Transistor BJT I. Roland Küng, 2009

Transkript

1 Transistor BJT I Roland Küng, 2009

2 Aufbau-Bezeichnungen Typ NPN Typ PNP

3 Aufbau Praktisch Typ NPN B Schicht dünn E Schicht hoch dotiert (viel Phosphor bei n, Bor bei p) B E C

4 Funktionsweise I E hoch dotiert viele freie Elektronen, B niedrig dotiert wenig freie Löcher BC Diode wird in Sperrrichtung vorgespannt BE Diode wird in Flussrichtung vorgespannt Löcher werden von B nach E, Elektronen von E nach B injiziert

5 Funktionsweise II Wegen hoher Dotierung von E fliessen viele Elektronen in die Basis Da Basis Schicht sehr dünn die meisten Elektronen schaffen es bis zur Kollektor Grenzschicht (Diffusionsprozess) Dort werden die Elektronen (Minoritätsträger in Basis) vom Kollektor über die Grenzzone angezogen

6 Diode Transistor E B C Hoch dotiert tief dotiert normal - pn leitend pn sperrend

7 Funktionsweise populär Für die Elektronen des Emitters stellt die E-B-Grenzschicht energetisch gesehen einen "Berg" dar, sie müssen durch eine äußere Spannung v BE in diese Grenzschicht geschoben werden. Ebenso stellt die B-C-Grenzschicht für die Löcher der Basis einen "energ. Berg" dar, der durch die Sperrspannung v BC hoch ist. Für die Elektronen, die vom Emitter aus in die p-schicht gelangt sind, stellt die B-C-Grenzschicht dagegen eine "energetische Rutsche" dar. Sie werden durch die elektrischen Anziehungskräfte zum Kollektor gezogen. Modell;

8 T- Ersatzbild NPN Effektives I s von BE Diode Einfaches Modell mit V D = 0.7 V α 1 i E = i C + i B i C = α i E i = I C S e v BE / V T i E = i C + i B V CB > 0 V CB > 0

9 π- Ersatzbild NPN Effektives I s von BE Diode Einfaches Modell mit V D = 0.7 V i E = i C + i B v / β sehr gross i C = β i B BE V i T C = ISe i E = i C + i B V CB > 0 V CB > 0

10 T- Ersatzbild PNP =αi E i E = i C + i B i = I C S e V BC > 0 v BE / V T Ströme: nur Pfeilrichtungen sind geändert Spannungen: nur Polaritätsrichtung geändert (CB BC BE EB)

11 Transistor linear or off? Linearer Betrieb + 5 kω + 7 kω Bedingung BE - Diode on BC - Diode off Praktische Realisation Test: Handrechnung Diodenbetrieb widerspruchsfrei BE - Diode on V CB > 0 V BC - Diode off

12 Transistor on and linear? Ihre Beispiele 2 kω 2 kω + 1 V L: off, on/lin, on/not lin, on/lin

13 Kennlinie NPN On CB leitet i C CB sperrt Off BE sperrt v CB -

14 Kennlinie NPN i C On i b = i b = i b = v BE > 0.7 V i b = nicht massstäblich! V A typ. 100 V Off v BE < 0.7 V v CE

15 Kennlinie NPN Beispiel i C Steigung β i B v CE v BE

16 BJT Kennlinie ausmessen Circuit Measurements 1. Connect the NPN 2N2219A on the Lab Board as shown in Fig. Let R C = 2.7 kω, R B = 1 MΩ and R E = 100 Ω. Let V CC = 5 V.

17 BJT Kennlinie ausmessen I = β C I B α = β β +1 Grafik zeichnen:

18 e Kennlinie NPN ideal I E

19 Golden Rules BJT Spannung Basis-Emitter ist konstant 0.7 V Emitterstrom ist gleich gross wie Kollektorstrom Kollektorstrom hängt nicht von Spannung v CE ab Basis-Kollektor-Diode muss sperren Kollektorstrom i C ist proportional zum Basisstrom i B Proportionalitätsfaktor: Stromverstärkung i C /i B = β Typischer Wert β (wenn nichts spezifiziert): β = 100

20 Arbeitspunkt Wahl I

21 Arbeitspunkt Wahl II Signal Arbeitspunkt Graphische Überlegung

22 Arbeitspunkt Wahl III Last Graphische Überlegung

23 Erzeugung von V BB Analyse Arbeitspunkt I B = 0 gilt für β V BB = V CC R2 R + R 1 2 V C V E = V = V CC BB I C 0.7 R C V E I E = = RE I C Vereinfachungen: Spannungsteiler an Basis unbelastet V BE = 0.7 V, I C = I E Do not forget: check BC Diode Operation: must be off

24 Design Beispiele Berechnung VOUT für 75 Grad Celsius

25 Transistor Bauformen

26 Transistor Data Sheet

27 Transistor Data Sheet β = h FE Switch V BE

28 Synthese Arbeitspunkt Guidance 1 Synthese für: V cc/ 2 V cc /3 V cc / V EE V cc /2 V EE V cc /3 2 Elemente über VCC-VEE 3 Elemente über VCC-VEE V CC und R C oder I C vorgeben

29 Synthese Arbeitspunkt Guidance 2 I E /10 I C I E /10 I E /100 0 I E V CC und R C oder I C vorgeben

30 Zusammenfassung Bipolar Transistoren gibt es in NPN und PNP Aufbau. Symbolpfeil zeigt in Richtung Emitterstrom im linearen Betrieb. Die BE Diode muss in Flussrichtung gepolt sein V BE = 0.7 V, die BC Diode in Sperrrichtung im linearen Betrieb. Golden Rules: Kollektorstrom entspricht dem linear um typ. Faktor β = 100. verstärkten Basisstrom. wenn BE-Diode leitet und BC-Diode sperrt. VBE = 0.7 V. V CB kann beliebig sein, solange BC-Diode sperrt. Dimensionierung Handentwurf: Speisespannung gleich verteilen. V BE = 0.7 V, I E vorgeben oder Last R C.. Querstrom Basisteiler I C /10. i B = 0. i E = i C.

31 Praxis Design Beispiel Einbruch Alarm, Optische Klingel Aufgabe 1: Mit Hilfe der Design Guidance berechne sie R B 1, R B2, R C, R E für die LED Vorgabe (rot) Aufgabe 2: Messen sie V C, V E, V B am Transistor Vergleich mit Rechnung, Berechnen sie I C. Messen sie I B und bestimmen sie β BC107, BCY59 Aufgabe 3: Temperatur-, Brandalarm: Ersetzen sie in der Fig. R B2 durch PTC und tauschen sie R E gegen eine 3V9 Z Diode Wie funktioniert der Alarm? Aufgabe 4 - Advanced: Ändern sie die Schaltung für PNP Typ Gleiche Versorgungsspannung, gleiche LED