Transistor als Verstärker
Transistor-Definition
Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen (Emitter, Basis und Kollektor) und zwei Übergängen (Basis-Emitter und Basis-Kollektor).
Ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen: Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C). Er hat zwei Übergänge: Basis-Emitter (BE) und Basis-Kollektor (BC). Transistoren arbeiten in drei Bereichen: Sperrbereich (vollständig aus), aktiver Bereich (verstärkend) und Sättigungsgebiet (vollständig ein).
Wenn Transistoren im aktiven Bereich arbeiten, wirken sie als Verstärker, die die Stärke des Eingangssignals ohne signifikante Änderung erhöhen. Dieses Verhalten beruht auf der Bewegung von Ladungsträgern. Betrachten Sie einen npn-bipolaren Junctionstransistor (BJT), der so vorspannungstechnisch betrieben wird, dass der BE-Übergang vorwärtsgepolt und der BC-Übergang rückwärtsgepolt ist.
Bei einem npn-Transistor ist der Emitter stark dotiert, die Basis leicht dotiert und der Kollektor mittelstark dotiert. Die Basis ist schmal, während der Emitter breiter und der Kollektor am breitesten ist.
Die Vorwärtsvorspannung zwischen den Basis- und Emitteranschlüssen verursacht einen kleinen Basisstrom (IB), der in den Basisbereich fließt. Dieser Strom liegt in der Regel im Mikroampere-Bereich (μA), da VBE typischerweise etwa 0,6 V beträgt.
Dieser Prozess kann als Bewegung von Elektronen aus dem Basisbereich oder als Eintritt von Lochladungen in diesen gesehen werden. Die eingetragenen Löcher ziehen Elektronen vom Emitter an, was zur Rekombination von Löchern und Elektronen führt.
Da die Basis jedoch im Vergleich zum Emitter weniger dotiert ist, gibt es mehr Elektronen als Löcher. Daher bleiben nach der Rekombinationswirkung viele freie Elektronen übrig. Diese Elektronen durchqueren nun den schmalen Basisbereich und bewegen sich unter dem Einfluss der Vorspannung zwischen Kollektor und Basis in Richtung des Kollektoranschlusses.
Dies stellt nichts anderes dar als den in den Kollektor fließenden Kollektorstrom IC. Hieraus kann man erkennen, dass durch die Variation des in den Basisbereich fließenden Stroms (IB) eine sehr große Variation des Kollektorstroms IC erreicht werden kann. Dies ist nichts anderes als die Stromverstärkung, die zu dem Schluss führt, dass der im aktiven Bereich arbeitende npn-Transistor als Stromverstärker wirkt. Der zugehörige Stromgewinn kann mathematisch ausgedrückt werden als-
Nehmen wir nun den npn-Transistor mit dem Eingangssignal, das zwischen seinen Basis- und Emitteranschlüssen angelegt wird, während das Ausgangssignal über den Lastwiderstand RC, der zwischen Kollektor und Basisanschluss geschaltet ist, abgegriffen wird, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Nehmen wir nun den npn-Transistor mit dem Eingangssignal, das zwischen seinen Basis- und Emitteranschlüssen angelegt wird, während das Ausgangssignal über den Lastwiderstand RC, der zwischen Kollektor und Basisanschluss geschaltet ist, abgegriffen wird, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Beachten Sie weiterhin, dass der Transistor durch die Verwendung geeigneter Spannungsversorgungen, V EE und VBC, stets im aktiven Bereich arbeitet. Hierbei führt eine kleine Änderung der Eingangsspannung Vin zu einer erheblichen Änderung des Emitterstroms IE, da der Widerstand des Eingangsschaltkreises gering ist (aufgrund der Vorwärtsvorspannung).
Dies führt wiederum zu einer fast gleichen Änderung des Kollektorstroms, da die Größe des Basisstroms für den betrachteten Fall relativ gering ist. Diese große Änderung von IC verursacht eine große Spannungsabfall über den Lastwiderstand RC, was nichts anderes als die Ausgangsspannung ist.
Daher erhält man eine verstärkte Version der Eingangsspannung an den Ausgangsanschlüssen des Bauelements, was zu dem Schluss führt, dass der Schaltkreis als Spannungsverstärker wirkt. Die mathematische Ausdrucksform für den Spannungsgewinn, der mit diesem Phänomen verbunden ist, lautet
Obwohl die Erklärung für den npn-BJT gegeben wurde, gilt eine ähnliche Analogie auch für pnp-BJTs. Auf der gleichen Grundlage kann man die Verstärkungswirkung anderer Transistortypen, wie z.B. Feldeffekttransistoren (FET), erklären. Zudem ist zu beachten, dass es viele Variationen des Verstärkerschaltkreises für Transistoren gibt, wie
Erste Gruppe: Gemeinsame Basis/Tor-Schaltung, Gemeinsamer Emitter/Quelle-Schaltung, Gemeinsamer Kollektor/Drain-Schaltung
Zweite Gruppe: Klasse-A-Verstärker, Klasse-B-Verstärker, Klasse-C-Verstärker, Klasse-AB-Verstärker
Dritte Gruppe: Einstufige Verstärker, Mehrstufige Verstärker, und so weiter. Allerdings bleibt das grundlegende Arbeitsprinzip gleich.
