Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Elektronik 3       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

Elektronik 3

12 Bipolartransistor

Prof. Dr. Jörg Vollrath


11 MOSFET


Video 12 Bipolartransistor


Länge: 01:06:27
0:0:0 Bipolartransistor

0:1:6 Spitzentransistor

0:5:9 Bipolartransistor Struktur

0:9:34 Animation Struktur und Kennlinien

0:14:23 Bipolartransistor Struktur Folie 5

0:17:20 Vereinfachtes Transportmodell

0:18:36 IC = BN * IB

0:21:14 y=IC, 40=1/UT

0:22:54 AN=IC/IE

0:25:49 Beispiel Bipolartransistor im Normalbetrieb

0:30:16 UCE = VCC - IC * R1 = 8 V

0:32:15 IB = IC/BN = IC (1-AN)/AN = 5,26µA

0:35:36 UBE=0.69 V

0:38:41 Simulation mit min, max Spannungen und Parametern

0:40:0 Early Effekt UEA

0:44:22 Transistoraufbau BCY 591 NPN

0:46:41 Mikroskopbild aufgeschnittener Transistor

0:47:30 Surface mount device (SMD) Gehäuse 1 mm x 2 mm

0:49:58 Bipolar Versuch 06

0:53:59 Messung, Simulation, Gleichung

0:56:12 Bipolar Transistor Messung

0:58:19 Dokumentation einer Messung

1:0:26 Bipolartransistor als Verstärker Kennlinienfelder

1:5:20 Kleinsignalmodell

1:7:49 SPICE Modell Q

1:9:34 Frequenzverhalten

Ziele

Spitzentransistor

Walter Brattain
16.Dezember 1947
Spannungsverstärkung 15
Shockley, Bardeen und Brattain: Nobelpreis
Nachbau des ersten Transistors Quelle: Wikimedia

Bipolartransistor Struktur

  • Anschlüsse:
    • Emitter: E (Bezugspunkt)
    • Basis: B (Eingang)
    • Kollektor: C (Ausgang)
  • Prinzip:
    • IC kann durch IB gesteuert werden.
    • Geringe Basisweite
  • Gibt es Ähnlichkeiten zu Feldeffekttransistoren?
  • Was sind die Unterschiede zu Feldeffekttransistoren?

Bipolartransistor Struktur


Ube [V] Uce [V]
0.7 4.0

Bipolartransistor Struktur

  • Anschlüsse:
    • Emitter (Source)
    • Basis (Gate)
    • Kollektor (Drain)
  • Gibt es Ähnlichkeiten zu Feldeffekttransistoren?
    • 3 Anschlüsse
  • Was sind die Unterschiede zu Feldeffekttransistoren?
    • Asymmetrie von Kollektor und Emitter
    • Der Bipolartransistor ist stromgesteuert (IB signifikant), der MOS Transistor ist Spannungsgesteuert IG=0.
    • Herstellung ist komplexer:
    • Mehr Masken, Isolation, Epitaxie
Quelle: Vollrath

Vereinfachtes Transportmodell im Normalbetrieb

  • Basis-Kollektor Übergang
    • Gesperrt
  • Basis-Emitter Übergang
    • Durchlassrichtung
  • Ein kleiner Basis-Emitter Strom steuert einen großen Emitter-Kollektor Strom.
  • Stromverstärkung:
    • Emitterschaltung: Emitter ist der gemeinsame Anschluss zwischen Eingang und Ausgang
    \( B_N =\frac{I_C}{I_B} = \frac{A_N}{1-A_N}=\beta \) Wertebereich: 100..300
    \( A_N =\frac{I_C}{I_E}=\alpha \) Wertebereich: 0.990..0.997
\( I_{C} =B_{N} \cdot I_{B} = I_{S} \cdot e^{\frac{U_{BE}}{U_T}} \)

\( I_{B} = \frac{I_{C}}{B_{N}} = \frac{I_{S}}{B_{N}} \cdot e^{\frac{U_{BE}}{U_T}} \)
\( I_{E} = I_{B} +I_{C} = \left( 1 + B_{N} \right) I_{B} \)
Quelle: Wikipedia
Der Transistorparameter BN kann bei der Auftragung IC über IB aus der Steigung gewonnen werden.
Der Transistorparameter IS kann mit einem Messpunkt bestimmt werden.
\( I_{S} = \frac{I_{C}}{ e^{\frac{U_{BE}}{U_T}}} \)

Beispiel: Bipolartransistor im Normalbetrieb

Beispiel: Berechnen Sie die Spannungen und Ströme folgender Schaltung.
Gegeben: \( I_{S} =10^{-16}A,\alpha_N = 0.95, R_1 = 20 k \Omega \)
\( V_{CC} = 10 V, I_C = 100 \mu A \)

Bipolartransistor Fragen

Early Effekt

Leichter Anstieg der Ausgangskennlinie
Veränderung der Basisweite:
Sperrschicht Basis Kollektor
\( I_{C} = B_N \cdot I_B \left(1+\frac{U_{CE}}{U_{EA}}\right) \)
Early Spannung UEA

Die Early Spannung UEA kann bei Messung von 2 Strömen IC bei gleichem Strom IB mit 2 Spannungen UCE aus der Steigung gewonnen werden.
\( I_{C1} = B_N \cdot I_B \left(1+\frac{U_{CE1}}{U_{EA}}\right) \)
\( I_{C2} = B_N \cdot I_B \left(1+\frac{U_{CE2}}{U_{EA}}\right) \)
\( \frac{I_{C1}}{I_{C2}} = \frac{1+\frac{U_{CE1}}{U_{EA}} }{1+\frac{U_{CE2}}{U_{EA}}} \)
\( \frac{I_{C1}}{I_{C2}} = \frac{U_{EA}+U_{CE1} }{U_{EA}+U_{CE2}} \)
\( \frac{I_{C1}}{I_{C2}} \left( U_{EA}+U_{CE2} \right) = U_{EA}+U_{CE1} \)
\( U_{EA} \left( \frac{I_{C1}}{I_{C2}} - 1 \right) = U_{CE1} - \frac{I_{C1}}{I_{C2}}U_{CE2} \)
\( U_{EA} = \frac{U_{CE1} - \frac{I_{C1}}{I_{C2}}U_{CE2}}{\frac{I_{C1}}{I_{C2}} - 1} \)

Bipolar Transistor BCY 591 NPN

Bipolar Transistor  591 NPN
Quelle: Vollrath

Bipolar Transistor Messung

BCY59: NPN
1k Basis AWG1
100 Ohm Collector zu AWG2
AWG1: 750mV+-100mV, 20Hz
AWG2: 3V, 3V, 100Hz

BCY79 PNP
Bipolar Transistor  591 NPN
Quelle: Vollrath
Bipolar Transistor  591 NPN
Quelle: Vollrath Bipolar Transistor  591 NPN
Quelle: Vollrath

Bipolartransistor als Verstärker

Kombiniertes Kennlinienfeld Transistor 2
Quelle: Wikipedia Bipolartransistor

Kleinsignalmodell: Hybrid \( \pi \) Modell

Linear Näherung für einen Arbeitspunkt Q
  • Eingangswiderstand
  • \( r_{BE} = \frac{dU_{BE}}{dI_B|_{U_{CE0}}} = \frac{1}{\frac{dI_B}{dU_{BE}}|_{U_{CE0}}} \)
    \( = \frac{1}{\frac{dI_S e^{\frac{U_{BE}}{U_T}}}{dU_{BE}}|_{U_{CE0}}} = \frac{1}{\frac{I_B}{U_T}} = \frac{U_T}{I_B} \)
  • gesteuerte Stromquelle
  • \( \beta i_B = g_m u_{BE} = S \cdot u_{BE} \)
    \( g_m = \frac{\beta i_B}{u_{BE}} = \frac{\beta}{r_{BE}} = \frac{\beta I_B}{U_T} = \frac{I_C}{U_T} \)
  • Ausgangswiderstand
  • \( r_o = \frac{1}{g_d}= \frac{1}{\frac{dI_C}{dU_{CE}}} = \frac{1}{\frac{dI_{S} e^{\frac{U_{BE}}{U_T}} \left(1 + \frac{U_{CE}}{U_{EA}}\right)}{dU_{CE}}} = \frac{U_{EA}}{I_C} \)
\( I_{C} = I_{S} e^{\frac{U_{BE}}{U_T}} \left(1 + \frac{U_{CE}}{U_{EA}}\right) = \beta I_B \left(1 + \frac{U_{CE}}{U_{EA}}\right) \)

SPICE Model Q. Bipolar transistor

Symbol Names: NPN, PNP, NPN2, PNP2

Syntax: Qxxx Collector Base Emitter [Substrate Node] model [area] [off] [IC=] [temp=]

Beispiel:
Q1 C B E MyNPNmodel
.model MyNPNmodel NPN(Bf=75)

Name DescriptionUnitsDefault
IS Transport saturation current A 1E-16
Bf Ideal maximum forward beta - 100
Vaf Forward Early voltage V infinity
Br Ideal maximum reverse beta - 1

Bipolartransistor LTSPICE Simulation

Quelle: Vollrath

Frequenzverhalten

Datenblatt
\( \beta = h_{FE} \) 300
\( f_{T} \) 6 kHz
\( f_{g} \) 20 Hz
Gain-bandwith product
Verstärkungsbandbreiteprodukt
\( f_{T} = \beta \cdot f_{g} \)
Quelle Vollrath

Arbeitspunkt und Stromverstärkung

Bei mittleren Strömen maximal

Kleine Ströme
Generations-, Rekombinationsstrom des Basis Emitterübergang steigt an ohne Kollerktorstrom zu beeinflussen.

Große Ströme
Leitfähigkeitserhöhung der Basis
Grössere Raumladungszone zwischen Basis und Kollektor
Quelle: Datenblatt ST

MOSFET und Bipolartransistor
Kleinsignalparameter und Verstärkung

Bipolartransistor:
\( \beta =100, U_{EA}=75V, U_{CE}=10V \)
IC \( g_m = \frac{I_C}{U_T} \) \( r_{BE} = \frac{\beta}{g_m} \) \( r_o = \frac{U_{EA}}{I_C} \) \( |v_f| = \frac{U_{EA}}{U_T} \)
1uA 40uS 2.5M \( \Omega \) 75M \( \Omega \) 3000
10uA 400uS 250k \(\Omega \) 7.5M \( \Omega \) 3000
100uA 4mS 25k \( \Omega \) 750k \( \Omega \) 3000
1mA 40mS 2.5k \( \Omega \) 75k \( \Omega \) 3000
10mA 400mS 0.25k \( \Omega \) 7.5k \( \Omega \) 3000
MOSFET:
\( KP=1mA/V^2, \lambda =0.0133V^{-1}, U_{DS}=10V \)
IC \( g_m = \frac{2I_D}{U_{GS}-U_{th}} \) \( r_{in} = \infty \) \( r_o = \frac{\frac{1}{\lambda}+U_{DS}}{I_D} \) \( |v_f| = \frac{1}{\lambda}\sqrt{\frac{2K_P}{I_D}} \) \( U_{GS}-U_{th} \)
1uA 44.7uS \( \infty \) 85.2M \( \Omega \) 3363 0.04 V
10uA 141uS \( \infty \) 8.5M \( \Omega \) 1063 0.14 V
100uA 447uS \( \infty \) 852k \( \Omega \) 363 0.45 V
1mA 1.41mS \( \infty \) 85.2k \( \Omega \) 106 1.41 V
10mA 4.47mS \( \infty \) 8.5k \( \Omega \) 34 4.47 V
vf: Spannungsverstärkung in Vorwärtsrichtung (Bipolartransistor)
MOSFET Spannungsverstärkung:
\( |v_{f}| = |v_{u}| = \frac{g_{m}}{r_{o}} = \frac{2 I_{D}}{U_{GS}-U_{th}} \frac{1}{\lambda I_{D}} \)
\( |v_{f}| = \frac{ 2 I_{D }}{\sqrt{\frac{I_{D}}{2 K_{N}}}} \frac{1}{\lambda I_{D}} = \frac{1}{\lambda}\sqrt{\frac{2K_P}{I_D}} \)

Diskussion Vergleich MOSFET und Bipolartransistor

Nächstes Mal:


13 Stromspiegel