Teil D5: Bipolare Transistoren Bipolare Transistoren Entwicklung
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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
