7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors

463 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors Die ezeichnung Transistor ist ein Kunstwort aus transfer resistor, was sich als übersetzender Widerstand oder Übertragungswiderstand definieren lässt. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen drei Transistorfamilien in der Praxis: Transistor (prinzipiell) ipolare Transistoren nijunktiontransistor JT nipolare Transistoren pnp-typ npn-typ n-kanal-fet p-kanal-fet Für den etrieb von bipolaren Transistoren sind immer zwei pn-übergänge erforderlich, d. h., ein Transistor besteht normalerweise aus drei Zonen. Davon weisen die beiden äußeren Zonen untereinander prinzipiell identische Eigenschaften auf, während die mittlere Zone abweichende Kriterien hat. Die besonderen Eigenschaften erreicht man durch unterschiedliche Dotierung bestimmter chemischer Elemente. Den elektrischen Charakter der Zonen kennzeichnet man mit den uchstaben p und n, wie bei den Dioden. Da die beiden äußeren Zonen im Prinzip gleiche Eigenschaften aufweisen, gilt für diese Zonen auch der gleiche uchstabe. Für die Zwischenzone hat man dagegen andere uchstaben. ei einem pnp-transistor lautet daher die Reihenfolge der Zonen pnp und beim npn-transistor npn. Die drei Anschlüsse eines Transistors werden mit asis [basis (lat.) = Grundlage], Emitter [emittere (lat.) = hervorbringen] und Kollektor [collector (lat.) = Sammler] bezeichnet. Ein nijunktiontransistor JT ist dagegen ein auelement, das aus einem einkristallinen Siliziumstab mit n-dotierung, zwei ohmschen Endkontakten und einem Sperrschichtkontakt mit p-dotierung besteht. Die beiden ohmschen Kontakte bezeichnet man als asis 1 (1) und asis 2 (2) und den Sperrschichtkontakt als Emitter. Die Erklärung von den nijunktiontransistoren folgt im Kapitel zur Leistungselektronik. nter einem Feldeffekttransistor FET versteht man ein auelement, bei dem der Majoritätsträgerstrom zwischen Source (Quelle) und Drain (Abfluss) mithilfe eines elek-

464 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors trischen Felds am Gate (Tor) gesteuert wird, das entweder die ahn des gesteuerten Stroms quer zur Stromrichtung durchsetzt oder den Strömungsquerschnitt im Halbleiter beeinflusst. Da nur eine Ladungsträgerart am Verstärkermechanismus beteiligt ist, bezeichnet man die Feldeffekttransistoren auch als unipolare Transistoren. Im Gegensatz zu den bipolaren Transistoren hat man bei den Feldeffekttransistoren das Gate (Tor) für den Steueranschluss, das die Funktion der asis beim Transistor hat, den Drain-Anschluss (Senke) und den Source-Anschluss (Quelle). Der Stromfluss zwischen Source und Drain wird durch ein elektrisches Feld gesteuert. eim Sperrschicht-Feldeffekttransistor oder J-FET (Junction) wirkt das elektrische Feld über einen pn-übergang auf den Stromfluss ein. ei den Isolierschicht-FETs, den MOSFETs (Metal Oxide-Semiconductor-FET) hat man dagegen eine hochisolierende Schicht zwischen Kanal und Gate. Aus diesem Grund auch die ezeichnung IG-FET (Isolated- Gate-FET). Insgesamt gibt es zwei Arten von Feldeffekttransistoren, den p- und den n-kanal, bei den MOSFETs ebenfalls die beiden Typen mit p- und n-kanal, wobei man noch zwischen dem Verarmungstyp (Depletion) und dem Anreicherungstyp (Enhancement) unterscheiden muss. 7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen ipolare Transistoren bestehen aus drei Zonen, Emitterzone, asiszone und Kollektorzone. Zu jeder der drei Zonen gehört ein separater Anschluss und somit weist der Transistor einen Emitteranschluss, einen asisanschluss und einen Kollektoranschluss auf. Abb. 7.1: Querschicht durch einen npn-planar-epitaxial-transistor. Das Verhältnis der Höhe zur reite des Schnittbilds wurde wesentlich übertrieben dargestellt, insbesondere soweit das die epitaxiale Schicht und deren Abdeckung betrifft. Wie Abb. 7.1 erkennen lässt, ist die Grenzfläche der asiszone gegen die Kollektorzone größer als die gegen die Emitterzone. Dieser Größenunterschied hat zwei Gründe: Der den Transistor durchfließende Strom ist, wie der Strom auch sonst, eine Drift von Ladungsträgern. Die Ladungsträger gehen von der Emitterzone zur Kollek-

7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen 465 torzone über. Hierbei sollen sie auf den mittleren ereich der Grenzfläche zwischen asiszone und Kollektorzone treffen, damit ihre Wege in der asiszone möglichst kurz ausfallen. Das erreicht man, indem man die Kollektorgrenzfläche nach allen Seiten größer gestaltet als die Emittergrenzfläche. ei etrieb liegt zwischen asis und Kollektor im Allgemeinen eine weit höhere Spannung als zwischen Emitter und asis. Der Emitterstrom I E und der Kollektorstrom I C hingegen weisen fast identische Werte auf. Daraus folgt, dass an der Grenze zwischen Kollektor und asis eine größere elektrische Leistung entsteht als an der Grenze zwischen Emitter und asis. eide Leistungen werden in Wärme umgesetzt. An der Grenze zwischen Kollektor und asis entsteht folglich mehr Wärme als an der Grenze zwischen Emitter und asis. Abb. 7.2: Gegenüberstellung von pnp- und npn-transistor im Schichtenaufbau, Wirkung der Dioden und die Schaltzeichen Die Gegenüberstellung von pnp-transistor (links) und npn-transistor (rechts) in Abb. 7.2 zeigt den unterschiedlichen Aufbau der Transistoren. ei der Frage nach dem Schichtenaufbau muss man die technologischen Varianten des Transistors beachten, wobei zahlreiche, recht unterschiedliche Möglichkeiten für die Realisierung vorhanden sind: Legierungstransistor, Drifttransistor, diffundiert-legierter Mesa-Transistor, Planartransistor, Epitaxie-Planar-Transistor, HF-Leistungstransistor, Overlay-Transistor und Hochspannungstransistor. Jeder Transistor ist anders aufgebaut und für bestimmte Anwendungsbereiche optimiert worden. ei allen Transistoren ist aber gleich, dass die Ladungsträger über den Emitteranschluss in den Transistor eintreten und diesen über den Kollektoranschluss verlassen. Der gesteuerte bzw. zu steuernde Strom fließt somit vom Emitter zum Kollektor. Die Steuerung dieses Stroms übernimmt die asis. etrachtet man sich die Diodenmodelle, erkennt man die Grenzschicht zwischen asis- und Emitterzone, die als asis-emitter-sperrschicht bezeichnet wird. Die

466 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors Grenzschicht zwischen asis- und Kollektorzone definiert man als asis-kollektor- Sperrschicht. Die Diode zwischen asis und Emitter bezeichnet man als asis-emitter- Diode und die zwischen asis und Kollektor als asis-kollektor-diode. 7.1.1 Wirkungsweise des npn-transistors Aus technologischen Herstellungsgründen wurden bis 1970 pnp-transistoren aus Germanium und npn-transistoren aus Silizium hergestellt. Heute arbeitet man ausschließlich mit Silizium-Transistoren, ob man nun npn- oder pnp-typen in der analogen oder digitalen Schaltungstechnik einsetzt. Germanium findet man dagegen nur sehr selten. Abb. 7.3: Ausschnitt eines npn-transistors mit seinen drei Zonen. Dieser Ausschnitt umfasst die Teile, die an den beiden Grenzflächen aneinanderstoßen. Jede der Grenzflächen stellt einen pn- Übergang dar. ei einem npn-transistor sind die Emitterzone und die Kollektorzone mit Donatoren dotiert und daher erfolgt die Darstellung in Abb. 7.3 als n-zone. Die asiszone wird mit Akzeptoren dotiert und ist als p-zone dargestellt. Aufgrund dieser drei Zonen weist ein npn-transistor zwei Grenzflächen auf, an denen jeweils eine n-zone und eine p-zone aneinanderstoßen. Hierbei handelt es sich nicht etwa um drei einzelne Siliziumstücke, sondern um ein durchgehendes Silizium-Atomgitter, das auf der einen Seite der Grenzfläche mit Donatoren und an der anderen Seite mit Akzeptoren dotiert ist. Diesseits und jenseits der Grenzfläche, an der die beiden unterschiedlichen Zonen aneinander grenzen, entstehen besondere elektrische Zustände. Die gesamte Schicht, die durch diese Zustände charakterisiert ist, bezeichnet man als Sperrschicht. Diese ezeichnung lässt sich damit begründen, dass diese Schicht eine Diodenwirkung aufweist. Zwei gegeneinandergeschaltete Dioden wirken noch nicht wie ein Transistor. Man erkennt dessen Wirkungsweise auch nicht aus einer solchen Schaltung, wie die Diodenmodelle in Abb. 7.2 zeigen. Aufgrund der Diodenmodelle wäre zunächst lediglich zu vermuten, vom Emitter müsse zur asis durch die Emitter-asis-Diode ein verhältnismäßig hoher Strom fließen. Wenn man dann noch zur Kenntnis nimmt,

7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen 467 dass CE > E ist, könnte man außerdem annehmen, es wird über den Kollektor nur ein sehr geringer Strom fließen. So aber ist eine Funktion des Transistors als verstärkendes auelement nicht möglich. Abb. 7.4: Physikalisches Prinzip eines npn-transistors Das physikalische Prinzip eines npn-transistors lässt sich über zwei Gleichstromkreise erklären, wie Abb. 7.4 zeigt. Hier muss man nun zwischen der technischen Stromrichtung (Plus nach Minus) und der Elektronenflussrichtung (Minus nach Plus) unterscheiden. In Abb. 7.4 entspricht die Polung der etriebsspannungsquelle der technischen Stromrichtung. Damit fließt vom Pluspol der Spannungsversorgung ein Kollektorstrom I C zum Kollektor C weiter in die Kollektor-asis-Diode, die in Sperrrichtung betrieben wird. ei einem nicht angeschlossenen Emitter kann demzufolge im Kollektorstromkreis nur ein sehr geringer Sperrstrom durch die Kollektor-Emitter-Diode fließen. Dieser Strom ist für die Kollektor-Emitter-Diode (wie dies auch bei jeder Diode der Fall ist, wenn in Sperrrichtung nur ein geringer Strom fließen kann) ein Majoritätsträgerstrom. Als Majoritätsträgerstrom kommen in der p-zone der asis nur Elektronen infrage. Ist der Kollektor dagegen offen und die asis-emitter-strecke angeschlossen, d. h. in Durchlassrichtung, so würden die in den asisraum injizierten Elektronen mit den dort auf Grund der p-dotierung vorhandenen Defektelektronen rekombinieren. Dabei würden an dem asisanschluss des Pluspols der angeschlossenen Spannungsquelle laufend Defektelektronen nachgeliefert werden. Jedoch ist der Kollektorstromkreis gemäß Abb. 7.4 angeschlossen. Wie bei fehlendem Kollektorstromkreis, gelangen auch jetzt Elektronen aus der n-zone des Emitters in

468 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors die p-zone der asis. Elektronen in der p-zone sind dort nichts anderes als Majoritätsträger, da ja in der p-zone die Defektelektronen die Minoritätsträger darstellen. Der auf die asis-kollektor-sperrschicht entfallende Teil der Kollektorspannung ist für die Minoritätsträger in Sperrrichtung gemäß gepolt. Diese Polung stellt aber für die Majoritätsträger, d. h. für die vom Emitter her in die asiszone fließenden Elektronen, die Durchlassrichtung dar. Was also an Elektronen durch die asis-emitter-diode in die asisschicht kommt, findet dort durch die asis-kollektor-sperrschicht hindurch einen offenen Weg zum Kollektoranschluss. Die Funktion des Transistors beruht demzufolge darauf, dass der über die Emitter-asis-Diode fließende Elektronenstrom, der von der zwischen asis und Emitter wirkenden Signalquelle gesteuert ist, zum allergrößten Teil durch die Kollektorspannung aus der asis über die Kollektor-asis-Diode abgesaugt wird. Dabei bemüht man sich, den im Prinzip unvermeidlichen, über die asis fließenden Stromanteil so klein wie möglich zu halten. Der asisstrom I beträgt 0,5 % bis 5 % des Kollektorstroms I C, d. h. I E = I C + I Der Emitterstrom I E ist eine Addition zwischen dem Kollektorstrom I C und dem asisstrom I. Der Wert des asisstroms ist zwar im Vergleich zum Kollektorstrom gering, muss aber beim Entwurf und Aufbau einer Schaltung berücksichtigt werden. Die verstärkende Wirkung des Transistors erklärt sich so: Weil die asis-emitter- Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, ist die an dieser Diode erforderliche asis- Emitter-Signalspannung geringer und liegt je nach Typ bei E 0,6 V. Da man dafür sorgt, dass der durch die asis-emitter-diode fließende Strom zum größten Teil zum Kollektor weiterfließt, hat der asisstrom auch nur einen niedrigen Wert. eides zusammen ergibt eine nur kleine Signalsteuerleistung. Im Ausgang fließt der Kollektorsignalstrom, der wesentlich höher ist als der asissignalstrom. Die Kollektorgleichspannung ermöglicht im Ausgang bei Einschalten eines passenden Arbeitswiderstands eine Kollektorsignalspannung, deren Scheitelwert den Wert der Kollektorbetriebsspannung + erreichen kann. Es gilt: CE = E + C Hoher Signalstrom bei hoher Signalspannung auf der Kollektorseite ergeben gemeinsam die Kollektorsignalleistung, die die asissignalleistung wesentlich übersteigt. 7.1.2 Statische Kennlinienaufnahme eines npn-transistors in Emitterschaltung Im Transistor stehen folgende vier Größen zueinander in eziehung: Eingangsstrom I 1 oder asisstrom I

7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen 469 Eingangsspannung 1 oder asis-emitter-spannung E Ausgangsstrom I 2 oder Kollektorstrom I C Ausgangsspannung 2 oder Kollektor-Emitter-Spannung CE Wegen der internen Verkopplungen der einzelnen Sperrschichten sind alle vier Größen voneinander abhängig. Abb. 7.5: Schaltung zur statischen Kennlinienaufnahme eines npn-transistors in Emitterschaltung Mit der Schaltung von Abb. 7.5 lassen sich folgende vier Kennlinien des Transistors aufnehmen: Eingangskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von I = f( E ) bei CE = konstant und hat den Verlauf einer Siliziumdiode. Stromverstärkungskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von I C = f(i ) bei CE = konstant. Aus der Stromverstärkungskennlinie kann die Stromverstärkung (statischer Wert) oder (dynamischer Wert) eines Transistors ermittelt werden. In der analogen Schaltungspraxis setzt man die edingung voraus:. Ausgangskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von I C = f( CE ) mit I = konstant. Die Ausgangskennlinie stellt für den praktischen Entwurf die wichtigsten Kenngrößen zur Verfügung. Rückwirkungskennlinie: Diese Kennlinie zeigt den Zusammenhang von E = f ( CE ) bei I = konstant. Aus dieser Kennlinie ist zu entnehmen, dass eine

470 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors Änderung der Kollektor-Emitter-Spannung nur einen sehr geringen Einfluss auf die Eingangsspannung E hat. Diese Kennlinie wird für den praktischen Schaltungsentwurf nicht benötigt. ei der ntersuchung der Eingangskennlinie lässt sich die Abhängigkeit des asisstroms I von der asis-emitter-spannung E ermitteln. edingung ist hier, dass die Kollektor-Emitter-Spannung CE einen konstanten Wert für die Kennlinienaufnahme hat. Tabelle 7.1 zeigt die Werte für die statische Aufnahme der Eingangskennlinie bei Transistor C107, wenn die edingung CE = +5 V beträgt. Tabelle 7.1: Werte für die statische Aufnahme der Eingangskennlinie des Transistors C107 bei einer konstanten Kollektor-Emitter-Spannung von CE = +5 V E in mv 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 I in µa 0,028 0,055 0,111 0,278 1,77 11 69 314 938 2056 3736 Aus Tabelle 7.1 lässt sich die Eingangskennlinie im doppelt-linearen Maßstab (links) und im linear-logarithmischen Maßstab darstellen, wie Abb. 7.6 zeigt. Abb. 7.6: Eingangskennlinie des Transistors C107 im doppelt-linearen Maßstab (links) und im linear-logarithmischen Maßstab Man benötigt die Eingangskennlinie aus zwei Gründen in der analogen Schaltungstechnik: Die Kennlinie gibt Aufschluss über die elastung bzw. das Ansteuerverhalten der Signalquelle am Eingang der Transistorstufe. Man muss den zur asis-emitter-spannung fließenden asisstrom kennen, um die Stromquelle dieser Signalerzeugung richtig zu berechnen und die erforderlichen auelemente dimensionieren zu können.

7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen 471 Aus der asis-emitter-spannung E und dem asisstrom I kann man den statischen und den dynamischen Eingangswiderstand ermitteln mit R = E ein I r ein E = I Es wird zwischen dem Eingangswiderstand für reinen Gleichstrombetrieb und Signalstrom- bzw. Wechselstrombetrieb unterschieden. ei der ntersuchung der Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskennlinie lässt sich der Kollektorstrom I C in Abhängigkeit des asisstroms I ermitteln. edingung ist hier, dass die Kollektor-Emitter-Spannung CE einen konstanten Wert für die Kennlinienaufnahme hat. Tabelle 7.2 zeigt die Werte für die statische Aufnahme der Steuerkennlinie bei Transistor C107, wenn die edingung CE = +5 V beträgt. Tabelle 7.2: Werte für die statische Aufnahme der Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskennlinie des Transistors C107 bei einer konstanten Kollektor-Emitter-Spannung von CE = +5 V E in mv 500 550 600 650 700 750 800 850 900 I in µa 0,12 0,28 1,77 11 69 314 938 2056 3736 I C in ma 8 µ 52 µ 360 µ 2,42 15 62 159 292 446 Aus Tabelle 7.2 lässt sich die Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskennlinie des Transistors C107 bei CE = +5 V im doppelt-linearen Maßstab darstellen, wie Abb. 7.7 zeigt. Abb. 7.7: Steuerkennlinie bzw. Stromverstärkungskennlinie des Transistors C107 bei einer konstanten Kollektor-Emitter-Spannung von CE = +5 V im doppelt-linearen Maßstab

472 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors Aus dieser Kennlinie lässt sich die Stromverstärkung des Transistors ermitteln. Dabei unterscheidet man zwischen der statischen Stromverstärkung (Gleichstromverstärkung) mit I C 2, 42mA = = = 220 I 11 A dynamischen Stromverstärkung (Wechselstromverstärkung) mit IC 15mA 2, 62mA = = = 217 I 69 A 11 A Da sich die statische und dynamische Stromverstärkung sehr ähnlich sind, denn die Differenzen treten im Wesentlichen durch menschliche Messfehler und Messungenauigkeiten auf, gilt in der analogen Schaltungstechnik immer die edingung: β Die Ausgangskennlinie stellt dagegen den Zusammenhang zwischen den beiden Ausgangsgrößen von Kollektorstrom I C und Kollektor-Emitter-Spannung CE dar, wobei entweder der asisstrom I oder die asis-emitter-dioden-spannung E auf einem konstanten Wert gehalten wird. Statt einer Konstantspannungsquelle setzt man eine Konstantstromquelle ein, wie Abb. 7.8 zeigt. Abb. 7.8: Schaltung zur ntersuchung der Ausgangskennlinie Für die ntersuchung der Ausgangskennlinie stellt man den asisstrom I auf einen bestimmten Wert ein und erhöht dann die Ausgangsspannung. Tabelle 7.3 zeigt die Einstellungen und die Messergebnisse.

7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen 473 Tabelle 7.3: Einstellungen und Messergebnisse für die ntersuchung der Ausgangskennlinie I = 0,5 µa CE in V I C in µa 0,5 73 1 73 2 73 3 75 4 75 5 77 I = 1 µa CE in V I C in µa 0,5 194 1 195 2 197 3 200 4 202 5 206 I = 1,5 µa CE in V I C in µa 0,5 324 1 326 2 330 3 335 4 338 5 344 I = 2 µa CE in V I C in µa 0,5 460 1 465 2 469 3 475 4 481 5 488 I = 3 µa CE in V I C in µa 0,5 740 1 744 2 754 3 764 4 774 5 784 I = 4 µa CE in V I C in µa 0,5 1027 1 1034 2 1047 3 1061 4 1074 5 1089 I = 5 µa CE in V I C in µa 0,5 1319 1 1338 2 1345 3 1363 4 1379 5 1398 Aus Tabelle 7.3 lässt sich die Ausgangskennlinie des Transistors C107 im doppeltlinearen Maßstab darstellen, wie Abb. 7.9 zeigt. Über die Ausgangskennlinie lässt sich der statische und dynamische Ausgangswiderstand berechnen mit R = CE CE r = aus aus I I Auf die ntersuchung der Rückwirkungskennlinie, die den Zusammenhang zwischen E = f ( CE ) mit I = konstant darstellt, wird verzichtet, da diese Kennlinie keine praktische edeutung hat. 7.1.3 Dynamische Kennlinienaufnahme eines npn-transistors in Emitterschaltung Die dynamische Kennlinienaufnahme eines Transistors bedeutet für ein Simulationsprogramm sehr viel Rechenarbeit. Abb. 7.10 zeigt die Prinzipschaltung zur dynamischen Kennlinienaufnahme eines npnoder pnp-transistors in Emitterschaltung. Das Problem ist die gleichzeitige Änderung

474 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors des asisstroms I und der Kollektor-Emitter-Spannung CE. Für die Änderung des asisstroms in Stromstufen setzt man einen Treppenspannungsgenerator ein, der eine stufenförmige Ausgangsspannung erzeugt. Je nach Ausgangsspannung stellt sich ein bestimmter asisstrom ein, der den nachfolgenden Transistor an seiner asis ansteuert. Hierbei muss man zwischen npn- und pnp-transistor unterscheiden, denn die Spannungs- und Stromverhältnisse verhalten sich genau umgekehrt. Abb. 7.9: Ausgangskennlinie des Transistors C107 Abb. 7.10: Prinzipschaltung zur dynamischen Kennlinienaufnahme eines npn- oder pnp- Transistors in Emitterschaltung

7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen 475 Während sich der asisstrom stufenförmig ändert, wird durch eine Wechselspannungsquelle mit nachgeschaltetem rückengleichrichter eine pulsierende Wechselspannung für die Aussteuerung der Kollektor-Emitter-Spannung erzeugt. Der Kollektorstrom errechnet sich aus I = Y C RC Mit einem Oszilloskop lässt sich nur über den mweg der Spannungsmessung ein Strom am ildschirm darstellen. Die Spannung am Y-Eingang muss invertiert anliegen oder die Kennlinienschar der Ausgangskennlinie ist um 180 nach unten geklappt. Dies gilt auch für den asisstrom, der sich berechnet aus I = Tr R Die Spannung Y ist mit dem Strom I C proportional und wird auf den negierten Y-Eingang des Oszilloskops gegeben. Der Strom I C ist die Wirkung auf die Kollektor- Emitter-Spannung CE. Entfernt man den Widerstand R C, wird der Elektronenstrahl in Y-Richtung abgelenkt. Entfernt man den Widerstand R, wird der Elektronenstrahl dagegen in X-Richtung abgelenkt. Abb. 7.11: Simulationsschaltung zur dynamischen Kennlinienaufnahme eines npn-transistors Zur Realisierung eines simulierten Kennlinienschreibers für einen npn-transistor verwendet man die Schaltung von Abb. 7.11. Mit der Schaltung von Abb. 7.12 lässt sch die Stromsteuerkennlinie I C = f (I ) durchführen. Aus dieser Kennlinie lässt sich erkennen, wie sich der Kollektorstrom bei unterschiedlichem asisstrom ändert. m diese Kennlinienaufnahme durchführen zu können, muss der Funktionsgenerator eine Wechselspannung erzeugen, die über den

476 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors Kondensator eingekoppelt wird. Dadurch entsteht eine Mischspannung, die auf den X-Eingang des Oszilloskops gegeben wird. Dazu ist die Konstantspannungsquelle an der asis des Transistors erforderlich. Durch die sinusförmige Wechselspannung fließt ein sich ändernder asisstrom und damit ändert sich auch der Kollektorstrom. Während der asisstrom in der Größenordnung zwischen 0 und 100 µa differiert, ergibt sich ein entsprechend großer Kollektorstrom. Abb. 7.12: ntersuchung der I C -I -Kennlinie eines npn-transistors Über den Widerstand zwischen Konstantspannungsquelle und Masse misst man den Kollektorstrom I C, der als Spannungswert durch den Operationsverstärker invertiert auf den Y-Eingang gegeben wird. Das Oszillogramm zeigt den typischen Verlauf der Stromsteuerkennlinie des C107, also eine nahezu gerade Linie, d. h., der Kollektorstrom I C ist dem asisstrom I annähernd proportional. Die Stromverstärkung β ist der Quotient aus der Kollektorstromänderung I C und der diese Änderung bewirkenden asisstromänderung I. Damit ergibt sich eine entsprechende Neigung der Kennlinie. 7.1.4 ntersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-transistors Jeder Transistor hat Kenngrößen und Kennwerte. Ein Kennwert, in den Datenbüchern auch als Messwert bezeichnet, ist der Wert einer am Transistor elektrisch oder wärme-

7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen 477 mäßig messbaren, ihn charakterisierenden Größe, also als Kenngröße definierte Größe. Der einzeln angegebene Kennwert stellt immer nur einen Mittelwert dar. In der Praxis hat man einen Streubereich und innerhalb diesem befinden sich die Werte der Kenngröße unter bestimmten edingungen für diesen Transistortyp. Häufig begnügt man sich, falls dies sinnvoll ist, auch nur mit der Angabe des Streubereichs mit seinen minimalen bzw. maximalen Werten. In diesem Streubereich befindet sich dann der Verlauf der Kennlinie. Die Kennwerte bzw. die hier zugrunde liegenden Kenngrößen lassen sich im Wesentlichen in Gruppen zusammenfassen: Signalkenngrößen (Signalkennwerte, Wechselstrommesswerte): Hierbei handelt es sich um Kenngrößen, die das Verhältnis zweier Signalgrößen zueinander angeben, also des Signalstroms und einer Signalspannung, zweier Signalströme oder zweier Signalspannungen. Gleichstromkenngrößen und Gleichstromkennwerte (Gleichstrommesswerte oder auch statische Kennwerte bzw. statische Kenngrößen): Diese Werte lassen sich entweder durch Gleichströme bzw. durch Gleichspannungen unmittelbar darstellen, oder es handelt sich um das Verhältnis zweier dieser Größen zueinander. Erwärmungskenngrößen: Es handelt sich um Größen, die die Temperaturabhängigkeit und die Wärmeabgabe des auelements betreffen. Frequenzkenngrößen: Sie geben die Signalfrequenz an, für die eine bestimmte Eigenschaft einer Transistorgrundschaltung auf ein feststehendes Maß (Transitfrequenz v = 1) abgesunken ist. Rauschkenngrößen: Sie sind zunächst nur durch einen einzigen Kennwert vertreten, nämlich durch die Rauschzahl bzw. den Rauschfaktor. ei der etrachtung dieser Kenngrößen ist zu beachten, dass in den Datenblättern, die die Kenngrößen beinhalten, oft in gleicher Weise auch die entsprechenden Einstellwerte angegeben sind. Hierunter sind die Werte zu verstehen, für die die angegebenen Kennwerte gelten. Einstellwerte sind z.. die Kollektor-Emitter-Gleichspannung CE und der Kollektorruhestrom I C. Für die statische ntersuchung des npn-transistors C239 benötigt man eine Konstantstromquelle, die den asisstrom I erzeugt, wie die Schaltung (Abb. 7.13) zeigt. Durch den Transistor wird der asisstrom I verstärkt und es ergibt sich ein bestimmter Kollektorstrom I C, der an dem Kollektor-, Last- bzw. Arbeitswiderstand einen bestimmten Spannungsfall erzeugt. Dieser Spannungsfall errechnet sich aus R = I C R C Entsprechend entsteht an dem Transistor zwischen dem Kollektor- und dem Emitteranschluss die Spannung CE. Addiert man R und CE, muss sich die etriebsspannung ergeben, wie die Spannungswerte in der Schaltung von Abb. 7.13 zeigen. m mit einem Ausgangskennlinienfeld arbeiten zu können, benötigt man zwei maximale Werte. In der Praxis hat man hierzu die etriebsspannung + und den maximalen Kollektorstrom I C. Trägt man diese beiden Werte als Punkte in das Kennlinienfeld

478 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors ein und verbindet diese beiden Punkte mit einer Geraden, erhält man die Arbeitsgerade oder Widerstandsgerade für den etrieb eines Transistors. Der maximale Kollektorstrom I C errechnet sich aus I Cmax + 15V = = = 75mA R 200Ω C Abb. 7.13: Schaltung zur statischen ntersuchung der Verstärkerwirkung eines npn-transistors Trägt man den Kollektorstrom I C und die Kollektor-Emitter-Spannung CE in das Ausgangskennlinienfeld ein, lässt sich auf der Arbeitsgeraden ein Arbeitspunkt definieren. Abb. 7.14 zeigt das Ausgangskennlinienfeld des C239 mit dem Arbeitspunkt AP. Vergleicht man die Messergebnisse der Simulation mit dem Ausgangskennlinienfeld des C239, ergeben sich geringfügige nterschiede am Arbeitspunkt AP. Dieses Wertepaar von der Kollektor-Emitter-Spannung CE und dem Kollektorstrom I C fasst man unter der ezeichnung Arbeitspunkt zusammen, da hiermit z.. im Kollektorstrom/Kollektor-Emitter-Spannungs-Kennlinienfeld ein bestimmter Punkt festgelegt ist. Man könnte zum Arbeitspunkt außer CE und I C auch die asis-emitter- Spannung E und schließlich hierzu noch den asisstrom I einbeziehen. Wegen der Temperaturabhängigkeit der Transistoreigenschaften geschieht das nicht. Wie später noch erklärt wird, strebt man an, den mit dem Kollektorstrom I C bei gegebener Kollektor-Emitter-Spannung CE bestimmten Arbeitspunkt durch passende Veränderungen des Werts der asis-emitter-spannung E festzuhalten und damit ergibt sich für die Praxis der optimale Verstärkerbetrieb.

7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen 479 Abb. 7.14: Ausgangskennlinienfeld des C239 mit dem Arbeitspunkt AP für die Messergebnisse von Schaltung 7.13 Zu einem mit CE und I C gegebenen Arbeitspunkt gehören im Allgemeinen einigermaßen konstante Signalkennwerte, unabhängig davon, ob die Sperrschichttemperatur tatsächlich, wie für Kennwertangaben vorausgesetzt, 25 C beträgt, oder ob bei geringen Abweichungen von den 25 C durch passende Änderungen von E bzw. von I der Wert des Arbeitspunkts von dem Kollektorstrom I C festgehalten wird. Im Arbeitspunkt AP ergibt sich eine Stromverstärkung von IC 40mA = = = 400 I 100 A Im Datenblatt (Tabelle 7.4) sind folgende Werte für das Kollektor-asis-Gleichstromverhältnis h FE bei CE = 5 V und I C = 2 ma vorhanden: Tabelle 7.4: Werte für das Kollektor-asis-Gleichstromverhältnis Min. Typ. Max. Gruppe A: 110 180 222 Gruppe : 200 290 450 Gruppe C: 420 520 800 Es ergeben sich erhebliche nterschiede zwischen den einzelnen Gruppen, wobei man noch zwischen den Spezifikationen unterscheiden muss.

480 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors 7.1.5 ntersuchung der Verstärkerwirkung eines pnp-transistors Durch den unterschiedlichen Aufbau der Halbleiterschichten eines pnp-transistors zu einem npn-typ, sind für den etrieb und die Ansteuerung andere Spannungspotentiale erforderlich. Abb. 7.15: Schaltung zur statischen ntersuchung der Verstärkerwirkung eines pnp-transistors Der C212 ist ein pnp-transistor für den etrieb von Treibern und Endstufen. Der maximale Kollektorstrom errechnet sich aus 3V ICmax = = = 400mA R 7, 5Ω C Trägt man die etriebsspannung und den maximalen Kollektorstrom I C in das Datenblatt des C212 ein, erhält man Abb. 7.16. Im Arbeitspunkt AP ergibt sich eine Stromverstärkung von IC 225mA = = = 112, 5 I 1mA Im Datenblatt (Tabelle 7.5) sind folgende Werte für das Kollektor-asis-Gleichstromverhältnis h FE bei CE = 1 V und I C = 100 ma vorhanden:

7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen 481 Abb. 7.16: Ausgangskennlinienfeld des C212 mit dem Arbeitspunkt AP für die Messergebnisse der Schaltung aus Abb. 7.15 Tabelle 7.5: Werte für das Kollektor-asis-Gleichstromverhältnis Min. Max. Gruppe 10: 67 150 Gruppe 16: 106 236 Gruppe 25: 170 373 Gruppe 40: 265 600 Es ergeben sich erhebliche nterschiede zwischen den einzelnen Gruppen. 7.1.6 Emittergrundschaltung eines npn-transistors Anhand der bisherigen etrachtungen über die Transistorschaltungen muss man den Eindruck gewinnen, dass es nur eine grundsätzliche Schaltungsvariante gibt. In der praktischen Schaltungstechnik unterscheidet man zwischen Emitterschaltung, bei der der Emitteranschluss des Transistors entweder direkt oder über einen niederohmigen Widerstand mit Masse verbunden ist. Kollektorschaltung, bei der der Kollektoranschluss des Transistors entweder direkt oder über einen niederohmigen Widerstand mit der etriebsspannung verbunden ist.

482 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors asisschaltung, bei der der asisanschluss des Transistors entweder mit der etriebsspannung oder mit Masse verbunden ist. Jede dieser drei Schaltungen hat in der analogen bzw. digitalen Schaltungstechnik entsprechende Vor- und Nachteile. Etwa 98 % aller Transistorschaltungen basieren auf der Emitterschaltung, bei etwa 1,5 % verwendet man die Kollektorschaltung und nur in 0,5 % aller Fälle setzt man die asisschaltung ein. Abb. 7.17: Schaltung zur ntersuchung der Emittergrundschaltung mit einem npn-transistor Mithilfe der Schaltung von Abb. 7.17 lassen sich mehrere Signalkenngrößen für die Emittergrundschaltung eines npn-transistors untersuchen. Der Eingangswiderstand der Emitterschaltung lässt sich berechnen aus E 747mV R ein = = = 7, 47kΩ I 100 A Erhöht man den Wert der Konstantstromquelle auf I = 150 µa, reduziert sich der Eingangswiderstand auf E 768mV R ein = = = 512, kω I 150 A Der statische Eingangswiderstand R ein einer Emittergrundschaltung stellt keinen konstanten Wert dar, sondern muss für jeden asisstrom separat bestimmt werden. Der Ausgangswiderstand R aus errechnet sich aus R aus CE 8, 47V = = = 260Ω I 32, 6mA C

7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen 483 Erhöht man den Wert der Konstantstromquelle auf I = 150 µa, reduziert sich der Ausgangswiderstand R aus auf R aus CE 5, 96V = = = 132Ω I 45, 2mA C Der statische Ausgangswiderstand einer Emittergrundschaltung stellt keinen konstanten Wert dar, sondern muss für jeden asisstrom separat bestimmt werden. Aus dem Verhältnis von Kollektorstrom I C und asisstrom I lässt sich die statische Stromverstärkung berechnen mit I C 32, 6mA = = = 326 I 100 A Die Stromverstärkung ändert sich nur geringfügig, wenn man z.. den asisstrom auf I = 150 µa erhöht. In der Verstärkertechnik bezeichnet man den Stromverstärkungsfaktor mit v I. ei einem Eingangsstrom von I = 100 µa stellt sich eine asis- Emitter-Spannung von E = 0,747 V ein. Damit ergibt sich eine Kollektor-Emitter- Spannung von CE = 8,47 V. Die Spannungsverstärkung einer Emittergrundschaltung berechnet sich aus CE 8, 47V v = = = 11, 3 0, 747V E Die Leistungsverstärkung ist dann v = v v = 326 11, 3= 3696 P I Die Stromverstärkung einer Emittergrundschaltung ist hoch, die Spannungsverstärkung dagegen liegt im mittleren ereich und es ergibt sich eine relativ hohe Leistungsverstärkung. Die einzelnen Spezifikationen sind im Vergleich mit den beiden anderen Grundschaltungen zu betrachten. 7.1.7 Kollektorgrundschaltung eines npn-transistors ei der Kollektorgrundschaltung mit npn-transistor verbindet man den Kollektor des Transistors direkt mit der etriebsspannung, während der Arbeitswiderstand zwischen Emitteranschluss und Masse eingeschaltet ist. Mithilfe der Schaltung von Abb. 7.18 lassen sich mehrere Signalkenngrößen untersuchen. Der Eingangswiderstand der Kollektorschaltung lässt sich berechnen aus R ein C 4, 6V = = = 46kΩ I 100 A

484 7 Grundlagen und praktische Schaltungslehre des Transistors Abb. 7.18: Schaltung zur ntersuchung der Kollektorgrundschaltung mit einem npn-transistor Erhöht man den Wert der Konstantstromquelle auf I = 150 µa, reduziert sich der Eingangswiderstand auf R ein C 2, 19V = = = 14, 6kΩ I 150 A Der statische Eingangswiderstand einer Kollektorgrundschaltung stellt keinen konstanten Wert dar, sondern muss für jeden asisstrom separat bestimmt werden. nter der Annahme I C = I E errechnet sich der Ausgangswiderstand mit R aus R 6, 67V = = = 200Ω I 33, 2mA E Für den Ausgangswiderstand einer Kollektorgrundschaltung gilt: R aus = R E Erhöht man den Wert der Konstantstromquelle auf I = 150 µa, vergrößert sich der Kollektorstrom auf I C = 45,1 ma und der Spannungsfall an dem Emitterwiderstand steigt auf R = 9,04 V an, aber der Ausgangswiderstand bleibt weitgehend konstant. Aus dem Verhältnis von Kollektorstrom I C und asisstrom I lässt sich die Stromverstärkung berechnen mit I C 33, 2mA = = = 336 I 100 A

7.1 Aufbau, Herstellung und ezeichnungen 485 Die Stromverstärkung ändert sich nur geringfügig, wenn man z.. den asisstrom auf I = 150 µa erhöht. In der Verstärkertechnik bezeichnet man den Stromverstärkungsfaktor mit v I. ei einem Eingangsstrom von I = 100 µa stellt sich eine asis-emitter- Spannung von E = 0,747 V ein. Da die Eingangsspannung 1 zwischen der asis und Masse liegt, stellt sich ein Spannungswert von 7,4 V ein. Die Ausgangsspannung 2 wird am Emitterwiderstand abgegriffen und beträgt 2 = 6,65 V, d. h., die Spannungsverstärkung bei einer Kollektorgrundschaltung ist v < 1. Für die Messschaltung gilt: 2 6, 65V v = = = 0, 9 7, 4V 1 Die Leistungsverstärkung ist v = v v = 332 0, 9= 299 P I Die Stromverstärkung einer Emittergrundschaltung ist hoch, die Spannungsverstärkung dagegen liegt unter 1 und es ergibt sich eine mittlere Leistungsverstärkung. Die einzelnen Spezifikationen sind im Vergleich mit den beiden anderen Grundschaltungen zu betrachten. 7.1.8 asisgrundschaltung eines npn-transistors ei der asisgrundschaltung wird die asis signalmäßig mit Masse verbunden. Der Arbeitswiderstand befindet sich zwischen dem Kollektoranschluss des Transistors und der etriebsspannung. eim Anschluss der Konstantstromquelle muss eine andere Polarität gewählt werden, damit die asis-emitter-spannung von E 0,7 V erreicht wird, d. h., der Anschluss des Emitters muss ein negatives Potential aufweisen. Abb. 7.19: Schaltung zur ntersuchung der asisgrundschaltung mit einem npn-transistor