
120 kW.
2. Lange Gatterlaufzeiten:
3 ns (Schottky-TTL) entspricht 333 MHz.
06.012.12
06 / Teil D5 / Seite 10