3 Der Bipolartransistor

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1 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 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 U CE 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. I C wird hauptsächlich von U BE und nicht von U CE bestimmt! U CE muss nur die minimale Spannung U CE, 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. 21

2 3 Der Bipolartransistor 3.1. Einführung 22 Schaltsymbole Abbildung 3.2: Schaltsymbole eines npn und pnp-bipolartransistors mit eingezeichneten Strömen und Spannung (technische Stromrichtung) Bipolartransistorgleichungen (Vergleiche: Analogie zur Diodenkennlinie Glg. 2.1) Kennlinien I E = I B + I C (3.1) I C = BI B (3.2) I C = I s (e U BE U T 1) (3.3) Es gibt zwei Möglichkeiten den Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen U BE oder I B mit den Ausgangsgrößen U CE und I C vollständig mit Transistorkennlinien zu beschreiben. 1. Möglichkeit: Zwei Kennlinien Transferkennlinie I C = f(u BE ) Ausgangskennlinienfeld I C = f(u CE ) mit U BE als Parameter 2. Möglichkeit: Drei Kennlinien ( können in 4-Quadrantenkennlinienfeld zusammengefasst werden) Eingangskennlinie I B = f(u BE ) Stromsteuerkennlinie I C = I B Ausgangskennlinienfeld I C = f(u CE ) mit I B als Parameter Beachten Sie: Die Eingangskennlinie entspricht nicht der Diodenkennlinie der BE-Diode. In Transfer- und Ausgangskennlinie steckt die gleiche Information: Verknüpfung der Parameter U BE, U CE und I C. Es wird nur eine andere Größe als Parameter verwendet.

3 3 Der Bipolartransistor 3.1. Einführung 23 Messschaltung zur Bestimmung von npn-transistorkennlinien Je nach gewünschter Kennlinie werden die Spannungsquellen variiert oder auf einen bestimmten Wert eingestellt. Transferkennlinie Ausgangskennlinienfeld Eingangskennlinie Stromsteuerkennlinie Ausgangskennlinienfeld Quadrantenkennlinienfeld Anmerkung: I C ist in der Realität geringfügig von U CE abhängig. Man beobachtet, dass sich die extrapolierten Kennlinien näherungsweise in einem Punkt schneiden. (Early-Effekt) Early-Spannung

4 3 Der Bipolartransistor 3.1. Einführung 24 Kleinsignalersatzschaltbild Linearisierung der Transistorgleichungen im Arbeitspunkt Eingangskennlinie Transferkennlinie Ausgangskennlinie Die Kleinsignalspannungen und -ströme werden im Folgenden klein geschrieben U BE = u BE I B = i B U CE = u CE I C = i C und werden durch folgende Zusammenhänge im KSESB Abb. 3.3 miteinander verknüpft: u BE = r BE i B i c Su BE i C = g EA u CE i C = i C + i C i E = i B + i C (3.4) Abbildung 3.3: Kleinsignalersatzschaltbild eines Bipolartransistors

5 3 Der Bipolartransistor 3.1. Einführung 25 Arbeitspunkteinstellung Der Arbeitspunkt legt die Großsignalgrößen I B, 0, U BE, 0, I C, 0 und U CE, 0 sowie die Kleinsignalgrößen r BE, S und g EA fest. bestimmt maximal möglichen Aussteuerbereich soll für große Aussteueramplituden in die Mitte des Aussteuerbereiches (U CE, min...u 0 ) gelegt werden Hier: Ansich guter AP, da großer Aussteuerbereich. Durch eine größere Eingangsspannung u BE würden sowohl die Verzerrungen in der zweiten Halbwelle zunehmen als auch Verzerrungen bzw. sogar Signalbegrenzung in beiden Halbwellen auftreten können. R C kleiner steilere Arbeitsgerade u CE gegenüber u BE um 180 phasenverschoben und aufgrund Nichtlinearität der Eingangskennlinie i.a. verzerrt R C größer flachere Arbeitsgerade Signalbegrenzung Signalverzerrung Sättigungslinie schlechte Ausnutzung des Aussteuerbereichs Verzerrung und Begrenzung in erster Halbwelle

6 3 Der Bipolartransistor 3.1. Einführung 26 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 U CE grafisch. Was passiert wenn Sie u BE und/oder R C vergrößern oder verkleinern?

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