Der Bipolar-Transistor
Dr.-Ing. Oliver Haas
Universität Kassel
FB 16: Elektrotechnik / Informatik
FG FSG: Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik
Wilhelmshöher Allee 73
D-34121 Kassel
ETE 2 – SS 12 – V10
Dr.-Ing. Oliver Haas © Prof. Dr. rer. nat. L. Brabetz
Prinzip des Transistors Seite: 2
8 Grundlagen des Transistors
Aufbau des Bipolar-Transistors, Beispiel npn-Transistor
Idee: mit einem kleinen Steuerstrom einen großen Strom kontrollieren
Halbleiter-Schichten und Anschlüsse eines npn-Transistors
p-Schicht
schwach dotiert
n-Schicht
stark dotiert
n-Schicht
stark dotiert
B
C E
Kollektor Emitter
Basis
B
C E
pn-Übergänge und Raumladungszonen eines npn-Transistors
Raum-
ladungs-
zone
B
C E
Dioden-Ersatzschaltung
n n p
B
Entstehung der Raumladungszonen
durch Rekombination
Rekombination Elektron
Loch elektr. neutral
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Seite: 3 Prinzip des Transistors
8 Grundlagen des Transistors
Aufbau des Bipolar-Transistors, Beispiel npn-Transistor
Idee: mit einem kleinen Steuerstrom IB einen großen Strom IC kontrollieren
Kollektor
Emitter
Basis
IB
IC
IE
IE
IC
IB
Wassermodell des Transistors nachempfunden einer Illustration aus dem
Elektronik-Baukasten KOSMOS Radiomann,
um 1963. Quelle: Internet
IB=0
Da IB=0, sind
IC und IE=0 IE=IB+IC
Kollektor = Sammler (von Elektronen)
Emitter = Sender (von Elektronen)
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Aufnahme der Eingangskennlinie
Dynamischer Eingangswiderstand
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8 Grundlagen des Transistors
4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-Bipolartransistors
Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten
Eingangskennlinie: Variieren der Basis-Emitter-Spannung UBE und Messen des Eingangsstroms IB bei
konstanter Kollektor-Emitter-Spannung UCE
UCE=konst.
IB
UBE
IC
Bestimmen der Eingangskennlinie eines npn-Transistors
A
V
B BE
BEBE
B
( )I f U
Ur
I
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Aufnahme der Stromsteuerkennlinie
Gleichstromverstärkung B und Wechselstromverstärkung β
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8 Grundlagen des Transistors
4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-Bipolartransistors
Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten
Stromsteuerkennlinie: Variieren des Basisstroms IB und Messen des Kollektorstroms IC bei konstanter
Kollektor-Emitter-Spannung UCE
UCE=konst.
IB
UBE
IC
Bestimmen der Stromverstärkung eines npn-Transistors
A
A
C B
C
B
C
B
( )I f I
IB
I
I
I
∆IC
∆IB
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Aufnahme der Übertragungskennlinie
Steilheit
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8 Grundlagen des Transistors
4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-Bipolartransistors
Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten
Übertragungskennlinie: Variieren der Basis-Emitter-Spannung UBE und Messen des Ausgangsstroms IC bei
konstanter Kollektor-Emitter-Spannung UCE , wird alternativ zur Stromsteuerkennlinie benutzt.
UCE=konst.
IB
UBE
IC
Bestimmen der Eingangskennlinie eines npn-Transistors
A
V
CE BE
C
BE
( )I f U
IS
U
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Aufnahme der Ausgangskennlinie
Dynamischer Ausgangswiderstand
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8 Grundlagen des Transistors
4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-Bipolartransistors
Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten
Ausgangskennlinie: Variieren des Kollektorstroms IC und Messen der Kollektor-Emitter-Spannung UCE bei
konstantem Basisstrom IB
UCE
IB
UBE
Bestimmen der Ausgangskennlinie eines npn-Transistors
A
CE C B
CECE
C
( , )U f I I
Ur
I
V
A IC
U0 IB = konst.
I0
IB = 20µA
IB = 60µA
IB = 100µA
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Aufnahme der Ausgangskennlinie
Maximal erlaubte Verlustleistung Ptot beachten!
Dynamischer Ausgangswiderstand
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8 Grundlagen des Transistors
4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-Bipolartransistors
Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten
Ausgangskennlinie: Variieren des Kollektorstroms IC und Messen der Kollektor-Emitter-Spannung UCE bei
konstantem Basisstrom IB
UCE
IB
Bestimmen der Ausgangskennlinie eines npn-Transistors
A
CE C B
CECE
C
( , )U f I I
Ur
I
V
A IC
U0
IB = 20µA
IB = 60µA
IB = 100µA
Ptot = 100mW
UBE
IB = konst.
I0
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Aufnahme der Spannungsrückwirkungskennlinie
Differentielle Spannungsrückwirkung
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8 Grundlagen des Transistors
4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-Bipolartransistors
Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten
Spannungsrückwirkungskennlinie: Variieren der Kollektor-Emitter-Spannung UCE und Messen der Basis-
Emitter-Spannung UBE bei konstantem Basisstrom IB
UCE
IB = konst.
UBE
IC
Bestimmen der Spannungsrückwirkung eines npn-Transistors
A
BE CE B
BE
CE
( , )U f U I
UD
U
V
I0
IB
V
IB = 20µA
IB = 60µA
IB = 100µA
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Das 4-Quadranten-Kennlinienfeld
Ausgangskennlinie
Stromsteuerkennlinie
Eingangskennlinie
Spannungsrück-
wirkungskennlinie
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8 Grundlagen des Transistors
4-Quadranten-Kennlinienfeld des npn-Bipolartransistors
Stromsteuerungs-, Ausgangs und Eingangskennlinie beschreiben das Verhalten.
IB = 20µA
IB = 60µA
IB = 100µA
IB = 20µA
IB = 100µA
Ptot = 100mW
IC / mA
4
8
12
16
20
IB / µA UCE / V
UBE / V
0,2
0,4
0,6
20 40 60 80 100 2 4 6 8 10
III IV
II I
I
II
III
IV
IB = 60µA
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8 Grundlagen des Transistors
Verstärker-Grundschaltungen: Emitterschaltung
Der Name der Grundschaltung kommt von dem gemeinsamen Bezugspotenzial zwischen Eingangs- und
Ausgangssignal.
Kondensatoren bilden für Eingangs- und Ausgangssignale jeweils einen Kurzschluss, entkoppeln Signal- und
Gleichspannung.
Signalverstärkung: ua > ue , ia > ie , Impedanz: Za < Ze
U0
UBE
IC
npn-Transistor in Emitterschaltung
IB
IE
UCE ua
ue
RC R1
R2
U0
UBE
IC
IB
IE
UCE
ua
ue
RC R1
R2
RE
Emitterschaltung mit Emitterwiderstand
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Seite: 12 Der Bipolar-Transistor
8 Grundlagen des Transistors
Verstärker-Grundschaltungen: Erzeugung der Basisvorspannung
Einstellung des Arbeitspunktes
U0
UBE
IC
Basisvorwiderstand
IB
IE
UCE
RC RV
Basis-Spannungsteiler
U0
UBE
IC
IB
IE
UCE
RC R1
R2
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Seite: 13 Der Bipolar-Transistor
8 Grundlagen des Transistors
Verstärker-Grundschaltungen: Erzeugung der Basisvorspannung zum Einstellen des Stroms IB
Einstellung des Arbeitspunktes: Berechnung des Basisvorwiderstands
Basis-Emitter-Spannung aus der Eingangskennlinie des Transistors
U0
UBE
IC
IB
IE
UCE
RC RV
0 BEBE 0 B V V
B
U UU U I R R
I
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Seite: 14 Der Bipolar-Transistor
8 Grundlagen des Transistors
Verstärker-Grundschaltungen: Erzeugung der Basisvorspannung zum Einstellen des Stroms IB
Einstellung des Arbeitspunktes: Berechnung des Basisspannungsteilers
Basis-Emitter-Spannung aus der Eingangskennlinie des Transistors
Regel: Wähle den Querstrom durch R1 mit 5 …10 IB
0 BE BEBE 0 B 1 1 2
B B
, ,( 1)
U U UU U I R R R
I I
U0
UBE
IC
IB
IE
UCE
RC R1
R2
IB
( -1) IB
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Beispiel: Betrachtung von R2 als Innenwiderstand der Quelle U0
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8 Grundlagen des Transistors
Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung
Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand RC .
Zur Erinnerung: Grafische Lösung eines Spannungsteilers
R1
R2
1 2
1 2
0
4k , 1k ,
0,25mS, 1mS,
10V
R R
G G
U
U0
U1
U2
U1= 8V U2= 2V
G1
G2
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Verstärker in einfacher Emitterschaltung
Arbeitsgerade: GC= 24 mS
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8 Grundlagen des Transistors
Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung
Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand RC .
Beispiel: Berechnung des Basisspannungsteilers für den gewählten Arbeitspunkt.
U0
UBE
IC
IB
IE
UCE ua
ue
RC R1
R2
10 IB
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Das 4-Quadranten-Kennlinienfeld
Arbeitsgerade: GC= 24 mS
Arbeitspunkt des Transistors:
IB = 60µA
B = 200
IC = 12mA
UBE = 0,666V
UCE = 5V
Seite: 17 Der Bipolar-Transistor
8 Grundlagen des Transistors
Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung
Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand RC .
Beispiel: GC =24 mS (RC =41,667 Ω)
IB = 20µA
IB = 60µA
IB = 100µA
IB = 20µA
IB = 100µA
Ptot = 100mW
IC / mA
4
8
12
16
20
IB / µA UCE / V
UBE / V
0,2
0,4
0,6
20 40 60 80 100 2 4 6 8 10
IB = 60µA
GC = 24mS
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Verstärker in einfacher Emitterschaltung
Arbeitsgerade: GC= 24 mS
Arbeitspunkt des Transistors:
IB = 60µA
B = 200
IC = 12mA
UBE = 0,666V
Berechnung des Basisspannungsteilers:
Seite: 18 Der Bipolar-Transistor
8 Grundlagen des Transistors
Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung
Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand RC .
Beispiel: Berechnung des Basisspannungsteilers für den gewählten Arbeitspunkt.
U0
UBE
IC
IB
IE
UCE ua
ue
RC R1
R2
1
2
10V 0,666V15,557 kΩ
10 60µA
0,666V1,233kΩ
9 60µA
R
R
0 BE BEBE 0 B 1 1 2
B B
, ,( 1)
U U UU U I R R R
I I
10 IB
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Verstärker in einfacher Emitterschaltung
Arbeitsgerade: GC= 24 mS
Arbeitspunkt des Transistors:
IB = 60µA
B = 200
IC = 12mA
UBE = 0,666V
Annahme:
der Basisstrom IB
ändert sich
um ± 20µA
Seite: 19 Der Bipolar-Transistor
8 Grundlagen des Transistors
Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung
Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand RC .
Beispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt.
U0
UBE
IC
IB
IE
UCE ua
ue
RC R1
R2 ua
B 60µA 20µAsin( )I t
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Das 4-Quadranten-Kennlinienfeld
Arbeitsgerade: GC= 24 mS
Arbeitspunkt des Transistors
Wechselstromverstärkung
Wechselspannungsverstärkung
Leistungsverstärkung
Seite: 20 Der Bipolar-Transistor
8 Grundlagen des Transistors
Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung
Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand RC .
Beispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt, idealisierte Näherung.
IB = 60µA
IC / mA
4
8
12
16
20
IB / µA UCE / V
UBE / V
0,2
0,4
0,6
20 40 60 80 100 2 4 6 8 10
10/3 20/3
0,649
0,684
C
B
CE
BE
8mA200
40µA
3,333V95
0,035V
19000
u
p u
I
I
Uv
U
v v
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Das 4-Quadranten-Kennlinienfeld
Arbeitsgerade: GC= 24 mS
Arbeitspunkt des Transistors
Wechselstromverstärkung
Wechselspannungsverstärkung
Leistungsverstärkung
Seite: 21 Der Bipolar-Transistor
8 Grundlagen des Transistors
Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung
Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand RC .
Beispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt, genauere Betrachtung.
IB = 60µA
IC / mA
4
12
20
IB / µA UCE / V
UBE / V
0,2
0,4
0,6
20 40 80 100 2 4 6 8 10
10/3 20/3
0,649
0,684
C
B
CE
BE
7,64mA191
40µA
3,333V95
0,035V
18100
u
p u
I
I
Uv
U
v v
IB = 40µA
IB = 80µA
IC = 7,64mA
IB = 40µA
60
8
16
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Das 4-Quadranten-Kennlinienfeld
Arbeitsgerade: GC= 24 mS
Arbeitspunkt des Transistors
Dyn. Basis-Emitter-Widerstand
Dyn. Kollektor-Emitter-Widerstand
Seite: 22 Der Bipolar-Transistor
8 Grundlagen des Transistors
Verstärkergrundschaltungen: Auslegungsbeispiel für eine Emitterschaltung
Festlegen eines Arbeitspunktes bei vorgegebenem Kollektorwiderstand RC .
Beispiel: Verstärkung eines Wechselstromsignals für den gewählten Arbeitspunkt.
BEBE
B
CECE
C
16,5mV
40µA
413
8V
0,8mA
10k
Ur
I
Ur
I
IB = 60µA
4
12
20
IB / µA UCE / V
UBE / V
0,2
0,4
0,6
20 40 80 100 2 6 8 10
IC = 0,8mA
UCE = 8V
60
8
16
IC / mA
UBE 16,5mV
IB = 40µA