Transistoren

Bipolartransistoren

• Bipolartransistoren bestehen aus drei Regionen und zwei pn-Übergängen.
• Die Regionen werden als Emitter, Basis und Kollektor bezeichnet und verfügen jeweils über separate Anschlüsse.
• Es gibt PNP- und NPN-Transistoren.

Emitterschaltung

Funktionsweise

• Grundprinzip des Bipolartransistors
  Ein Bipolartransistor ist ein Stromverstärker. Ein kleiner Basisstrom sorgt für einen großen Emitterstrom.

• Berechnung des Basisstroms

  \[ I_B = \frac{U_{R_B}}{R_B}\]
  \[ U_E = U_{R_B} + U_{BE} \]

  Die Basis-Emitterspannung beträgt im eingeschalteten Zustand circa \(0.6\si V\). Vergleichsweise einer Diode.

  \[ I_B = \frac{U_E - U_{BE}}{R_B} \]

• Stromverstärkung
  Ist der Transistor nicht übersteuert, tritt ein mit \(\beta\) verstärkter Kollektorstrom auf.

  \[I_C = \beta \cdot I_B\]

• Ausgangsspannung
  Über der Kollektor-Emitterstrecke tritt ein kleiner Spannungfall auf:

  \[ U_{CE} = U_B - U_{R_C} \]
  \[ U_{CE} = U_B - R_C\cdot I_C \]

Emitterschaltung als Schalter

• Bipolartransistoren werden auch als Schalter eingesetzt, wenn hohe Ströme zu steuern sind.
• In Schalteranwendungen ist der Transistor entweder ausgeschaltet oder in der Sättigung.
• Im ausgeschalteten Zustand ist der Basistrom zu klein, um die Kollektor-Emitter-Strecke zu öffnen. Die Ausgangsspannung ist gleich der Betriebsspannung.
• Wenn die Eingangsspannung groß genug ist, um den Transistor durchzusteuern, dann verhält er sich wie ein geschlossener Schalter. Die Ausgangsspannung ist dann nahe 0.

Aufgabe

Mit der folgenden Transistorschaltung soll eine kleine Glühlampe betrieben werden. Die Gleichstromverstärkung \(\beta\) des Transistors beträgt \(150\) und die Flussspannung der Basis-Emitterstrecke \(0.6\si V\). Berechnen Sie den Kollektorstrom.

Aufgabe

Ein kleiner Motor (\(9\si V, 50\si{mA}\)) soll mit Hilfe einer Emitterschaltung gesteuert werden. Als Eingangssignal steht ein \(3.3\si V\)-Signal zur Verfügung. Zeichen Sie den Schaltplan und dimensionieren Sie den Basiswiderstand.
Für den verwendeten Transistor stehen folgenden Daten zur Verfügung:

\[\beta = 200\]

\[U_{BE} = 0.6\si V\]

Emitterschaltung als Verstärker

• Bipolartransistoren werden als Kleinsignalverstärker eingesetzt.
• Typisch ist der Basisspannungsteiler zur Einstellung des Arbeitspunktes, sowie der Kollektorwiderstand RC, an dem die Stromänderung durch den Transistor in eine Spannungsänderung umgesetzt wird.
• Die Ein- und Auskoppelkondensatoren verhindern eine Verschiebung des Gleichstromarbeitspunktes.
• Das Eingangssignal wird am Ausgang verstärkt, aber 180° phasengedreht abgegriffen.

Kollektorschaltung

• In einem Kollektorverstärker wird das Eingangssignal der Basis zugeführt und das Ausgangssignal am Emitter abgegriffen.
• Diese Schaltung ermöglicht keine Spannungsverstärkung, wohl aber eine Leistungsverstärkung.
• Eingangs- und Ausgangspannung sind nahezu identisch, es gibt keine Phasenverschiebung.
• Der Ausgangswiderstand ist kleiner im Vergleich zur Emitterverstärker.

Feldeffekttransistoren

• Der Feldeffekttransistor (FET) ist ein spannungsgesteuertes aktives Bauelement, bei mit dem der Gatespannung den Drainstrom steuert.
• Es gibt zwei Typen von Feldeffekttransistoren: den Sperrschicht-FET und den MOSFET.

D: Drain
G: Gate
S: Source

Sperrschichtfeldeffekttransistor (JFET)

• Sperrschicht-FETs besitzen einen Verbindungskanal zwischen den Anschlüssen Source und Drain.
• Der Kanalstrom wird durch die Gatespannung gesteuert.
• Das Gate arbeitet immer in Sperrrichtung des pn-Überganges, der sich aus Gate und Kanal ergibt.
• Wenn die Gatespannung steigt, sinkt der Kanalstrom.

MOSFET

Aufbau

• Der MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) unterscheidet sich vom Sperrschicht-FET durch den isolierten Gateanschluss anstelle des pn-Überganges zwischen Gate und Kanal.
• Wie Sperrschicht-FETs, besitzen MOSFETs einen Verbindungskanal zwischen dem Source-und Drain-Anschluss.
• Der Kanalstrom wird durch die Gatespannung gesteuert. Die Gatespannung ist abhängig vom MOSFET-Typ.

Typen

Halbleitertechnologie

Miniaturisierung

Bonden

• Herstellen eines Silizium-Wavers
• Kleine Chips werden aus Silizium-Waver geschnitten
• Verbindungskontakte zum Gehäuse muss ergestellt werden → Bonden