Bipolare Transistoren Entwicklung

Transkript

1 Teil D5: ipolare Transistoren Wirkprinzip, ufbau und ezeichnungen Kennlinien Transistor-Grenzwerte mitterschaltung Transistor-Transistor-Logik ipolare Transistoren auelement zum Verstärken elektrischer Signale. Stromgesteuerte, aktive auelemente. Grundmaterial meist Silizium, aber auch Germanium oder Gas. ildliche Darstellungen: npn - Transistor pnp - Transistor ipolare Transistoren ntwicklung ipolare Transistoren Gehäuseformen rste ntwicklung 1947 ell Labs, New Jersey ntwickler: John ardeen Walter rattain William Shockley Nobelpreis 1956 (ardeen erhält 1972 einen weiteren Nobelpreis für seine rbeiten in der Supraleitung.) Kriterien für die Gehäusewahl: Preis, Wärmehaushalt, Umgebungsbedingungen, / Teil D5 / Seite 01

2 ipolare Transistoren ufbau ipolare Transistoren ufbau Drei dünne Halbleiterschichten: Schicht 1 Schicht 2 Schicht 3 elektr. nschlüsse ls Dioden gezeichnet: npn - Transistor pnp - Transistor nschluss 1 nschluss 1 Wie bei der Diode sind die einzelnen Schichten verschieden dotiert: npn n p n pnp p n p Die Schichtgrenzen bewirken nschluss 2 nschluss 2 nschluss 3 nschluss 3 chtung: Diese Struktur lässt sich leicht nachmessen, sie erklärt aber nicht die Funktion. den Transistoreffekt ipolare Transistoren ntwicklung ipolare Transistoren ezeichnungen Das Potenzial des Transistors bleibt zuerst unerkannt. Shockley sah die Möglichkeiten, verließ die ell Labs und gründete eine eigene Firma. r stellt Spitzenkräfte ein, verprellt aber die acht besten mit seiner Persönlichkeit. Zu den acht gehören ob Noyce und Gordon Moore, die die Firma Intel gründen. Noyce Moore asis, : Kollektor, : mitter, : mitter asis Kollektor elektr. nschlüsse mittlere Schicht, hier werden die Steuersignale angelegt. lektrode an einer der äußeren Schichten. lektrode an der zweiten äußeren Schicht. nm.: Die nschlüsse dürfen nicht vertauscht werden / Teil D5 / Seite 02

3 ipolare Transistoren Schaltzeichen ipolare Transistoren ezeichnungen npn - Transistor pnp - Transistor ezeichnungen in Transistorschaltungen: I I I Kollektorstrom asisstrom mitterstrom Kollektor, : n-dotiert asis, : p-dotiert mitter, : n-dotiert Kollektor, : p-dotiert asis, : n-dotiert mitter, : p-dotiert U U U Kollektor-mitter-Spannung asis-mitter-spannung asis-kollektor-spannung Situation 1: U ipolare Transistoren Funktion npn-transistor - + Diode sperrt. Diode sperrt. s fließt kein Strom. - + U Situation 2: U ipolare Transistoren Funktion npn-transistor + - I I =I +I - + U U > 0,7 V: Diode leitet, es fließt Strom I und I. Der lektronenzufluss in die asis macht die Diode leitfähig und Strom I beginnt zu fließen. I / Teil D5 / Seite 03

4 ipolare Transistoren Kennlinien ipolare Transistoren Kennlinien asisstrom I als Funktion der asis- mitter-spannung U U = U I [µ] typische Diodenkennlinie rbeitspunkt U Kollektorstrom I als Funktion des asisstroms I. U = I I [m] nahezu lineare bhängigkeit rbeitspunkt U U [V] U I [µ] I I U Kollektorstrom I als Funktion der Kollektor- mitter-spannung U. I I U ipolare Transistoren Kennlinien I [m] I hängt kaum von U ab. I größer I = 6µ I kleiner U [V] U asis-mitter- Spannung U als Funktion der Kollektor- mitter-spannung U. I = 6 µ I I U ipolare Transistoren Kennlinien U [V] I größer I = 6µ I kleiner U hängt kaum von U ab. (rückwirkungsfrei) U [V] / Teil D5 / Seite 04

5 ipolare Transistoren Zusammenfassung der Kennlinien ipolare Transistoren enennung der Kennlinien Die Zusammenfassung bietet einen umfassenden lick auf die Transistoreigenschaften. I [µ] 10 8 U I U 6 4 rbeitspunkt 2.0 I [m] U [V] I größer I = 6µ I kleiner U [V] I kleiner I = 6µ I größer I [µ] I [m] rbeitspunkt usgangskennlinie Sättigungsbereich U [V] I = 6µ U [V] I = 6µ Rückwirkungskennline Stromverstärkungskennlinie ktiver ereich, bevorzugter ereich für die Lage der rbeitspunkte ingangskennlinie I ipolare Transistoren Weitere egriffe ipolare Transistoren mitterschaltung Grenzdaten: rbeitspunkt: Maximalwerte für die eschaltung eines Transistors. esonders zu beachten: asisspannungen und -ströme ereich im Kennlinienfeld, in dem der Transistor arbeitet. zu verstärkendes Signal, z.. Mikrofon. I R I nmerkung: ei der Verstärkung analoger Signale muss der rbeitspunkt in einem ereich der Kennlinie liegen, der möglichst linear ist. Dies schließt den ereich um den Nullpunkt aus asisvorspannung Last, z.. Kopfhörer Die Leitung am mitter ist der gemeinsame ezugspunkt / Teil D5 / Seite 05

6 ipolare Transistoren mitterschaltung ipolare Transistoren mitterschaltung I R U S I U e Verstärkung: β 100 (s. Datenblatt) Kleinsignalstromverstärkung ingangswiderstand: v u = -βr / r r ~ 40 mv / I I 1 kω U S I U e Großsignalverhalten für U S = 1, β = 233 U e I r I..5µ 80kΩ 10µ.6V.6µ 67kΩ 12µ.7V 1µ 40kΩ 66µ.8V 12µ 3kΩ 2.5m.9V 59m.7Ω 10m 10V 10V 9.9V 7.4V 20mV ipolare Transistoren mitterschaltung ipolare Transistoren mitterschaltung U e..6v.7v.8v.9v Großsignalverhalten für U S = 1, β = 233 I.5µ.6µ 1µ 12µ 59m r 80kΩ I 10µ 67kΩ 12µ 40kΩ 66µ 3kΩ 2.5m.7Ω 10m 10V 10V 9.9V 7.4V 20mV Großsignalverhalten = die ganze 10 I [µ] 8 I [m] Kennlinie R = 1 kω 5 10 [V] U e [V] Kennlinie wird genutzt nahezu linearer Zusammenh I 1 kω I 06 / Teil D5 / Seite 06 U S U e U e 750mV 751mV 752mV 753mV 754mV Kleinsignalverhalten für U S = 1, β = 233 I 2.4µ 2.5µ 2.6µ 2.6µ 2.7µ r 17kΩ 16kΩ 15kΩ 15kΩ 15kΩ I 0.40m 0.42m 0.43m 0.45m 0,46m 9.60V 9.58V 9.57V V

7 in Transistor in mitterschaltung arbeitet als Inverter. U e 10kΩ 40kΩ 10kΩ R U e NOR - Gatter R N N NOT - Gatter NND - Gatter R 1 R 3 = Z * 2 *... * N N unsichere Schaltung, da Spannung zu hoch / Teil D5 / Seite 07

8 NND - Gatter NND - Gatter R R < Spannungsabfall der Dioden hebt diesen Punkt auf ca. 0,7 V. U von 0,7 V sperrt den Transistor nicht mehr sicher. Dieser Punkt muss nun ~1,4 V erreichen, bevor der Transistor zu leiten beginnt Transistor-Transistor-Logik TTL NND N ine Diode benötigt in einem I mehr Platz als ein Transistor. R Multi-mitter- Transistor, fasst ingänge zusammen * 2 * 3 Transistor-Transistor- Logik (TTL) / Teil D5 / Seite 08

9 Transistor-Transistor-Logik TTL NND Transistor-Transistor-Logik TTL NND Diode sperrt Diode leitet Stromfluss Transistor leitet Diode leitet U ~ Diode sperrt kein Stromfluss Transistor sperrt Transistor-Transistor-Logik TTL NND Transistor-Transistor-Logik TTL Familien Industrielle usführung SN 7400: Familie Standard TTL Schottky S TTL usgangsverstärker Gatterlaufzeit 10 ns 3 ns Störabstand bei Störabstand bei Verlustleistung pro Gatter 10 mw 20 mw Schutzdioden Low Power Schottky LS TTL 7 ns mw Störabstand: max. zul. bweichung vom Normpegel / Teil D5 / Seite 09

10 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 / Teil D5 / Seite 10