4. Bipolar-Transistoren

Elektronik für Physiker
4. Bipolar-Transistoren
1.
2.
3.
4.
Funktionsweise eines npn-Transistors
Kennlinien
Transistor-Grundschaltungen
Frequenzverhalten
Prof. Brunner SS 2006
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Elektronik für Physiker
Funktionsprinzip eines npn-Transistors
•
Bandverlauf: p-Basis ist steuerbare Potentialbarriere ICE(UBE) für El.
•
Mit dünner Basis-Schicht ist IB<<IC
(und IE= IB + IC):
Stromverstärkung
n
p
n
←IE
←IC
e↑IB
•
Symbole:
Pfeil an Emitter zeigt
in technische Stromrichtung
E
C
E
C
B
B
npn-Transistor
pnp-Transistor
↓
UBE>0
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Ausgangskennlinienfeld IC(UCE) bei var. UBE
•
IC, IB exponentiell abh. von UBE da leitende Diode BE den Strom bestimmt
I C (U BE , U CE ) = I S (e eU BE / kT − 1)(1 +
I B (U BE ) =
U CE
)
U Early
I S eU BE / kT
(e
− 1)
B0
•
UCE< UCE,sat < UBE: IC abh. v. UCE,
wg. Absaugung von e aus Basis
(Sättigungsbereich)
•
UCE> UCE,sat: IC nahezu unabh. v. UCE
fast alle e fließen von E in C
Verstärkungsbereich, Normalbereich:
EB-Diode in Fluss-, BC-Diode in Sperrpolung
•
npn-Si Transistor
Für sehr hohe UCE:
Avalanche-Durchbruch der BC-Diode oder
Punch-Through (RLZ v. BE und BC in Kontakt, deff=d-WBE-WBC=0)
Elektronik für Physiker
•
Early-Spannung und
Kleinsignalausgangswiderstand
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Early-Effekt
UCE ↑
⇒ RLZ-Weite WBC ↑ ⇒ Basisdicke (deff=d-WBE-WBC<d) ↓
IB~IBEdeff/Ln,B ↓ (weniger e-h Rekombination in Basis)
deff
IC=IE-IB ↑ , ß=IC/IB ↑ steigt mit UCE
IC ~ (1+UCE/UEarly)
Typisch: UEarly = 30V – 150V
Kleinsignalausgangswiderstand (=1/Steigung):
rCE =
∂U CE
∂I C
A
=
U Early + U CE , A U Early
≈
;
IC ,A
IC,A
ist klein für großes IC,A
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Übertragungskennlinie IC(UBE)
•
Kollektorstrom bestimmt durch (Großteil von) Diodenstrom IBE:
I C (U BE ,U CE ) = I S (e
•
eU BE / kT
Steilheit: (~ Steigung)
∂I C
S=
∂U BE
A
=
eI C , A
kT
U T = kT / e = 25meV ( RT )
U CE
− 1)(1 +
);
U Early
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Eingangskennlinie IB(UBE)
•
Im Normalbetrieb ist BE-Diode in Flußrichtung,
aber Großteil des Stroms IBE fließt durch Basis weiter in Kollektor
Großsignalgleichung:
IC und IB sind nahezu
unabh. von UCE !
I (U ) = I (e eU BE / kT − 1) / B ;
B
BE
0
S
mit (Großsignal-)Stromverstärkung:
B = I C / I B = B0 (U BE )(1 +
U CE
)
U Early
B0 = I C / I B (extrapol. auf U CE = 0)
Kleinsignaleingangswiderstand:
rBE =
∂U BE
∂I B
A
=
∂U BE
∂I C
A
∂I C
∂I B
A
=
β
S
;
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Stromverstärkung
Transistorcharakterisierung:
IC(UBE) und IB(UBE) mit log-Skala
(Gummel-Plot)
Schaltungsdimensionierung:
B(IC, UCE), β(IC, UCE)
G-R-Strom
in Diode EB
Early-Effekt
Hochstromeffekte
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Arbeitspunkt-Einstellung
•
Durch äußere Beschaltung mit R1, R2
z.B. bei Emitterschaltung ( E-Kontakt gemeinsam für Ein-, Ausgang)
Es sei: Ie=0, Ia=0
IB,A=(UB1-UBE,A)/R1 (UBE,A≈0.6V)
IC,A=(UB2-UCE,A)/R2
Ausgangskennlinienfeld
Kleinsignalverhalten: Lineare Näherung des Transistorverhaltens durch
rBE,A, rCE,A, β, … für Verstärker, etc.
Oder:
Großsignalverhalten, Schalten für digitale Schaltungen:
IC, UL=RIC >0 f. UBE≈0.7V, UCE ≈UCE,sat
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4.3
•
Transistor-Grundschaltungen
Basisschaltung
UV
IC
IE
UE=-UBE
IE=IE=IC+IB≈IC=IA
⇒ Stromverstärkung vi=dIA/dIE≈1
E
UE
RC
C
UA
B
IB
Es gilt: UA=UV-RCIC und dIC=βdIB=βdUBE/rBE
daher:
+ Hohes vU=dUA/dUE=-RCdIC/dUE=βRC/rBE (~100 RC/1kΩ)
+ Kleiner Eingangswiderstand rE=dUBE/dIE=dUBE/βdIB=rBE/β << rBE !!!
+ Gut für HF-Schaltungen: UE und UA in Phase,
keine parasitären Kapazitäten, da B auf Masse
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Transistor-Grundschaltungen
• Emitter-Schaltung
+ Hohe Stromverstärkung
IB = IC /B << IC ≈ IE
+ Hohe Spannungsverstärkung
mit Lastwiderstand RC an UA
+ Sehr hohe Leistungsverstärkung vP
+ Ein- und Ausgangswiderstand mittelgroß
B
UE
+ Wichtigste Grundschaltung
gut z.B. zur Leistungsverstärkung und zum Schalten
C
IC
UA
E
IE
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Externe Beschaltung der Emitterschaltung
•
Widerstände Rg und RC legen
den Arbeitspunkt (IB, IC) fest
Rc
IB=(Ug-UBE,A)/Rg und IC=(Ub-UCE,A)/RC
Rg
≈0.7V / 0.2V
•
Ug
Spannungsverlauf abh. von Ug
(Ub=5V, Rg=RC=1kΩ)
Ua
Ug
UBE
UE (=Ug)
Ua
Ub
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Emitterschaltung
Ausgangsspannung UA(Ug)
Spannungsverstärkung vU=dUA/dUE
stark abhängig von UE
0
5V
Ua
0V
A= vU
100
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Verbesserung: Stromgegenkopplung
• Einfügen von RE bewirkt eine Reduzierung von UBE mit
zunehmendem IC, IE:
(Näherung: IA=0, IB<<IE≈IC)
R
UA=Ub – ICRC
R
UE=UBE + URE(+RgIB)≈ UBE + REIE
C
g
klein, da IB=IC/β
Ug
• Steuerspannung UBE=UE – REIE wird
reduziert prop. zu IE ⇒ Stromgegenkopplung
• Spannungsverstärkung:
Näherung für guten Transistor und
β>>1, SRE>>1, rCE>>RE, RC :
vU ≈ – RC/RE
Ua
RE
Ub
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Beispiel für Stromgegenkopplung
•
•
•
•
Variation von RC= 1000, 500, 200 Ω (RE= 100 Ω)
Verstärkung wird kleiner, da vU ≈ – RC/RE
Bereich mit Verstärkung (UA=Ub - ICRC) wird größer
Verstärkung wird konstant
A=
Ua
RC
Rg
Ug
RE
dU a
dU e
200Ω
500Ω
200Ω
500Ω
RC = 1 kΩ
RC = 1kΩ
Ug
Ua
Ug
Ub
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Transistor-Grundschaltungen: Kollektorschaltung
•
Kollektorschaltung (Emitterfolger)
C liegt auf gemeinsamem Potential,in der Praxis
UE
nicht auf Masse, sondern UV:
UA=UE-UBE
⇒ Spannungsverstärkung vU =dUA/dUE ≈ 1
Ausgangsspannung UA (Emitter) folgt UE
→ „Emitterfolger“
•
Stromverstärkung: IA= IE≈ IC= BIB≈ βIB
•
UE≈UA, IE=IB<<IA ⇒ rE>>rA
genauer:
Eingangswid.: rE=dUE/dIB=rBE + βRL > rBE
Ausgangswid.: rA=dUA/dIA=rBE/β << rBE
•
Einsatz als Impedanzwandler, Endstufe
B
E
IE
UA
C
IC
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Emitterfolger
Ue
• Ug<0.5V: IC klein, Ua=0
• Ug>0.5V: IC =ISexp(eUg/kT) steigt, Ua steigt gemäß Ua=ICRE=Ue-UBE
• Verbesserung: Negative Versorgungsspannung an RE erlaubt Ua<0
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Emitterfolger mit symmetrischer Versorgung
• Negative Ua durch Spannungsteiler RL, RE begrenzt:
Ua,min=-Ub RL/(RL+RE)
• Lösung: pnp-Transistor statt RE (Gegentaktendstufe, s. Übung 6)
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Grundschaltungen: Widerstand, Verstärkung, Phase
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4.3
•
Frequenzverhalten
DC, Tiefe Frequenzen (ν<10kHz)
Transistor mit UBE an (Kleinsignal-)Eingangswiderstand rBE entspricht
einer Stromquelle SUBE mit Ausgangswiderstand rCE
Ersatzschaltbild:
•
Hohe Frequenzen: Tiefpass m. Grenzfrequenz νg durch RC-Anteile
Wichtigste Limitierung ist auf der Eingangsseite νg=1/RBCE mit
Basiswiderstand RB (~NBd) und EB-Diodenkapazität CE=εε0A/WEB +Cd
β0
β (ν ) =
1 + ν 2 /ν g2
Def.: Transitfrequenz νT mit β(νT)=1
Typischer HF-Transistor: β0=100, νT<1GHz
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Frequenzverhalten
•
Ersatzschaltbild für HF-Verhalten:
CCi, CCe
CE
CS
RB, RE, RC
•
= interne, bzw. externe Kollektor-Sperrschichtkapazität
= Emitterkapazität (= Sperrschicht- + Diffusionskapazität)
= Substrat-Sperrschichtkapazität (falls Planartransistor)
= Bahnwiderstände von Basis, Emitter und Kollektor
Optimierungsproblem für HF-Bipolartransistoren
(z.B. Treiber in Handys):
IC~A, νT~NBdB WEB/A, β~Ln,B/NBdB soll groß sein
+ Kurze Driftzeit der Elektronen durch Basis
EF
+ Geringe Erwärmung
+ Kein Punch-Through (dB,eff=0)
+ Kleiner Lochstrom von B nach E IBE,h~NB, gr. β=dIC/dIB
Lösung: z.B. Si/SiGe-Heterobipolartransistor
mit reduzierter Bandlücke von SiGe in Basis
↓
UBE>0