Der erste Bipolartransistor wurde 1947 bei Bell Laboratories erfunden. „Bipolar” wird als bipolar bezeichnet, daher der Name Bipolartransistor (BJT). Ein BJT ist ein Bauelement mit drei Anschlüssen: Kollektor (C), Basis (B) und Emitter (E).
Derzeit gibt es zwei Arten von bipolaren Sperrschichtkristallen, nämlich NPN- und PNP-Transistoren. In diesem Artikel stellen wir die Struktur, die Funktionsweise und die Anwendung des PNP-Transistors vor.
Was ist ein PNP-Transistor?
Ein PNP-Transistor ist eine Art von Bipolartransistor (BJT), der aus drei Schichten dotierter Halbleiter besteht. In einem PNP-Transistor sind die Majoritätsladungsträger Löcher, die vom Emitter zur Basis und dann zum Kollektor fließen. Der PNP-Transistor wird in elektronischen Schaltungen häufig als Schalter oder Verstärker verwendet.
Aufbau eines PNP-Transistors
Zur Veranschaulichung der Struktur eines PNP-Transistors betrachten Sie das folgende Diagramm:
Ein PNP-Transistor besteht aus drei Schichten aus abwechselnd P-Typ- und N-Typ-Halbleitermaterialien. Die drei Schichten werden als Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C) bezeichnet. Die Schichten sind in einer sandwichartigen Struktur angeordnet, wobei zwei P-Typ-Schichten eine N-Typ-Schicht umgeben, daher der Name PNP.
In diesem Diagramm befindet sich der Emitter auf der linken Seite, der Kollektor auf der rechten Seite und die Basis in der Mitte. Die Basis ist sehr dünn und leicht dotiert, während der Emitter und der Kollektor stark dotiert sind. Durch die Dotierung der Schichten entstehen Übergänge zwischen ihnen, die für die Funktion des Transistors verantwortlich sind.
Wenn eine Spannung an die Basis des PNP-Transistors angelegt wird, fließt ein kleiner Strom vom Emitter zur Basis. Dieser Strom bewirkt, dass ein viel größerer Strom vom Kollektor zum Emitter fließt, der zur Steuerung einer externen Schaltung verwendet werden kann.
Wie funktioniert ein PNP-Transistor?
Wie oben erwähnt, ist ein Transistor ein Stromsteuerungselement, das zwei Verarmungsschichten mit einem bestimmten Barrierepotenzial aufweist, das für die Diffusion der Verarmungsschichten erforderlich ist. Das Barrierepotenzial eines Siliziumtransistors beträgt 0,7 V bei 25 °C, während das eines Germaniumtransistors bei 25 °C 0,3 V beträgt. Der am häufigsten verwendete Transistortyp ist Silizium, da es nach Sauerstoff das häufigste Element auf der Erde ist.
Interne Funktionsweise:
Die Struktur eines PNP-Transistors besteht darin, dass die Kollektor- und Emitterbereiche mit p-Typ-Material dotiert sind und der Basisbereich mit einer dünnen Schicht aus n-Typ-Material dotiert ist. Der Emitterbereich ist im Vergleich zum Kollektorbereich stark dotiert. Diese drei Bereiche bilden zwei Übergänge, nämlich den Kollektor-Basis-Übergang (CB) und den Basis-Emitter-Übergang.
Wenn ein negatives Potential VBE, das von 0 V abfällt, an den Basis-Emitter-Übergang angelegt wird, beginnen sich Elektronen und Löcher im Verarmungsbereich anzusammeln. Wenn das Potential weiter unter 0,7 V gesenkt wird, wird die Barrierespannung erreicht und es kommt zur Diffusion. Daher fließen Elektronen zum positiven Pol, und der Basisstrom (IB) ist entgegengesetzt zum Elektronenfluss. Wenn außerdem eine Spannung VCE an den Kollektoranschluss angelegt wird, beginnt ein Strom vom Emitter zum Kollektor zu fließen. Daher können PNP-Transistoren sowohl als Schalter als auch als Verstärker fungieren.
Arbeitsbereich und Arbeitsmodus:
- Aktiver Bereich: IC = βxIB – Verstärkerbetrieb
- Sättigungsbereich: IC = Sättigungsstrom – Schaltbetrieb (vollständig eingeschaltet)
- Sperrbereich: IC=0 – Schaltbetrieb (vollständig geschlossen)
Anwendungsbeispiele für PNP-Transistoren
1. PNP-Transistor als Schalter
PNP-Transistoren werden häufig als Schalter in Schaltungen verwendet. In diesem Beispiel verwenden wir das PSPICE-Modell und den Transistor PN2907A. Denken Sie zunächst daran, einen Strombegrenzungswiderstand an der Basis zu verwenden. Ein höherer Basisstrom kann den BJT beschädigen. Gemäß dem unten aufgeführten Datenblatt beträgt der maximale Dauer-Kollektorstrom 600 mA, und die entsprechende Verstärkung (hFE oder β) ist im Datenblatt als Testbedingung angegeben. Die entsprechende Sättigungsspannung und der Basisstrom sind ebenfalls verfügbar.
Schritte zur Auswahl der Komponenten:
1. Ermitteln Sie den Kollektorstrom, also den von der Last aufgenommenen Strom. In diesem Fall wären das 200 mA (parallel zur LED oder Last) und ein Widerstand von 60 Ohm.
2. Um den Transistor in einen gesättigten Zustand zu versetzen, muss genügend Basisstrom gezogen werden, damit der Transistor vollständig eingeschaltet wird. Berechnen Sie den Basisstrom und den entsprechenden Widerstand, der verwendet werden soll. Nachfolgend finden Sie die Berechnungsformel für den Basisstrom und den Basiswiderstand in einem PNP-Transistor:
IB=IC/β=-200 mA / 90=-2,2 mA≈-2,5 mA
RB=VBE/IB=-5/-2,5 mA=2000 Ohm≈2,2 kOhm
Für eine vollständige Sättigung beträgt der Basisstrom etwa 2,5 mA (nicht zu hoch und nicht zu niedrig). Nachstehend finden Sie die Schaltung für 12 V zur Basis, ebenso wie für den Emitter zur Masse, während der der Schalter ausgeschaltet ist.
Theoretisch ist der Schalter vollständig geöffnet, aber in der Praxis kann ein Leckstrom beobachtet werden. Dieser Strom ist vernachlässigbar, da seine Einheiten pA oder nA betragen. Um die Stromsteuerung besser zu verstehen, kann man sich einen Transistor als einen variablen Widerstand zwischen Kollektor (C) und Emitter (E) vorstellen, dessen Widerstand sich entsprechend dem Strom durch die Basis (B) ändert.
Wenn zunächst kein Strom durch die Basis fließt, ist der Widerstand zwischen CE so hoch, dass kein Strom fließt. Wenn an der Basisanschlussstelle eine Potentialdifferenz von 0,7 V und mehr auftritt, diffundiert der BE-Übergang und bewirkt eine Diffusion des CB-Übergangs. Nun ist der vom Emitter zum Kollektor fließende Strom proportional zum vom Emitter zur Basis fließenden Strom, was die Verstärkung darstellt.
Sehen wir uns nun an, wie man den Ausgangsstrom durch Steuerung des Basisstroms regeln kann. Fester IC = 100 mA, obwohl die Last 200 mA beträgt, liegt die entsprechende Verstärkung im Datenblatt zwischen 100 und 300, und nach der gleichen Formel wie oben erhalten wir:
IB=IC/β=-100 mA/250=-0,4 mA
RB=VBE/IB=-5/-0,4 mA=12500 Ohm≈13k Ohm
Die Differenz zwischen den tatsächlichen und den berechneten Werten ist auf den Spannungsabfall über dem Transistor und die verwendete ohmsche Last zurückzuführen. Außerdem wurde an der Basis der Standardwiderstandswert von 13 kOhm anstelle von 12,5 kOhm verwendet.
2. PNP-Transistor als Verstärker
Verstärkung ist die Umwandlung eines schwachen Signals in eine nutzbare Form. Der Verstärkungsprozess ist ein wichtiger Schritt in vielen Anwendungen, wie z. B. der drahtlosen Übertragung von Signalen, dem drahtlosen Empfang von Signalen, MP3-Playern, Mobiltelefonen usw. Transistoren können Leistung, Spannung und Strom in verschiedenen Konfigurationen verstärken.
Einige Konfigurationen, die in Transistorverstärkerschaltungen verwendet werden, sind:
- Emitterfolgverstärker
- Common-Collector-Verstärker
- Emitterfolgverstärker
Von den oben genannten Typen ist der Emittergesteuerte Verstärker die am häufigsten verwendete Konfiguration. Dieser Vorgang findet im aktiven Bereich statt, ein Beispiel hierfür ist eine einstufige Emittergesteuerte Verstärkerschaltung. Ein stabiler Gleichstrom-Vorspannungspunkt und eine stabile Wechselstromverstärkung sind für die Verstärkerkonstruktion wichtig. Die Bezeichnung einstufiger Verstärker wird verwendet, wenn nur ein Transistor verwendet wird.
Oben ist ein einstufiger Verstärker dargestellt, bei dem ein am Basisanschluss angelegtes schwaches Signal in das Beta-fache des tatsächlichen Signals am Kollektoranschluss umgewandelt wird.
Verstärkerschaltungskonfigurationen von PNP-Transistoren
Verstärkerschaltungen gibt es in drei Konfigurationen: Common Emitter (CE), Common Base (CB) und Common Collector (CC). Diese Konfigurationen verwenden unterschiedliche kapazitive und ohmsche Elemente zur Signalverstärkung und -stabilisierung.
Gemeinsamer Emitter (CE)
Die CE-Konfiguration (Common Emitter) umfasst einen Koppelkondensator (CIN) und einen Ausgangskopplungskondensator (COUT). CIN koppelt das Eingangssignal an die Basis des Transistors, sodass Wechselstromsignale passieren können, während Gleichstromsignale isoliert werden. COUT koppelt das Ausgangssignal des Transistors an den Lastkreis und lässt nur das Wechselstromsignal passieren. Die CE-Konfiguration verwendet außerdem einen Bypass-Kondensator als niederohmigen Pfad für das verstärkte Signal.
In der CE-Konfiguration sorgen R2 und RE für die Stabilität des Verstärkers, während R1 und R2 zusammen als Spannungsteiler fungieren, um die Stabilität am Gleichstrom-Vorspannungspunkt zu gewährleisten.
Gemeinsame Basis (CB)
Bei einem CB-Verstärker wird der Eingang an den Emitteranschluss angelegt und der Ausgang vom Kollektoranschluss abgegriffen. Der Emitteranschluss ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, während der Kollektoranschluss in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. Die Vorspannungsbedingungen eines CB-Verstärkers sorgen für eine niedrige Eingangsimpedanz und eine hohe Ausgangsimpedanz.
Die Schaltung eines gemeinsamen Basisverstärkers lässt sich durch folgende Gleichung darstellen: Av = -gmRc, wobei Av die Spannungsverstärkung, gm der Transkonduktanzparameter und Rc der Lastwiderstand ist. Die Spannungsverstärkung eines gemeinsamen Basisverstärkers ist kleiner als eins, aber er hat eine hohe Stromverstärkung und eine große Bandbreite.
Gemeinsamer Kollektor (CC)
Der CC-Verstärker wird auch als Emitterfolger bezeichnet, da die Ausgangsspannung der Eingangsspannung sehr genau folgt. In einer CC-Verstärkerschaltung wird der Emitteranschluss immer mit einer Spannung vorgespannt, die etwas unter der Basisspannung liegt, bei einem Siliziumtransistor typischerweise etwa 0,6 V. Dadurch wird sichergestellt, dass sich der Transistor im aktiven Bereich befindet und das Eingangssignal verstärken kann.
Der CC-Verstärker hat eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz, wodurch er sich für Impedanzanpassungs- und Spannungsverstärkungsanwendungen eignet. Außerdem bietet er eine hohe Stromverstärkung und eine hohe Bandbreite bei Einheitsverstärkung, wodurch er sich ideal für die Pufferung von Signalen zwischen den Stufen eines Verstärkers eignet.
