Bipolare Transistoren

Transcrição

7.
Bipolare Transistoren
7.1 Arbeitsweise von Transistoren
Die Arbeitsweise von bipolaren Transistoren beruht auf der Wirkung von zwei PN-Übergängen
innerhalb eines Germanium- oder Silizium-Einkristalls. Transistoren aus Mischkristallen (z.B.
Galliumarsenid) sind in der Entwicklung und Erprobung. An den inneren Leitungsvorgängen sind
Ladungsträger beider Polarität beteiligt (bipolar).
NPN-Transistor
Das Kristall eines NPN-Transistors besteht aus zwei N-leitenden Zonen, zwischen denen sich eine
sehr schmale, niedrigdotierte P-leitende Zone (Basis) befindet. Die eine hochdotierte N-Zone wird
Emitter genannt, die andere N-Zone heißt Kollektor.
Wird an die Basis gegenüber dem
N
P
N
Emitter eine kleine positive Spannung
(0,6 V ≤ UBE ≤ 0,8 V) angelegt, dann
E
C
wird die Sperrschicht abgebaut und
Ladungsträger (Elektronen) in die
Basis injiziert.
B
Emitterschicht in Durchlassrichtung
UF
-IF
vorgespannt
(Elektronenstrom -IF)
N
P
N
E
C
B
UR
Bei spannungslosem Emitter und ohne
injizierte Ladungsträger in der P-Zone
fließt über die Sperrschicht (KollektorBasis) nur ein sehr kleiner Sperrstrom,
der überwiegend thermisch bedingt ist.
PN-Übergang (Kollektor-Basis)
in Sperrrichtung vorgespannt
Wird der PN-Übergang (Emitter-Basis) mit einer kleinen Spannung geöffnet, gelangen über
die Emitterschicht Elektronen in die sehr schmale mittlere P-Zone. Das starke positive Feld
des in Sperrrichtung vorgespannten PN-Überganges (Kollektor-Basis) zieht die injizierten
Elektronen an. Auf diese Weise gelangt der größte Teil der vom Emitter ausgesandten
negativen Ladungsträger in die Kollektorzone. Hier entsteht folglich ein von der Sperrspannung getriebener Elektronenstrom. Nur ein sehr kleiner Anteil, der aus der Emitterschicht
injizierten Ladungsträger, fließt unmittelbar über die Basis zur Emitterspannungsquelle
zurück.
N
P
N
Der Anteil der vom Emitter über die Basis bis zum
E
C
Kollektor gelangenden Ladungsträger ist rd. 20-...
300-mal größer als der
unmittelbare ElektronenB
-IC
-IE
strom der Basis.
-IB
Elektronenströme eines
NPN-Transistors
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 72
Der in den Emitter hineinfließende Elektronenstrom wird als Emitterstrom -IE bezeichnet. Der
Elektronenstrom, der aus dem Kollektor herausfließt, heißt Kollektorstrom -IC. Aus der Basis
heraus und unmittelbar zum Emitter zurück fließt der Basisstrom -IB als Elektronenstrom.
UCE
IE
IC
E
UBE
C
B
UCB
IB
NPN-Transistor mit
genormten Schaltzeichen
Die an Emitter und Basis in Durchlassrichtung liegende Spannung wird als Emitter-BasisSpannung UBE bezeichnet. Die über den Kollektor gelegte Spannung in Sperrrichtung heißt
Kollektor-Basis-Spannung UCB. Die Spannung UCE ist vom Kollektor auf den Emitter bezogen.
Es gilt:
U CE = U CB + U BE
(7.1)
Der Emitterstrom IE setzt sich zusammen aus dem Kollektorstrom IC und dem Basisstrom IB.
I E = IC + IB
(7.2)
Verstärkereigenschaften des Transistors
Die Ladungsträgerinjektion vom Emitter in den Basisraum erfordert nur einen kleinen
Spannungsbetrag UBE. Der größte Anteil des injizierten Stromes IE wird von der Kollektorelektrode aufgenommen. Der jetzt genannte Strom IC lässt sich vom wesentlich kleineren Basisstrom IB steuern. Mit dem Transistor ist demnach eine Stromverstärkung erreichbar.
Der Strom IC lässt sich gegen die relativ hohe Spannung UCB durch den Lastwiderstand treiben.
Da zur Steuerung die kleine Spannung UBE dient, ist eine gewisse Spannungsverstärkung mit dem
Transistor möglich.
Kleine Basisstromänderungen gehören zu großen Kollektorstromänderungen.
Kleine Basisspannungsänderungen führen zu großen Kollektorspannungsänderungen (bez. auf
den Emitter).
PNP-Transistor
Wird ein Kristall in der Folge PNP dotiert, ist die Emitterzone P-leitend, die Basis N-leitend und
die Kollektorzone P-leitend.
Um den Emitter-PN-Übergang zu öffnen, muss eine positive Spannung -UBE an den Emitteranschluss gelegt werden. Der Emitter injiziert daraufhin positive Ladungsträger (Löcher bzw.
Defektelektronen) in die Basiszone, die bei anliegender Spannung -UCB durch die hohe Feldstärke
in der Basis-Kollektor-Sperrschicht in die Kollektorzone gelangen.
Spannungen und Ströme beim PNP-Transistor haben gegenüber dem NPN-Transistor umgekehrte
Vorzeichen und Richtungspfeile.
G. Schenke, 1.2008
-UCE
IE
IC
E
C
B
-UBE
-UCB
PNP-Transistor mit
genormten Schaltzeichen
IB
7.2
Aufbau und Bauformen bipolarer Transistoren
Legierungstransistoren
Zwei kleine Tropfen eines dreiwertigen Metalls werden auf beiden Seiten des Kristalls in Nleitendes Gebiet eingeschmolzen. Es bildet sich eine dünne Legierungsschicht aus Halbleitermaterial und Dotierungselement.
E
PNP-Legierungstransistor im Schnitt
P
N
P
B
Lötung
Anwendung: NF-Verstärker, Impedanzwandler, Grenzfrequenz rd. 500 kHz
C und Gehäuse
Drift-Field-Transistor
Der Drift-Field-Transistor ist eine Weiterentwicklung des Legierungstransistors. Das Basismaterial besteht aus Schichten verschiedener Dotierung.
Anwendung: Schneller Schalttransistor, Grenzfrequenz rd. 100 MHz
Diffusionstransistoren
Die Dotierungsstoffe werden bei hoher Temperatur in gasförmigem Zustand dem Halbleiterkristall zugeführt. Dabei diffundieren die Dotierungsstoffe langsam in den Kristall.
Beim einfach diffundierten Transistor (MESA) wird der Kristall beidseitig den Dotierungsstoffen
ausgesetzt. Diese dringen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in den Kristall. Dabei entsteht
ein Dotierungsgefälle.
E
B
P
N
P
PNP-Diffusions-MESATransistor
Anwendung: HF-Verstärker,
Oszillatoren, Chopper, Grenzfrequenz rd. 40 MHz
C und Gehäuse
G. Schenke, 1.2008
Beim doppelt diffundierten Transistor erhält die Kollektorzone eine schwächere Dotierung.
Anwendung: Schalter in schnellen Digitalschaltungen
Planar-Transistoren werden unter Zuhilfenahme fotolithografischer Verfahren hergestellt. Nach
dem Planar-Verfahren werden auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens Masken erzeugt. Mit
Hilfe dieser abdeckenden Masken aus Siliziumdioxid erfolgt nur eine Dotierung an bestimmten
vorgesehenen Punkten. Zur Herstellung sind mehrere Masken und Dotierungen erforderlich.
Planartransistoren werden doppelt oder dreifach - Kollektorzone erhält hier zwei verschieden
starke Dotierungen - diffundiert hergestellt.
Die Planartechnik ist zur Zeit das bedeutendste Herstellungsverfahren für Silizium-Halbleiterelemente. Sie ermöglicht es, eine große Anzahl gleicher oder individueller Bauelemente auf
einem Siliziumblättchen unterzubringen (monolithische Technik).
E
Siliziumdioxid
B
N
P
N
C und Gehäuse
NPN-Planartransistor im Schnitt
Fingerstruktur von Emitter und
Basis beim Planartransistor
Durch die Fingerstruktur von Emitter und Basis wird der Bahnwiderstand verkleinert, die BasisEmitterkapazität klein und das Schaltverhalten von Leistungstransistoren verbessert.
Anwendung:
Schalttransistor in Digitalrechnern, Leistungs-Schalttransistoren
Grenzfrequenz rd. 300 MHz, hohe Kollektorspannung
Epitaxialtransistoren
Bei der Herstellung von Epitaxialtransistoren wachsen auf der Oberfläche des Halbleitermaterials
Epitaxialschichten in einer Hochtemperatur-Reaktionskammer. Der Wachstumsprozess erfolgt
Atom auf Atom, so dass der regelmäßige Atomaufbau des Grundkristalls erhalten bleibt.
Auf einen hochdotierten Kollektor wird eine gering dotierte Basisschicht aufgebracht. Die
Emitterzone entsteht durch Diffusion in der Basiszone nach dem Planarverfahren.
Durch gut kontrollierbare HerstelSiliziumdioxid
B
E
eindiffundierte lung werden eingeengte TransistorEmitterschicht
Kennwerte mit kleinem Kollektorwiderstand erzielt.
EpitaxialN
schicht
Beim Epitaxial-Zweischichttyp
P
liegt über der hochdotierten
Kollektorzone eine niedrigdotierte
GrundN
kristall
Kollektor-Epitaxialschicht. Darüber
wird die Basisschicht aufgebracht.
C und Gehäuse
NPN-Epitaxialtransistor
G. Schenke, 1.2008
Der Overlay-Transistor ist wie der doppelt diffundierte Epitaxialtyp aufgebaut, jedoch mit einer
großen Zahl parallel geschalteter Emitter. Die Umschaltzeiten werden weiter verkürzt. Die
Grenzfrequenz liegt bei rd. 1 GHz (Transistor für sehr schnelle Schaltfunktionen).
MIS-Transistoren (metal-insulator-silicon-junction-type) werden nach dem Epitaxial-Planarverfahren hergestellt und zum Schutz gegen eindringende Fremdionen zusätzlich mit SiliconNitrid geschützt. Diese Transistoren haben eine sehr große Langzeitkonstanz.
In integrierten Schaltungen müssen die einzelnen Transistoren untereinander und gegen die
anderen Bauelemente isoliert werden.
Emitter
Kollektor
Basis
n+-Kollektor+
p
n
kontaktzone
Integrierter
Transistor mit
p+
n-Epi p+
vergrabener
n+-vergrabene Schicht
Schicht zur
Isolationszone
Verminderung des
Kollektorp-Substrat
bahnwiderstandes
Bauformen
Es gibt eine Vielzahl genormter Transistorgehäuse. Bei Leistungstransistoren erfolgt die Wärmeübergabe über den Gehäuseboden, der gleichzeitig der Kollektoranschluss ist oder mit dem
Kollektor leitend verbunden ist.
E B C
2,5
0,45
EBC
0,4 · 0,4
14,1
5,2
2,5
13,5
5,2
TO-92 m = 0,25 g Maße in mm
5,2
1,25
C E B
8,4
5,0
E
C
B
0,8 · 0,5
9,2
3,0
7,6
16,2
6,6
2,54
0,5
13,5
5,5
4,75
4,2
10,7
3,7
Standard- und Kleinleistungsgehäuse für Transistoren
Das Kunststoffgehäuse TO-92 (oben links, z.B. BC 547) und das Metallgehäuse TO-18 (oben
rechts, z.B. BC 107, Kollektor mit dem Gehäuse verbunden) finden Anwendung für Transistoren
zur Verwendung in NF-Vor- und Treiberstufen. Das Metallgehäuse TO-39 (unten links, z.B.
BC 141, Kollektor mit dem Gehäuse verbunden).findet Anwendung für Transistoren für NFSchalter-Anwendungen bis 1 A Das Kunststoffgehäuse TO-126 (unten rechts, z.B. BD 140)
findet Anwendung für NF-Treiber- und Endstufen mittlerer Leistung. Der Kollektor ist mit der
G. Schenke, 1.2008
metallischen Montagefläche des Transistors verbunden. Die Gehäuse TO-18, TO-39 und TO-126
können mit Kühlkörper betrieben werden.
BC 547 (TO-92), BC 107 (TO-18), BC141 (TO-39), BD 141 (TO-126) und 2N 3055 (TO-3)
Für HF-Transistoren sind induktivitäts- und kapazitätsarme Anschlüsse wichtig. Die Gehäuse sind
den in der HF-Technik üblichen Aufbautechniken angepasst (z.B. Gehäuse mit Streifenleitungsanschlüssen).
Transistoren für Oberflächenmontage erfordern sehr kleine Abmessungen. Gehäuse aus Epoxydharz sind preiswert; Metall-Keramik-Gehäuse sind hermetisch dicht, allerdings wesentlich teurer.
C
0,8
0,8
1,2
E
B
Länge 3,0 mm
Breite 2,6 mm
Tiefe 1,1 mm
1,1
0,9
0,9
SMD-Transistorgehäuse SOT-23 mit Abmessungen und Lötflächen Auslegung
7.3 Kennlinienfelder und Kennwerte
Die drei Grundschaltungen, in denen sich ein Transistor betreiben lässt, sind die Basisschaltung
(Basis an Masse), die Emitterschaltung (Emitter an Masse) und die Kollektorschaltung (Kollektor
an Masse). Die häufigste Schaltung ist die Emitterschaltung, mit der sich gleichzeitig eine Stromund Spannungsverstärkung erzielen lässt. Der Emitter liegt am gemeinsamen Pol des Eingangsund Ausgangskreises. Die Basis dient dabei als Eingangs-, der Kollektor als Ausgangselektrode.
Da Transistorschaltungen üblicherweise mit der Vierpoltheorie berechnet werden, benötigt man
für diese Berechnungen die sogenannten Vierpolparameter, die das Signalverhalten eines Transistors kennzeichnen. Die folgenden Kennwerte und Kennlinien beziehen sich grundsätzlich auf die
Emitterschaltung.
Eingangskennlinie
Die Eingangskennlinie zeigt den
Zusammenhang zwischen der BasisEmitter-Spannung UBE und dem
Basisstrom IB. Die Emitter-BasisStrecke ist praktisch vergleichbar mit
einer in Durchlassrichtung betriebenen Diode. Zum Abführen der
injizierten Ladungsträger wird der
Kollektor mit einer konstanten
Spannung UCE ≥ 1 V vorgespannt.
Ri
IB
A
V
UCE
V
UBE
stellbare Gleichspannungsquelle Ri ~ 0
Schaltung zur Aufnahme der Eingangskennlinie
G. Schenke, 1.2008
0,4
UCE = 1 V
GermaniumTransistor
SiliziumTransistor
0,3
IB/mA
0,2
∆ IB
A
Eingangskennlinien von
Transistoren
0,1
0
Der Anstieg der IB-UBEKennlinie in einem bestimmten Kennlinienpunkt
A ergibt den differentiellen
Eingangswiderstand rBE in
diesem Kennlinienpunkt.
∆ UBE
0
0,2
0,4
0,6
0,8
UBE/V
1,0
Aus der Basis-Emitter-Spannungsänderung ∆UBE und der Basisstromänderung ∆IB lässt sich der
differentielle Eingangswiderstand rBE berechnen, der dem Vierpolparameter h11e entspricht.
h 11e = rBE =
∆U BE
∆I B
(7.3)
(für U CE = konstant)
Ausgangskennlinie
Die Ausgangskennlinie zeigt
den Zusammenhang zwischen
Kollektorstrom IC und Kollektorspannung UCE. Der Basisstrom IB ist hierbei der Parameter.
A
IC
Ri
Ri
IB
A
V
UCE
UBE
Schaltung zur Aufnahme der
Ausgangskennlinie
stellbare Gleichstromquelle Ri >> rbe
stellbare Gleichspannungsquelle Ri ~ 0
Der Anstieg der IC-UCE-Kennlinie in einem bestimmten Arbeitspunkt A ergibt den differentiellen
Ausgangswiderstand rCE in diesem Arbeitspunkt.
Aus der Kollektor-Emitter-Spannungsänderung ∆UCE und der Kollektorstromänderung ∆IC lässt
sich der differentielle Ausgangswiderstand rCE berechnen, dessen Kehrwert dem Vierpolparameter h22e (differentieller Ausgangsleitwert) entspricht.
∆I C
1
(für I B = konstant)
(7.4)
=
h 22e =
∆U CE
rCE
Folgende Kennwerte lassen sich den Ausgangskennlinien entnehmen:
Der differentielle Ausgangswiderstand rCE oder der Ausgangsleitwert h22e in einem
bestimmten Kennlinienpunkt.
Die Sättigungs- oder Restspannung UCEsat. Diese Restspannung zwischen Emitter und
Kollektor hat einen Einfluss bei der Verstärkung großer Signale und im Anwendungsfall als
Schaltverstärker.
G. Schenke, 1.2008
-
Der Zusammenhang von
dem Basisstrom IB und dem
Kollektorstrom IC (StromSteuerkennlinie).
100
0,40
0,45
0,35
0,30
80
0,25
0,20
60
IC/mA
0,15
40
0,10
Ausgangskennlinie des NPNTransistors BCY 59
20
IB = 0,05 mA
0
0
10
20
30
UCE/V
40
50
Stromsteuerungskennlinienfeld
Stromsteuerkennlinien
IC = f{IB}
UCE = Parameter
Ausgangskennlinienfeld
IC = f{UCE} IB = Parameter
100
0,5
UCE = 5 V
0,4
IC/mA
0,3
0,2
50
UCE = 1 V
0,5
0,4
IB = 0,1 mA
0,3
0,2
IB/mA
0,1
0
1
2
3
UCE/V
4
5
Stromsteuerungskennlinienfeld mit zugehörigem Ausgangskennlinienfeld
Die für einen bestimmten Arbeitspunkt A geltende Gleichstromverstärkung B, auch KollektorBasis-Gleichstromverhältnis genannt, kann dem Stromsteuerungskennlinienfeld entnommen
werden. Die Gleichstromverstärkung B gibt an, wie groß der Kollektorstrom IC bei einem
bestimmten Basisstrom IB ist.
I
(7.5)
B = C
IB
G. Schenke, 1.2008
In einem bestimmten Arbeitspunkt A lässt sich aus der Kollektorstromänderung ∆IC und der
Basisstromänderung ∆IB der differentielle Stromverstärkungsfaktor β berechnen, der dem Vierpolparameter h21e entspricht.
∆I C
(für U CE = konstant)
(7.6)
h 21e = β =
∆I B
Rückwirkungskennlinienfeld
Eine Vergrößerung der Kollektor-Emitter-Spannung UCE führt zur Vergrößerung der Spannungen
UCB und UBE.
Die Rückwirkung vom Ausgang auf den Eingang ist sehr unerwünscht und sollte deshalb sehr
gering sein. Das Maß für die Rückwirkung ist der differentielle Rückwirkungsfaktor D.
Aus der Basis-Emitter-Spannungsänderung ∆UBE und der Kollektor-Emitter-Spannungsänderung
∆UCE lässt sich der differentielle Rückwirkungsfaktor D berechnen, der dem Vierpolparameter
h12e entspricht.
∆U BE
(für I B = konstant)
(7.7)
h 12e = D =
∆U CE
200
20
IC = f{UCE}
IB = 150 µA
IB Parameter
15
IC/mA
h21
∆ IC
10
∆ IC
∆UCE
UCE = 6 V
∆ IB
IC = f{IB}
UCE Parameter
200
IB = 100 µA
h22
IB/µA
IB = 50 µA
5
100
0,2
2
4
8
6
10
UCE/V
0,4
h11
∆ IB
UCE = 6 V
UBE = f{IB}
UCE Parameter
h12
0,6
∆UBE
0,8 UBE/V
∆UBE
1,0
IB = 100 µA
∆UCE
UBE = f{UCE}
IB Parameter
Vierquadrantenkennlinienfeld zur Bestimmung
der Vierpolparameter h11e, h12e, h21e und h22e
Transistorarbeitspunkt
Ein Transistor benötigt zum Betrieb bestimmte Spannungswerte für UCE und UBE und bestimmte
Stromwerte für IC und IB. Diese Werte können unter Berücksichtigung ihrer gegenseitigen
Abhängigkeit in einem gewissen Bereich frei gewählt werden.
G. Schenke, 1.2008
Zwei der vier Größen
UCE, UBE, IC und IB
bestimmen den Arbeitspunkt des Transistors.
Üblich legt man mit
UCE und IB den Arbeitspunkt fest.
Die Betriebsspannung
Ub liegt meist fest. Jetzt
wird der Lastwiderstand RC so gewählt,
dass sich bei dem gewünschten Basisstrom
IB die gewählte Kollektor-Emitter-Spannung
UCE einstellt.
RC
RV
IC
IB
Ub
UCE
UBE
Basisvorspannungseinstellung mit Vorwiderstand
Beispiel: Ub = 12 V, IB = 100 µA, UCE = 6 V. Im Vierquadrantenkennlinienfeld wird aus den
Vorgaben IB und UCE der Kollektorstrom IC = 10 mA bestimmt.
Der Lastwiderstand RC wird nach Gl. 7.8 berechnet.
U − U CE
(7.8)
RC = b
IC
Bei der Basisvorspannungseinstellung mit Vorwiderstand RV wird dieser für den gewünschten
Basisstrom IB aus Ub und UBE berechnet.
U − U BE
(7.9)
RV = b
IB
Beispiel: RC = 600 Ω, RV = 113 kΩ.
Bei der Basisvorspannungseinstellung mit Spannungsteiler soll der Strom durch R2 das 2 bis
10fache des Basisstromes betragen.
U BE
(7.10)
R2 =
(2... 10) ⋅ I B
Basisvorspannungseinstellung
mit Spannungsteiler
RC
R1
IC
Ub Durch R1 fließt der Basisstrom und
der Strom durch R2.
IB
UCE
R2
G. Schenke, 1.2008
UBE
U b − U BE
U
I B + BE
R2
Beispiel: R2 = 3,3 kΩ
gewählt, R1 = 36,2 kΩ.
R1 =
(7.11)
Steuerung des Transistors
Nach Einstellung des Arbeitspunktes kann der Transistor gesteuert werden. Die Gleichspannungsund Gleichstromwerte des Arbeitspunktes werden gekennzeichnet. Für das Beispiel gilt:
UCE = 6 V, IC = 10 mA, UBE = 0,68 V, IB = 100 µA.
Die Basis erhält nun beispielhaft zum Gleichstrom IB einen sinusförmigen Wechselstrom mit
einem Scheitelwert von îB = 50 µA. Im Kennlinienfeld wird die Widerstandsgerade für RC mit Ub
(UCE-Achse) und Ub/RC (IC-Achse) festgelegt. Der Gesamtbasisstrom schwankt zwischen einem
Kleinstwert von 50 µA und einem Größtwert von 150 µA.
Die Änderung des Basisstromes hat eine Änderung des Kollektorstromes zur Folge. Der Gesamtkollektorstrom schwankt jetzt zwischen einem Kleinstwert von 5 mA und einem Größtwert von
15 mA. Der Wechselstrom ist nahezu sinusförmig; er hat einen Scheitelwert von îC = 5 mA.
Der Kollektorstrom erzeugt am Lastwiderstand RC einen entsprechenden Spannungsfall. Die
Gesamtkollektorspannung des Transistors schwankt zwischen 9 V und 3 V. Die KollektorWechselspannung hat einen Scheitelwert von ûCE = 3 V.
Zum Basisstrom gehört immer eine Basisspannung. Diese kann aus dem UBE-IB-Kennlinienfeld
entnommen werden (ûBE = 0,1 V, nicht sinusförmig).
Ub/RC
IB = 150 µA
IC/mA
15
A
i2(t)
A
10
IB = 100 µA
IB = 50 µA
5
i1(t)
200
IB/µA
100
0,2
4
2
6
8
10
UCE/V
Ub
0,4
A
u2(t)
0,6
0,8
1,0
u1(t)
UBE/V
Eingangsgrößen u1(t), i1(t) Ausgangsgrößen u2(t), i2(t)
Steuerung des Transistors im Vierquadrantenkennlinienfeld
Für die Emitterschaltung können die Spannungsverstärkung Vu, die Stromverstärkung Vi und die
Leistungsverstärkung Vp angegeben werden.
û
î
(7.12)
Vi = C
Vu = CE
Vp = Vu ⋅ Vi
û BE
î B
G. Schenke, 1.2008
Bei der Emitterschaltung ist die Ausgangswechselspannung U2 gegenüber der Eingangsspannung
U1 um 180° phasenverschoben.
Will man eine möglichst verzerrungsarme Signalverstärkung, so muss man darauf achten, dass
der zeitliche Verlauf des Basisstromes dem zeitlichen Verlauf des zu verstärkenden Signals
entspricht (Stromsteuerung). Der Innenwiderstand der steuernden Spannungsquelle muss groß
gegenüber dem Transistoreingangswiderstand sein.
Kollektorwechselstrom und Kollektorwechselspannung haben angenähert den gleichen zeitlichen
Verlauf wie der Basiswechselstrom.
Die Spannungssteuerung mit kleinem Innenwiderstand der steuernden Spannungsquelle führt im
Allgemeinen zu großen Verzerrungen.
Restströme, Sperrspannungen und Durchbruchspannungen
ICE0 = Kollektor-Emitter-Reststrom bei offener Basis,
ICES = Kollektor-Emitter-Reststrom bei kurzgeschlossener Basis,
IEB0 = Emitter-Basis-Reststrom bei offenem Kollektor,
weitere Restströme werden in Datenblättern angegeben.
Die bei der Messung der Restströme angelegten Spannungen nennt man Sperrspannungen. Für
Sperrspannungen gibt es bestimmte Grenzwerte.
Wird die höchstzulässige Sperrspannung am Transistor überschritten, so steigt der Sperrstrom
stark an. Die Durchbruchspannung wird immer für einen bestimmten Stromwert angegeben.
Die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung bei offener Basis hat also die Bezeichnung: U(BR)CEO.
Übersteuerungszustand und Sättigungsspannungen
Je größer der Basisstrom IB ist, desto mehr steuert ein Transistor durch. Die Spannung UCE wird
immer kleiner. Bei einem bestimmten Basisstrom wird der kleinste Wert für die KollektorEmitter-Spannung, die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung UCEsat ≈ 0,2 V erreicht. Der Kollektorstrom IC wird nahezu ausschließlich durch den äußeren Stromkreis bestimmt.
Ab einem bestimmten SteuerÜbersteuerungsbereich
IC
zustand gilt UCE ≤ UBE. Die
Kollektordiode ist nicht mehr
Ub/RC
IBÜ
Übersteuerungsin Sperrrichtung gepolt. Ein
grenze UCB = 0
Transistor befindet sich im
5
Übersteuerungszustand, wenn
aktiver Bereich
4
Kollektordiode und Emitterdiode in Durchlassrichtung
Arbeitsgerade
3
betrieben werden. Im ÜberRC
steuerungszustand ist das InIB
nere des Transistors von LaIB < 0 dungsträgern überschwemmt.
2
IB = 0
Im Übersteuerungszustand bei
Sättigungsspannung erreicht
U
0
CE
Sperrbereich
die Kollektor-Emitter-Strecke
UCE sat
1 Ub
0
I
B
ihren kleinsten WiderstandsUCE Rest
wert.
Aussteuerung eines Transistors
Mit der Batteriespannung UB als Leerlaufspannung (1) und dem Kurzschlussstrom UB/RC (5)
wird die Arbeitsgerade durch den Widerstand RC im Ausgangskennlinienfeld festgelegt.
G. Schenke, 1.2008
Sperrbereich: IB ≤ 0;
aktiver Bereich: zwischen IB = 0 (2) und IB = IBÜ (3);
Übersteuerungsbereich: zwischen IB = IBÜ (3) mit UCB = 0, UCEsat und IB = IBmax (4) mit UCE Rest.
Bei Schalttransistoren liegt der Arbeitspunkt im Sperrbereich oder im Übersteuerungsbereich.
Transistorverlustleistung
In einem Transistor wird während des Betriebes elektrische Arbeit in Wärme umgesetzt. Der
Transistor wird dadurch erwärmt.
Grundsätzlich unterscheidet man eine Kollektor-Emitter-Verlustleistung und eine Basis-EmitterVerlustleistung. Für die Gesamtverlustleistung Ptot gilt:
Ptot = U CE ⋅ I C + U BE ⋅ I B ≈ U CE ⋅ I C
(7.13)
Die Basis-Emitter-Verlustleistung ist vernachlässigbar klein gegenüber der
Kollektor-Emitter-Verlustleistung.
In den Transistordatenblättern wird eine höchstzulässige Gesamtverlustleistung bei bestimmten
Kühlbedingungen angegeben. Im AusgangskennIB,A
linienfeld wird Ptot ~ PCmax
als
sogenannte VerlustPC max
IB = 0 hyperbel dargestellt.
UCB = 0
IC
IC max
Ub/RC
IC,A
A
0
UCE,A
Ub
UCE
Darstellung der Verlusthyperbel
Kühlung von Transistoren
Die höchstzulässige Verlustleistung Ptot, hängt einmal davon ab, welche Sperrschichttemperatur ϑj
das Transistorkristall vertragen kann; zum anderen hängt sie davon ab, welche Wärmemenge pro
Zeiteinheit abgeführt wird.
Die Berechnung der Verlustleistung P von Transistoren und die Bestimmung des Wärmewiderstandes Rth erfolgt entsprechend den Angaben für Dioden (Kap. 6.2).
Temperatureinfluss und Arbeitspunktstabilisierung
Die meisten Kennwerte von Transistoren sind temperaturabhängig. Die Kennlinien verschieben
sich etwas bei Temperaturerhöhung. Dies gilt besonders für die Eingangskennlinie IB = f{UBE}.
Bei gleicher Basis-Emitter-Spannung ergeben sich bei höheren Temperaturen höhere Basisströme. Diese haben höhere Kollektorströme zur Folge, sodass der Arbeitspunkt „wegläuft“.
Der Arbeitspunkt kann mit einem Emitter-Widerstand RE oder mit einem NTC-Widerstand, der
parallel zum Basisspannungsteiler-Widerstand R2 geschaltet wird, stabilisiert werden. Der NTCWiderstand muss eng mit dem Transistorgehäuse verbunden sein.
Um den Wechselspannungsfall am Widerstand RE zu vermeiden, wird ein großer Kondensator CE
parallel geschaltet.
G. Schenke, 1.2008
Näherungsweise beträgt IC ~ IE.
Der Spannungsfall an RE steuert
bei einem größeren Strom IE
den Transistor zu, sodass UBE
und IB kleiner werden.
In der Praxis beträgt der Spannungsfall am Emitterwiderstand
RE · IE  ≥ 1,0 V ≈ 0,1 · Ub.
RC
R1
IC
IB
UCE
UBE
R2
Ub
IE
U2
RE
CE
Basisvorspannungseinstellung
mit Spannungsteiler und
Emitterwiderstand zur
Stabilisierung des
Arbeitspunktes
Der Arbeitspunkt wird entsprechend den Gl. 7.8, 7.10 und 7.11 festgelegt. Für RC, R2 und R1 gilt:
RC =
U − U CE
U b − I E ⋅ R E − U CE
≈ b
− RE
IC
IC
(7.14)
R2 =
U BE + I E ⋅ R E
(2... 10) ⋅ I B
(7.15)
R1 =
U b − U BE − I E ⋅ R E
⋅ R2
I B ⋅ R 2 + U BE + I E ⋅ R E
(7.16)
Transistorrauschen
Ladungsträger führen in Leitern und in Halbleiterkristallen unregelmäßige Bewegungen aus, das
heißt, sie bewegen sich nicht alle gleich schnell und nicht in gleicher Richtung. Die Ladungsträgerbewegungen werden ganz wesentlich durch die Wärmeschwingungen der Atome
beeinflusst.
Die unregelmäßigen Ladungsträgerbewegungen führen bei allen Strömen zum sehr kleinen
Wechselstromanteil, dem sogenannten Rauschstrom.
An einem Widerstand entsteht so eine Rauschspannung. Die Rauschleistung Pr ist das Produkt aus
dem Effektivwert der Rauschspannung Ur und dem Rauschstrom IR. Die Rauschleistung PrR eines
Widerstandes R ist proportional der Temperatur T. Sie wird stets für eine interessierende
Frequenz-Bandbreite b angegeben.
U 2r
= 4⋅k ⋅T⋅b
(7.17)
PrR = U r ⋅ I r =
R
k = 1,38 · 10-23 Ws/K
(Boltzmann-Konstante)
Der Transistor verstärkt die Eingangsrauschleistung PR1 zur Ausgangsrauschleistung PR2, der die
Rauschleistung des Transistors PRT hinzugefügt wird.
G. Schenke, 1.2008
Die Rauschzahl F = PRT2/PR2 gibt das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Rauschausgangsleistung PRT2 und der Rauschausgangsleistung bei rauschfreiem Transistor PR2 an.
PRT 2 = PR1 ⋅ Vp + PRT = PR2 + PRT
(7.18)
7.4 Transistordaten und Datenblätter
Kennwerte geben die Betriebseigenschaften des Transistors an.
Signalkennwerte für die Emitterschaltung:
- differentieller Eingangswiderstand
rBE = h11e
- differentieller Ausgangswiderstand
rCE = 1/h22e
- differentieller Stromverstärkungsfaktor
ß = h21e
- differentieller Rückwirkungsfaktor
D = h12e
Gleichstromverstärkung B: Sie ist das Kollektor-Basis-Stromverhältnis B = IC/IB. B wird für
verschiedene Arbeitspunkte angegeben.
Transistorrestströme: Kollektor-Emitter-Reststrom (Basis mit Emitter verbunden) ICES und
Kollektor-Basis-Reststrom (offener Emitter) ICB0.
Durchbruchspannungen: Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (Basis offen) U(BR)CE0,
Emitter-Basis-Durchbruchspannung (Kollektor offen) U(BR)EB0, Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (Emitter mit Basis verbunden) U(BR)CES.
Sperrschichtkapazitäten: Die Kapazitätswerte gelten für bestimmte Sperrspannungen.
- Kollektor-Basis-Kapazität
CCB0 = 6 pF (UCB = 10 V)
- Emitter-Basis-Kapazität
CEB0 = 25 pF (UEB = 0,5 V)
Grenzfrequenz fg: Bei der Frequenz fg ist der Betrag einer gemessenen Größe auf das 0,707fache
seines Wertes bei niedrigen Frequenzen (1 kHz) abgesunken.
Transitfrequenz fT: Die Transitfrequenz ist eine Rechengröße. Sie ist das Produkt aus einer
Messfrequenz mit dem bei dieser Frequenz vorhandenen Stromverstärkungsfaktor ß. Die Messfrequenz muss nahe der Frequenz fß = 1 liegen, bei der die Stromverstärkung ß = 1 beträgt.
Transistor-Schaltzeiten:
Die Einschaltzeit tein ist die Zeit, die vom Anlegen des Einschalt-Basissignals an vergeht, bis der
Kollektorstrom 90 % seines vorgesehenen Höchstwertes erreicht hat.
Die Ausschaltzeit taus ist die Zeit, die vom Anlegen des Sperrsignals an der Basis vergeht, bis der
Kollektorstrom auf 10 % seines Höchstwertes zurückgegangen ist.
Grenzwerte sind Werte, die nicht überschritten werden dürfen.
- Höchstzulässige Sperrspannungen: Von den Herstellern werden meist die maximalen
Sperrspannungen UCB0, UCE0 und UEB0 angegeben.
- Höchstzulässige Ströme:
höchstzulässiger Dauerkollektorstrom ICmax,
kurzzeitiger (10 ms) Kollektorspitzenstrom ICM,
höchstzulässiger Basisdauerstrom IBmax.
- Höchstzulässige Temperaturen:
höchstzulässige Sperrschichttemperatur ϑj,
Grenzen des Lagerungstemperaturbereiches.
G. Schenke, 1.2008
Auszüge aus den Datenblättern des epitaxischen NPN-Silizium-Planar-Transistors BC 107
Der Kollektor ist elektrisch mit dem Metallgehäuse verbunden. Der Transistor eignet sich
besonders für NF-Vor- und Treiberstufen.
Absolute Grenzdaten (Absolute maximum ratings):
- Kollektor-Emitter-Spannung (Collector-emitter voltage)
UCES = 50 V
- Kollektor-Emitter-Spannung (Collector-emitter voltage)
UCEO = 45 V
- Emitter-Basis-Spannung (Emitter-base voltage)
UEBO = 6 V
- Kollektorstrom (Collector current)
ICmax = 100 mA
- Kollektor-Spitzenstrom (Collector peak current)
ICM = 200 mA
- Basisstrom (Base current)
IBmax = 50 mA
- Gesamtverlustleistung (Total power dissipation)
Ptot = 300 mW
- Sperrschichttemperatur (Junction temperature)
ϑj = 175°C
- Lagerungstemperaturbereich (Storage temperature range)
ϑstg = -55 ... +175°C
Wärmewiderstand (Thermal resistance):
- Kollektorsperrschicht - Umgebung (Collector-junction - ambient)
- Kollektorsperrschicht - Gehäuse (Collector-junction - case)
RthJA ≤ 500 K/W
RthJC ≤ 200 K/W
Statische Kenndaten (Static characteristics, ϑA = 25°C):
- Kollektor-Emitter-Reststrom (Collector-emitter cut-off current, UCES = 50 V) ICES = 0,2 nA
- Kollektor-Emitter-Reststrom (Collector-emitter cut-off current, ϑA = 125°C) ICES = 0,2 µA
- Emitter-Basis-Durchbruchspannung (Emitter-base breakdown voltage)
UR(BR)EBO > 6 V
bei IEBO = 1 µA
- Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung (Collector-emitter breakdown voltage)
UR(BR)EBO > 45 V
bei IECO = 2 mA
- Statische Stromverstärkung B (DC current gain) gruppiert und mit A, B, C gekennzeichnet
IC = 0,1 mA Gruppe A: B = 90
B: B =150
C: B = 270
(ϑA = 125°C)
Gruppe A: B = 170 B: B =290
C: B = 500
IC = 2 mA
C: B = 400
IC = 100 mA Gruppe A: B = 120 B: B =200
Dynamische Kenndaten (Dynamic characteristics, ϑA = 25°C):
fT = 85 MHz
- Transitfrequenz (Transition frequency) bei IC = 0,5 mA, UCE = 3 V
fT = 250 MHz
bei IC = 10 mA, UCE = 5 V
- Kollektor-Basis-Kapazität (Collector-base capacity, UCBO = 10 V, f = 1 MHz) CCBO = 3,5 pF
CEBO = 8 pF
- Emitter-Basis-Kapazität (Emitter-base capacity, UEBO = 0,5 V, f = 1 MHz)
- Rauschzahl F (noise-figure NF)
F = 2 dB
bei IC = 0,2 mA, UCE = 5 V, RG = 2 kΩ, f = 1 kHz, ∆f = 200 Hz
- h-Parameter (IC = 0,2 mA, UCE = 5 V, f = 1 kHz, Stromverstärkungsgruppe B)
h11e = 2,7 kΩ, h12e = 1,5 · 10-4, h21e = 220, h22e = 18 µS.
Das Eingangskennlinienfeld IB = f{UBE}und die Ausgangskennlinien IC = f{UCE} mit IB als
Parameter sind im Folgenden im linearen Maßstab dargestellt. Weitere Datenblätter der Transistoren BC 107, BC 108, BC 109 können, wie die Hilfsblätter zur Vorlesung, unter Datenblätter der
PDF-Datei „BC107-109.pdf“ eingesehen werden.
G. Schenke, 1.2008
1000
IB· 0,1
800
IB· 0,01
IB/µA
600
400
200
0
0
0,2
0,4
0,6
UBE/V
0,8
Eingangskennlinienfeld IB = f{UBE} des NPN-Silizium-Planar-Transistors BC 107
bei Raumtemperatur (Emitterschaltung)
1000
4,0
3,5
800
3,0
IC/µA
600
2,5
2,0
400
1,5
1,0
200
0
IB = 0,5 µA
0
1
2
UCE/V
3
4
5
Ausgangskennlinien IC = f{UCE} des NPN-Silizium-Planar-Transistors BC 107
mit IB als Parameter (Emitterschaltung)
G. Schenke, 1.2008

Bipolare Transistoren

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