3 Der Bipolartransistor

3 Der Bipolartransistor
3.1
Einführung
Aufbau
Ein Bipolartransistor (engl.: Bipolar Junction Transistor, BJT) besteht aus zwei gegeneinander geschalteten pn-Übergängen (Dioden) mit einer gemeinsamen, sehr kleinen (p
oder n) Zone in der Mitte, der sogenannten Basis (B). Die beiden anderen Zonen heißen
Kollektor (C) und Emitter (E), siehe Abb. 3.1. Im regulären Betrieb (Durchlassbetrieb)
wird die BE-Diode in Durchlass-, die BC-Diode in Sperrrichtung betrieben.
npn
pnp
Abbildung 3.1: Prinzipdarstellungen eines npn und pnp-Bipolartransistors (Elektronenstromrichtung). Anm.: Die Diodendarstellung dient nur als Gedankenmodell. Ein Transistor kann nicht diskret aus zwei Dioden aufgebaut werden.
Verstärkungseffekt (anhand npn-BJT)
Bei leitender BE-Diode wird die Basis mit Elektronen überschwemmt, die in die Raumladungszone (RLZ) der gesperrten BC-Diode gelangen. Durch das durch UCE hervorgerufene
Feld wird der Hauptanteil dieser Elektronen Richtung Kollektor abgesaugt.
Beachten Sie: Der Effekt tritt nur bei in Flussrichtung vorgespannter BE-Diode sowie in
Sperrrichtung betriebener BC-Diode auf. IC wird hauptsächlich von UBE und nicht von
UCE bestimmt! UCE muss nur die minimale Spannung UCE, min überschreiten ab der die
Ladungsträger abtransportiert werden. Der Strom der in Durchlassrichtung betriebenen
BE-Diode wird praktisch fast komplett in den Kollektor transferiert. (Nur ein kleiner Teil
gelangt in die Basis.)
Für den pnp-Transistor gelten entsprechend umgekehrte Verhältnisse.
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3.1. Einführung
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Schaltsymbole
Abbildung 3.2: Schaltsymbole eines npn und pnp-Bipolartransistors mit eingezeichneten
Strömen und Spannung (technische Stromrichtung)
Bipolartransistorgleichungen
IE = IB + IC
(3.1)
IC = B IB
(3.2)
IC = Is (e
UBE
UT
− 1)
(3.3)
(Vergleiche: Analogie zur Diodenkennlinie Glg. 2.1)
Kennlinien
Es gibt zwei Möglichkeiten den Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen UBE oder IB
mit den Ausgangsgrößen UCE und IC vollständig mit Transistorkennlinien zu beschreiben.
1. Möglichkeit: Zwei Kennlinien
• Transferkennlinie IC = f (UBE )
• Ausgangskennlinienfeld IC = f (UCE ) mit UBE als Parameter
2. Möglichkeit: Drei Kennlinien (→ können in 4-Quadrantenkennlinienfeld zusammengefasst werden)
• Eingangskennlinie IB = f (UBE )
• Stromsteuerkennlinie IC = IB
• Ausgangskennlinienfeld IC = f (UCE ) mit IB als Parameter
Beachten Sie: Die Eingangskennlinie entspricht nicht der Diodenkennlinie der BE-Diode.
In Transfer- und Ausgangskennlinie steckt die gleiche Information: Verknüpfung der Parameter UBE , UCE und IC . Es wird nur eine andere Größe als Parameter verwendet.
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3.1. Einführung
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Messschaltung zur Bestimmung von npn-Transistorkennlinien
Je nach gewünschter Kennlinie werden
die Spannungsquellen variiert oder auf
einen bestimmten Wert eingestellt.
Transferkennlinie
Ausgangskennlinienfeld
4
3
1
Eingangskennlinie
2
Stromsteuerkennlinie
Ausgangskennlinienfeld
4
3
2
1
4-Quadrantenkennlinienfeld
Anmerkung: IC ist in der Realität geringfügig von UCE abhängig. Man beobachtet,
dass sich die extrapolierten Kennlinien
näherungsweise in einem Punkt schneiden.
(Early-Effekt)
Early-Spannung
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3.1. Einführung
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Kleinsignalersatzschaltbild
→ Linearisierung der Transistorgleichungen im Arbeitspunkt
Eingangskennlinie
Ausgangskennlinie
Transferkennlinie
Die Kleinsignalspannungen und -ströme werden im Folgenden klein geschrieben
∆UBE = uBE
∆IB = iB
∆UCE = uCE
∆IC = iC
und werden durch folgende Zusammenhänge im KSESB Abb. 3.3 miteinander verknüpft:
uBE = rBE iB
i�c ≈ S uBE
i��C = gEA uCE
iC = i�C + i��C
iE = iB + iC
Abbildung 3.3: Kleinsignalersatzschaltbild eines Bipolartransistors
(3.4)
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3.1. Einführung
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Arbeitspunkteinstellung
Der Arbeitspunkt
• legt die Großsignalgrößen IB, 0 , UBE, 0 , IC, 0 und UCE, 0 sowie die
• Kleinsignalgrößen rBE , S und gEA fest.
• bestimmt maximal möglichen Aussteuerbereich
• soll für große Aussteueramplituden in die Mitte des Aussteuerbereiches (UCE, min . . . U0 )
gelegt werden
Hier: Ansich guter AP, da großer Aussteuerbereich.
Durch eine größere Eingangsspannung uBE
würden sowohl die Verzerrungen in der
zweiten Halbwelle zunehmen als auch
Verzerrungen bzw. sogar Signalbegrenzung
in beiden Halbwellen auftreten können.
RC kleiner
steilere Arbeitsgerade
uCE gegenüber uBE um 180°
phasenverschoben und aufgrund
Nichtlinearität der Eingangskennlinie i.A. verzerrt
RC größer
flachere Arbeitsgerade
Signalbegrenzung
Signalverzerrung
Sättigungslinie
schlechte Ausnutzung
des Aussteuerbereichs
Verzerrung und Begrenzung
in erster Halbwelle
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3.1. Einführung
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Aufgabe 12 Bipolartransistor
Beantworten Sie folgende Fragen
a) Skizzieren Sie den Aufbau eines npn- sowie pnp-Bipolartransistors.
b) Erläutern Sie anhand der Skizzen dessen Funktionsweise. Warum kommt es zur
Stromverstärkung?
c) Skizzieren Sie: Eingangskennlinie, Transferkennlinie, Stromsteuerkennlinie und Ausgangskennlinienfeld. Geben Sie gegebenenfalls Gleichungen an, die diese Verläufe
beschreiben. Unter welchen Bedingungen werden diese Kennlinien aufgezeichnet?
d) Zeichnen Sie das 4-Quadrantenkennlinienfeld eines Transistors. Beschreiben Sie die
Methode mit der Sie das Kennlinienfeld aufnehmen würden.
e) Geben Sie das Kleinsignal-Ersatzschaltbild des Transistors an, und bestimmen Sie
die darin vorkommenden Symbole.
f) Was versteht man unter einer Arbeitspunkteinstellung eines Transistors und warum
ist diese überhaupt nötig?
g) Skizzieren Sie ein 4-Quadrantenkennlinienfeld und zeichnen Sie den Arbeitspunkt
für die unten dargestellte Schaltung in jede der drei Kennlinien ein. Überlagern Sie
nun dem Arbeitspunkt ein Kleinsignal und bestimmen Sie UCE grafisch. Was passiert
wenn Sie uBE und/oder RC vergrößern oder verkleinern?
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3.1. Einführung
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