Versuch: "Diode, Transistor, Thyristor"

Elektrotechnisches Praktikum
für Maschinenbauer
Ort:
Denickestraße 22
Raum-Nr.: 0051 (direkt über der Mensa)
Versuch:
"Diode, Transistor, Thyristor"
Technische Universität Hamburg-Harburg
Institut für Hochfrequenztechnik
Prof. Dr.-Ing. A. Jacob
Diode, Transistor, Thyristor
Diode, Transistor, Thyristor
In diesem Versuch sollen 3 Halbleiter-Bauelemente in ihrer Wirkungsweise und ihren wichtigsten Anwendungen untersucht werden, die jeweils der Grundtyp einer Klasse von Bauelementen sind. Die Diode ist ein Zweischicht-Halbleiter und dient zur Gleichrichtung von
Wechselsignalen (z.B. Leistungsgleichrichter in der Starkstromtechnik oder Empfänger von
Signalen in der Nachrichtentechnik). Der Transistor weist 3 Schichten auf und dient hauptsächlich zur Verstärkung (von Gleichstrom bis zu Wechselströmen von 10 9 Hz), aber auch
als Schalter oder Generator. Der Thyristor schließlich ist ein Vierschicht-Element, das als
Schalter für Signale hoher Leistung vielseitige Verwendung findet (z.B. in Reglern wie der
Thyristor-Zündung beim Otto-Motor). Die Funktion aller 3 Bauelemente beruht auf dem Mechanismus der Stromleitung in den sogenannten "Halbleitern".
1. Metall, Halbleiter, Isolator
Die Festkörper teilt man hinsichtlich der Stromleitung in diese 3 Gruppen ein. Wesentliches
Merkmal ist die spezifische Leitfähigkeit σ , die bei Isolierstoffen extrem niedrig ist (z.B.
10 −22 Sm / mm 2 bei Bernstein oder 10 −18 Sm / mm 2 bei Mineralöl), während sie bei Metallen
um viele Größenordnungen höher liegt (z.B. bei Kupfer mit 56 Sm / mm 2 ). Dazwischen liegen die als Halbleiter bezeichneten Materialien, deren Leitfähigkeit durch unten noch besprochene Maßnahmen über mehrere Größenordnungen gezielt eingestellt werden kann. Dabei
kennt man Element-Halbleiter wie Germanium oder Silizium und Verbindungs-Halbleiter wie
Gallium-Arsenid.
1.1 Metallische Stromleitung
Etwa ein Elektron je Atom nimmt am Leitungsvorgang (= Ladungstransport) teil. Dabei gibt
es etwa 10 23 Atome je cm 3 . Die Elektronen bewegen sich frei und ungeordnet ("Wimmelbewegung", sogenanntes "Elektronengas") zwischen den unbeweglichen Atomrümpfen des Kristallgitters. Legt man ein elektrisches Feld durch eine Potentialdifferenz an, so bildet sich eine
Vorzugsrichtung heraus: Es fließt ein Elektronenstrom.
1.2 Eigenleitung in Isolatoren und Halbleitern
Bei Isolatoren sind fast alle Elektronen an "ihr" Atom gebunden, d.h. ortsfest. Dieser Zustand
ist über weite Bereiche von Einflussgrößen wie Temperatur oder elektrisches Feld nicht zu
verändern. Die Leitfähigkeit ist praktisch Null.
Der Unterschied zu Halbleitern ist nicht prinzipieller sondern nur gradueller Natur. Bei sehr
tiefen Temperaturen ist auch deren Leitfähigkeit sehr gering. Sie nimmt aber mit der Temperatur stark zu. Den Transportvorgang kann man sich am Beispiel der Element-Halbleiter Ge
oder Si folgendermaßen veranschaulichen:
Beide Elemente besitzen 4 Valenzelektronen: sie sind vierwertig. Sie kristallisieren im Diamantgitter, bei dem jedes Atom über jeweils eine "Brücke" aus 2 Elektronen an 4 Nachbaratome gebunden ist. Das ist schematisch in der Ebene in Bild 1 dargestellt. Die Bindung ist
vollständig beim absoluten Temperaturnullpunkt (Bild 1), der Halbleiter ist ein idealer Isolator. Durch Erwärmung (Energiezufuhr) werden zunehmend mehr Elektronen aus den Bindun1
Diode, Transistor, Thyristor
gen befreit und damit beweglich. Das hat aber nun eine eigentümliche Konsequenz: Wenn das
Elektron seinen Platz verlässt (z.B. wegen eines angelegten elektrischen Feldes), hinterlässt es
im Gitter ein Loch = Defektelektron = positive Überschussladung. Es hat sich damit ein Ladungsträgerpaar gebildet: Generation. Natürlich kann eine positive Überschussladung auch
durch ein anderes freies Elektron kompensiert werden, das den Platz des Loches im Gitter
einnimmt. Ein Ladungsträgerpaar verschwindet damit: Rekombination. Beide Prozesse stehen
miteinander im Gleichgewicht, sodass im stationären Zustand eine bestimmte Anzahl von
Elektron-Loch-Paaren für den Leitungsvorgang zur Verfügung stehen. Diese Zahl wächst über
der Temperatur.
Bild 1: Ebene Darstellung eines Si-Kristalls
In Bild 2 ist ein Leitungsvorgang schematisch dargestellt. Ein Elektron verlässt seinen Gitterplatz und bewegt sich frei (1). Das entstandene Loch wird nach einer gewissen Zeit von einem
Valenzelektron eines Nachbaratoms aufgefüllt (2), wobei allerdings ein neues Loch entsteht
(3). Diese Vorgänge können sich fortpflanzen, der Halbleiterkristall zeigt die sogenannte "Eigenleitung" unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes. Eigentümliches Merkmal ist,
dass beide Ladungsträgersorten additiv zum Ladungstransport beitragen: Der Elektronenstrom
bewirkt eine Wanderung negativer Ladung, der Löcherstrom eine scheinbare Wanderung positiver Ladung. Dabei bewegen sich nicht die "ionisierten" Gitteratome, sondern es wandert der
Ionisierungszustand. Für einen äußeren Beobachter stellt sich das als eine Bewegung positiver
Ladung dar, die dem Elektronenstrom überlagert ist.
Bild 2: Eigenleitung im Ge-Kristall
Elektrische Leitung aufgrund der Paarbildung von Ladungsträgern nennt man Eigenleitung.
An ihr sind damit stets gleich viele Elektronen wie Löcher beteiligt. Die Ladungsträgerdichte,
d.i. die Anzahl der Ladungsträger pro Volumeneinheit, ist gleich der Eigenleitungsdichte. Sie
beträgt bei Ge (Si) bei Zimmertemperatur 2,4 ⋅1013 cm −3 1,5 ⋅1010 cm −3 , sodass z.B. von den
(
−3
9
)
4,4 ⋅10 22 Ge-Atomen je cm nur von etwa jedem 10 -ten Atom ein freies Elektron zur Verfügung gestellt wird. (Man vergleiche mit Metallen: Jedes Atom stellt im Mittel etwa ein
Elektron zur Verfügung.) Der Eigenleitungseffekt ist folglich sehr gering und konnte auch erst
2
Diode, Transistor, Thyristor
beobachtet werden, als man Halbleiterkristalle höchster Reinheit herstellen konnte. Verunreinigungen überdecken nämlich diesen Effekt, wie im folgenden veranschaulicht werden soll.
1.3 Störstellenleitung in Halbleitern
Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann um viele Größenordnungen dadurch gesteigert werden,
dass man das Material durch die Zugabe von Fremdatomen "verunreinigt". Das nennt man
Dotieren. Dabei werden entweder fünfwertige Atome wie z.B. Antimon oder dreiwertige wie
z.B. Indium in das Wirtsgitter eingebaut. Technisch geschieht das beispielsweise durch Legieren oder Eindiffundieren des Dotierstoffes.
Es soll zunächst der Leitungsvorgang infolge Dotierung mit fünfwertigen Störstellen betrachtet werden (Bild 3). Ein Valenzelektron des Störatoms bleibt ohne Bindung im Kristallgitter
und steht daher als freier Ladungsträger zur Verfügung. Eine solche Störstelle bezeichnet man
daher als Donator. Das Donatoratom wird, nachdem es sein Elektron abgegeben hat, zu einem
positiv geladenen Ion. Den mit Donatoren dotierten Halbleiter nennt man einen n-Leiter. Ein
typischer Wert sind 1016 Donatoratome je cm 3 , sodass zur Störstellenleitung wesentlich mehr
Elektronen zur Verfügung stehen, als zur Eigenleitung. Andererseits entspricht dieser Dotierungsgrad einem Fremdatom auf etwa 10 6 Atomen des Wirtsmaterials. Die Reinheitsanforderungen an den Halbleiterkristall sind also nach wie vor extrem hoch.
Bild 3: Störstellenleitung im Si-Kristall durch Dotieren mit Sb
In Bild 4 wird der Leitungsvorgang infolge Dotierung mit dreiwertigen Störstellen skizziert.
Dem Fremdatom fehlt dann jeweils ein Valenzelektron, um die Bindungen zu den benachbarten Atomen abzusättigen. In diese Bindungslücke kann dann aus einer vollständigen Bindung
(bei geringer Energiezufuhr z.B. durch Erwärmung) ein Bindungselektron nachrücken, wodurch dort ein Loch entsteht. Eine solche Störstelle bezeichnet man dann als Akzeptor. Das
Akzep- toratom wird zu einem negativ geladenen Ion. Das Loch kann im Kristallverband genauso wandern, wie es schon bei der Eigenleitung beschrieben wurde. Man bezeichnet das
Halbleitermaterial jetzt als p-Leiter. (Mit n und p werden in der Literatur gewöhnlich Elektronen und Löcher bezeichnet.)
Bild 4: Störstellenleitung im Si-Kristall durch Dotieren mit In
3
Diode, Transistor, Thyristor
Auch bei dotierten Halbleitern entstehen und verschwinden dauernd zusätzliche Ladungsträgerpaare, die zur Eigenleitfähigkeit führen. Sie wird jedoch durch die Störstellen-Leitfähigkeit
meist um viele Größenordnungen übertroffen. Andererseits sind aber durch den Prozess der
Generation in einem z.B. n-dotierten Halbleiter auch frei Löcher enthalten, wie in einem
p-dotierten Halbleier auch freie Elektronen enthalten sind. Die gesamte Leitfähigkeit setzt sich
daher aus einem Anteil infolge der freien Elektronen und einem anderen infolge der freien
Löcher zusammen. Man bezeichnet die Ladungsträger, die durch die Dotierung im Halbleiter
vorhanden sind, als Majoritätsträger, die freien Ladungsträger mit entgegengesetztem Vorzeichen als Minoritätsträger. Bei nicht zu großen Strömen gilt
n ⋅ p = n i2 .
Darin bedeuten n und p die Dichten der Elektronen und Löcher sowie n i die im Abschnitt 1.2
eingeführte Eigenleitungsdichte. Während in einem undotierten Halbleiter n = p gilt (warum?), hat man in einem dotierten Halbleiter nur ein Hundertstel so viel Minoritätsträger wie
Majoritätsträger, wenn man mit 10 n i Fremdatomen dotiert.
2. pn-Übergang
Ein pn-Übergang ist ein Gebiet, in dem ein p-Leiter und ein n-Leiter flächig aneinandergrenzen. Er kann z.B. durch einen Diffusionsprozess erzeugt werden. Es wird im folgenden gezeigt, dass die Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges einen Sperr- und einen Durchlassbereich aufweist: Es entsteht eine Diode.
2.1 pn-Übergang ohne äußere Spannung
Am pn-Übergang treten große Konzentrationsgradienten der freien Ladungsträger auf, die auf
der einen Seite Majoritätsträger, auf der anderen aber Minoritätsträger sind. Aufgrund ihrer
thermischen Wimmelbewegung dringen dann Elektronen aus dem n-Leiter in den p-Leiter und
umgekehrt Löcher aus dem p-Leiter in den n-Leiter ein. Das ist in Bild 5 skizziert. Dieser
Vorgang heißt Diffusion. Dadurch entsteht eine Grenzschicht, in der die Dichten der freibeweglichen Ladungsträger etwa so groß sind, wie die Eigenleitungsdichte. Diese Grenzschicht
ist folglich sehr hochohmig. Ihre Weite stellt sich in einem Gleichgewichtsprozess ein: Durch
das Verarmen der Grenzschicht an freibeweglichen Ladungsträgern bildet sich dort eine
Raumladung aus, da auf der n-Seite positive Ionen, auf der p-Seite negative Ionen im Überschuss vorhanden sind. Die Raumladung hat eine elektrische Feldstärke zur Folge, die von der
n-Zone (dem Ort der positiven Überschussladung durch Donatorionen) zur p-Zone zeigt. Das
elektrische Feld in der Grenzschicht wirkt der Diffusion der Majoritätsträger über den
pn-Übergang entgegen. Im Gleichgewicht sind Diffusionswirkung und Feldwirkung gleich
groß, wodurch die Ausdehnung der Grenzschicht festgelegt ist. Sie liegt in der Größenordnung Mikrometer, die elektrische Feldstärke im Bereich einiger kV/cm.
4
Diode, Transistor, Thyristor
Bild 5: Ausbildung der Grenzschicht G beim pn-Übergang
Das elektrische Feld ist mit einer Potentialdifferenz verbunden. Die gesamte, an der Grenzschicht auftretende Potentialdifferenz wird Diffusionsspannung U D genannt. Sie hängt vom
Dotierungsgrad beiderseits der Grenzschicht, von der Temperatur und von der Halbleiterart
ab. Bei Ge beträgt U D ~
− 0.3 bis 0.4 V, bei Si ist U D ~
− 0.5 bis 0.6 V.
2.2 pn-Übergang mit äußerer Spannung in Sperrrichtung
Als Ausgangspunkt zeigt Bild 6a nochmals den pn-Übergang ohne äußere Spannung. Legt
man nun an den Kristall eine Spannung U so an, dass der Pluspol der Spannungsquelle mit der
n-Zone, der Minuspol mit der p-Zone verbunden ist, so stellen sich die in Bild 6b skizzierten
Verhältnisse ein. Die äußere Spannung U hat den gleichen Richtungssinn wie die Diffusionsspannung U D . Hierdurch werden bewegliche Ladungsträger von den Rändern der Grenzschicht abgezogen.
Bild 6a: pn-Übergang ohne äußere Spannung
Bild 6b: pn-Übergang mit Spannung in Sperrrichtung
Die Raumladungszonen verbreitern sich, bis durch die sie erzeugte Potentialdifferenz gleich
der Spannung (U + U D ) ist. Im äußeren Stromkreis fließt nur der kleine Sperrstrom I S . Er
entsteht durch die in der Grenzschicht in geringer Anzahl vorhandenen Minoritätsträger, die
im Gegensatz zu den Majoritätsträgern vom elektrischen Feld in der Grenzschicht über den
pn-Übergang hinwegbewegt werden.
5
Diode, Transistor, Thyristor
Es fließen also Löcher aus der n-Zone hinüber in die p-Zone. Dieser Sperrstrom ist von der
Sättigungsspannung nahezu unabhängig. Die Sperrstromdichte beträgt bei Raumtemperatur
für Ge etwa 0.2 mA / cm 2 , für Si etwa 0.002 mA / cm 2 .
(Da die Minoritätsträgerdichte stark temperaturabhängig ist, darf der Kristall nicht zu sehr erwärmt werden, damit der pn-Übergang die Sperreigenschaft nicht verliert. Bei Si beträgt die
Grenztemperatur 200° C. Bei dieser Temperatur ist die Sperrstromdichte gegenüber ihrem
Wert bei Raumtemperatur um etwa einen Faktor 10 4 angestiegen. Das ist dennoch ein kleiner
Wert, wenn man bedenkt (Abschnitt 2.3), dass im Durchlassbereich die Stromdichte bis zu
1000 mA / cm 2 beträgt.)
2.3 pn-Übergang mit äußerer Spannung in Durchlassrichtung
Polt man die äußere Spannungsquelle so, dass ihr Pluspol mit der p-Zone verbunden ist, so
spielen sich folgende Vorgänge ab (Bild 6c): Die Richtung der äußeren Spannung U ist entgegengesetzt zu derjenigen der Diffusionsspannung U D . Dadurch werden frei bewegliche Ladungsträger in die Grenzschicht hineingetrieben, sodass die Raumladung teilweise abgebaut
wird. Die Grenzschicht wird dann schmaler. Folglich werden auch die elektrische Feldstärke
und damit die Potentialdifferenz geringer. Bei U = U D ist die Grenzschicht vollständig abgebaut. Aus der n-Zone werden nun Elektronen, aus der p-Zone Löcher von der äußeren Spannung über den pn-Übergang getrieben und rekombinieren beiderseits des Überganges. In der
p-Zone fließt dabei ein Löcherstrom, in der n-Zone ein Elektronenstrom (Bild 6d).
Bild 6c: pn-Übergang mit Spannung in Durchlassrichtung
Bild 6d: pn-Übergang mit Spannung und Stromfluss in Durchlassrichtung
Nach dem Abbau der Grenzschicht besitzt der Halbleiter nur noch den geringen Bahnwiderstand, sodass die Stromstärke im wesentlichen durch den äußeren Widerstand R bestimmt
wird. Dieses Verhalten spiegelt die Diodenkennlinie von Bild 7 wider. Sie wird durch die
Gleichung
I = I S [exp (U / (nU T )) − 1] ,
6
U T = 26 mV
Diode, Transistor, Thyristor
beschrieben, in der IS den in Abschnitt 2.2 eingeführten Sperrstrom und U T die sogenannte
"Temperaturspannung" bedeuten. Sie ist proportional zur absoluten Temperatur und hat bei
Raumtemperatur den in der Gleichung angegebenen Zahlenwert. Die Größe "n" ist der Idealitätsfaktor, mit dem man Effekte beschreibt, die in dieser einfachen Darstellung nicht berücksichtigt worden sind. Für ihn gilt 1 < n < 2 .
Bild 7: Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode (Maßstäbe unterschiedlich!)
Für Spannungen, die größer sind als die Diffusionsspannung, steigt der Strom sehr stark (im
Idealfall exponentiell) an. Im Sperrbereich ist ebenfalls ein steiler Stromanstieg jenseits der
sogenannten Durchbruchspannung zu beobachten. Er ist in den Erklärungen des Abschnittes
2.2 noch nicht enthalten. Die starke Zunahme des Sperrstromes liegt entweder daran, dass infolge des hohen elektrischen Feldes Elektronen unmittelbar aus den Gitteratomen herausgelöst
werden, oder dass die Elektronen infolge ihrer hohen Geschwindigkeit mit Gitteratomen zusammenstoßen und dabei weitere Ladungsträger aus ihren Bindungen herausschlagen, sodass
der Strom lawinenartig anwächst.
3. Der Transistor
Der Transistor ist ein Dreischicht-Element mit der Schichtenfolge npn oder pnp. Sein prinzipieller Aufbau, die schematische Aufeinanderfolge der Schichten sowie die Schaltzeichen
sind in Bild 8 dargestellt. Man kann diese Anordnung als Zusammenschaltung von zwei
pn-Dioden betrachten, die eine gemeinsame Schicht haben. Sie wird Basis (B) genannt und ist
stets extrem dünn (Größenordnung Mikrometer). Die beiden übrigbleibenden, gleichartig dotierten Schichten heißen Emitter (E) und Kollektor (C).
Bild 8: Prinzipieller Aufbau eines Flächentransistors
7
Diode, Transistor, Thyristor
3.1 Betrieb mit leerlaufender Basis
Im folgenden soll der npn-Transistor betrachtet werden. Die Verhältnisse am pnp-Transistor
sind die gleichen, wenn man den Richtungssinn sämtlicher Spannungen und Ströme umkehrt.
Zwischen Kollektor (C) und Emitter (E) wird eine ideale Spannungsquelle U so angeschlossen, dass der Pluspol mit dem Kollektor verbunden ist (Bild 9). Der Basisanschluss bleibt zunächst offen, sodass der Transistor hinsichtlich dieser Klemme leerläuft. Durch die Polarität
der äußeren Spannungsquelle ist der rechte pn-Übergang (B-C) im Sperrzustand, der linke
(B-E) im Durchlasszustand. Dabei bildet sich eine breite Raumladungszone zwischen Kollektor und Basis mit einer hohen Potentialdifferenz aus, die ungefähr der äußeren Spannung entspricht. (Über dem anderen, in Durchlassrichtung gepolten Übergang kann ja nach Bild 7 nur
ein geringer Teil der äußeren Spannung abfallen.) Die einzelnen Schichten im Transistor werden so dotiert, dass diese Raumladungszone stark unsymmetrisch ist. Soll sie sich z.B. hauptsächlich in die Basiszone und nur unwesentlich in die Kollektorzone ausdehnen, dann muss
man die Basis schwach im Vergleich zum Kollektor dotieren. Da nahezu die gesamte Quellspannung U an der hochohmigen C-B-Grenzschicht abfällt, reicht die Spannung an der
B-E-Diode nicht aus, um die Diffusionsspannung aufzuheben und die schmale, ebenfalls unsymmetrische Grenzschicht B-E abzubauen. Im äußeren Stromkreis fließt daher nur der sehr
kleine Sperrstrom I CE , der Transistor sperrt.
Bild 9: Transistorbetrieb mit leerlaufender Basis
3.2 Betrieb des Transistors mit Basisstrom
Wie Bild 10 zeigt, wird nun eine zusätzliche Spannungsquelle U B angeschlossen, deren Minuspol am Emitter liegt. In der sogenannten Emitter-Schaltung erhält der Emitter (durch eine
Erdung) das Bezugspotential 0 V. Durch diese Spannungsquelle wird die Raumladung in der
Basis-Emitter-Grenzschicht abgebaut, sodass die dort liegende Potentialdifferenz geringer
wird. Hierdurch können vermehrt Elektronen aus dem n-dotierten Emittergebiet in das Basisgebiet eindringen. Da die Basis verhältnismäßig schwach dotiert ist, rekombinieren dort nur
sehr wenige dieser Elektronen.
8
Diode, Transistor, Thyristor
Bild 10: Transistorbetrieb mit Basisstrom
Stattdessen durchläuft sie die dünne Basisschicht und geraten in das elektrische Feld der
Raumladung C-B. Durch dieses Feld werden sie vom Kollektor abgesaugt, "gesammelt", und
fließen als Kollektorstrom I C ab. Von der Quelle U B müssen dabei nur die durch Rekombination in der Basisschicht verschwindenden Löcher ersetzt werden. Dadurch fließt ein sehr
kleiner Basisstrom I B << I C , der dem Elektronenstrom durch die Basis und damit I C etwa
proportional ist. Es tritt also eine Stromverstärkung auf. Diesen Vorgang, bei dem ein kleiner
Basisstrom steuernd auf den großen Kollektorstrom einwirkt, nennt man Transistoreffekt.
Genauso wie die Diodenkennlinie kann man auch den Zusammenhang zwischen Strömen und
Spannungen am Transistor berechnen. Dabei gibt es nun aber insgesamt vier Variable. Betrachtet man das Schaltbild von Bild 10, dann kann man die linke Schleife als Eingang, die
rechte aber als Ausgang des (verstärkenden) Transistors auffassen. Für diesen Stromverstärker
ist die Beziehung zwischen Strom und Spannung am Ausgang besonders interessant. Wenn
man sie darstellt, tritt eine Eingangsgröße, z.B. der Basisstrom, als Parameter auf. Anstelle einer einzelnen Kennlinie wie bei der Diode erhält man nun ein Kennlinienfeld für unterschiedliche Werte des Parameters. Es ist in Bild 11 skizziert.
Bild 11: Ausgangs-Kennlinienfeld eines Transistors in Emitterschaltung
9
Diode, Transistor, Thyristor
Abschließend soll noch erwähnt werden, dass man anstelle des Emitters auch die Basis oder
den Kollektor auf Bezugspotential legen kann. Man erhält dann die sogenannte Basisschaltung
oder Kollektorschaltung. Beide unterscheiden sich in ihren Eigenschaften deutlich von der
bisher besprochenen Emitterschaltung. Auf diese Weise hat man eine hohe Flexibilität, um
mit Transistoren vorgegebene Schaltungsfunktionen realisieren zu können.
4. Der Thyristor
Dieses Bauelement weist die Schichtenfolge pnpn auf. Historisch bedingt nennt man die äußere p-Schicht Anode, die äußere n-Schicht Kathode. In dieser Schaltung wird der Thyristor
auch als "Thyristor-Diode" bezeichnet. Wenn man an einer der inneren Schichten eine Steuerelektrode anbringt, spricht man von der Thyristor-Triode. Diese Bauelemente haben in der
Leistungelektronik eine außerordentlich große Bedeutung. Sie werden z.B. als gesteuerte
Gleichrichter zur Drehzahl- und Leistungsregelung von Gleichstrom- und Drehstrom-Motoren
eingesetzt. Weiter findet man sie in geregelten Gleichstrom-Versorgungsanlagen, BatterieLadegeräten, Lichtregelungsschaltungen, bei der Steuerung von elektrischen Heizanlagen und
bei der Zündung von Otto-Motoren. Dabei können elektrische Leistungen bis zu einigen
100 kW je Bauelement geschaltet werden.
Es soll zunächst die Thyristor-Diode behandelt werden. Die mathematische Behandlung ihrer
Kennliniengleichung ist recht schwierig, sodass wir uns hier darauf beschränken wollen, die
Strom-Spannungs-Charakteristik von Bild 12 plausibel zu machen. Für Polung in Sperrrichtung ist die Anode negativ gegenüber der Kathode K vorgespannt. Nun sperren die beiden äußeren pn-Übergänge, der mittlere Übergang ist dagegen leitend. (Das hochgestellte Zeichen +
an der Halbleiterschicht deutet an, dass die Dotierung besonders stark ist.) Es fließt nun ein
Sperrstrom durch das Bauelement, der durch die Sperrströme der äußeren pn-Übergänge bestimmt wird. Wird die Sperrspannung weiter bis in die Nähe der Durchbruchspannung erhöht,
beginnt schließlich der Lawinendurchbruch in den äußeren Übergängen und der Sperrstrom
steigt steil an. Der Sperrbereich unterscheidet sich dadurch in seiner Strom-SpannungsCharakteristik nicht grundsätzlich von dem Sperrbereich einer Diode.
Bild 12: Prinzipieller Aufbau, Kennlinie und Schaltzeichen der Thyristor-Diode
Nun betrachten wir den Fall, dass eine positive Spannung an die Anode gelegt wird. Dann
wird der mittlere pn-Übergang in Sperrrichtung betrieben, während die beiden äußeren Übergänge leitend sind. Die angelegte Spannung U fällt folglich fast vollständig am mittleren pn10
Diode, Transistor, Thyristor
Übergang ab. Durch diesen fließt ein sehr geringer Sperrstrom, der im allgemeinen kleiner als
10 µA ist. Wird die angelegte Spannung weiter erhöht, so gelangt man schließlich in die Nähe
der Durchbruchspannung des mittleren Überganges. Durch den Durchbruchvorgang werden in
der Sperrschicht nun Elektron-Loch-Paare erzeugt, die diese vorher hochohmige Schicht
plötzlich leitend machen. Damit bricht der Spannungsabfall über dem Thyristor zusammen:
Das gesamte Bauelement wird niederohmig. Damit ergibt sich eine Strom-SpannungsCharakteristik, die derjenigen eines einzelnen pn-Überganges ähnelt. Der Strom steigt steil
(exponentiell) über der Spannung an. Das Bauelement ist also, nachdem es einmal über die
sogenannte Schwellspannung hinweg ausgesteuert wurde, vom Sperr- in den DurchlassZustand gebracht worden. Daraus ergibt sich die Hauptanwendung des Thyristors als Schalter.
Die Thyristor-Triode unterscheidet sich von der Thyristor-Diode nur dadurch, dass an einer
der beiden inneren Zonen ein zusätzlicher Kontakt angebracht ist, die sogenannte Steuerelektrode. Sie wird benutzt, um bei Polung in Durchlassrichtung Ladungsträger in die Sperrschicht
des mittleren pn-Überganges zu injizieren. Damit ersetzt dieser Steuerstrom die sonst an dieser Stelle infolge des Lawinendurchbruches erzeugten Ladungsträger. Die Schwellspannung
muss nun nicht mehr gleich der Durchbruchspannung des mittleren Überganges sein. Je nach
Größe des injizierten Stromes schaltet der Thyristor bereits bei niedrigeren positiven Spannungen vom Sperr- in den Durchlass-Zustand. Das spiegelt sich in der Kennlinie wider, die in
Bild 13 skizziert ist. Die Thyristor-Triode ist ein steuerbarer Schalter.
Bild 13: Kennlinie und Schaltzeichen der Thyristor-Triode
11
Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Versuchsbeschreibung
Nomenklatur:
Sinusförmige Wechselgrößen
u (t ) = û ⋅ sin (ωt + ϕ) = 2 ⋅ U eff ⋅ sin (ωt + ϕ)
û :
U eff :
Amplitude
Effektivwert
Allgemeine Wechselgröße
u max :
Maximalwert von u (t )
Gleichgröße
U
Versuch 5a: Diode und Einweggleichrichter
Versuchsaufbau:
Abbildung 1:
Die Abbildung 1 zeigt die Schaltung für diesen Versuchsteil. Der Transformator T transformiert die primärseitig anliegende Netzspannung von û N = 2 ⋅ 220 V auf û T ≈ 15 V herunter.
Zum Schutz des Transformators gegen eventuelle Kurzschlüsse in der nachfolgenden Schaltung ist die Sicherung Si2 eingebaut. Mögliche Wicklungskurzschlüsse im Transformator
würden zu einem erhöhten primärseitigen Eingangsstrom führen. Eine Überhitzung des Trafos
(Brandgefahr) soll durch die Sicherung Si1 verhindert werden.
Wie Abbildung 2b zeigt, ist die nachgeschaltete Diode D während des größten Teils der positiven Halbwelle von u T leitend. In diesem Versuch wird dabei die idealisiere Diodenkennlinie aus Abbildung 2a benutzt.
12
Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Abbildung 2a
Abbildung 2b
Der maximale Diodenstrom ergibt sich zu i d max = (û T − U D ) / R M . U D ist die maximale Diodenspannung in Durchlassrichtung (≈ Diffusionsspannung). Die negative Halbwelle von u T
sperrt die Diode. In Sperrrichtung hat der maximale Spannungsabfall an der Diode den Betrag
û T .
Die Kennlinie der Diode kann auf dem Oszilloskop abgebildet werden, wenn u d zur XAblenkung und u a (u a = R M ⋅ i d ) zur Y-Ablenkung des Elektronenstrahls benutzt wird. Der
Elektrolyt-Kondensator bleibt hierbei unbenutzt.
Durch die Parallelschaltung eines Kondensators zum Lastwiderstand R M entsteht aus der bisher benutzten Schaltung ein Einweggleichrichter. Er hat die Aufgabe, eine Wechselspannung
13
Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
in eine Gleichspannung umzuwandeln. Der Kondensator dient zur Glättung der Ausgangsspannung. Er wird bis zur Spannung
u a max (R i / R M ) = u c max (R i / R M ) = û T (R i / R M ) − U D
(1)
aufgeladen, während D im leitenden Zustand ist. Sobald u T (t ) unter die Kondensatorspannung u c max fällt, sperrt die Diode. Der Kondensator beginnt nun, sich mit exponentieller Zeitabhängigkeit zu entladen (Zeitkonstante: τ = R M ⋅ C L ; C L : Kondensatorkapazität). Der Entlade-Vorgang wird abgebrochen, sobald während der nächsten positiven Halbwelle von u T
u T (t ) ≥ = u c (t )
(2)
wird. C L wird dann erneut auf u c max aufgeladen. û T ist vom Verhältnis R i / R M abhängig
( R i = ohmscher Innenwiderstand der Sekundärwicklung des Transformators). û T wird für
R M → ∞ maximal und entspricht dann der Leerlauf-Spannung des Transformators
û T (R M → ∞ ) . R M wird i.A. so gewählt, dass R M >> R i ist.
Für die maximale Sperrspannung an der Diode gilt:
3 
u s max (R i / R M ) = û T (R M → ∞ ) + u c  T  < û T (R M → ∞ ) + û T (R i / R M ) − U D
4 
(3)
Um die Möglichkeit R M → ∞ bei der Schaltungsauslegung zu berücksichtigen, sollte jedoch
mit
u s max (R M → ∞ ) = 2 ⋅ û T (R M → ∞ ) − U D
(4)
gerechnet werden.
Abbildung 3
Die Welligkeit von u a wird Brummspannung genannt (Abbildung 3).
Die Brummspannung U Br ist von der Kapazität C L des Ladekondensators, vom Wert des
Widerstandes R M und von der Frequenz der Spannung u N (t ) (hier: 50 Hz) abhängig. Die
Abhängigkeit von R M ist deshalb besonders wichtig, weil dieser Widerstand als Ersatzwiderstand für eine dem Einweggleichrichter folgende Schaltung gelten kann. Die Brummspannung
ist damit lastabhängig.
14
Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Messaufgaben
1.
R M ist auf 1 kΩ abzugleichen. Die Kennlinie der Diode für den Einweggleichrichter ist
zu oszillographieren und zu skizzieren.
2.
In der Schaltung des Einweggleichrichters sind die Spannungsverläufe u T (t ) , u d (t ) und
u a (t ) zu oszillographieren und phasenrichtig untereinander zu skizzieren. C L soll dabei
zunächst nicht angeschlossen sein.
3.
Wie 2. jedoch mit angeschlossenem C L .
4.
Die Spannungsverläufe aus 2. und 3. sind zu interpretieren.
5.
Der Widerstand R M soll so eingestellt werden, dass die Brummspannung U Br = 1V beträgt. Wie groß ist dann R M ? Wie groß ist der Strom durch R M ? ( C L ist angeschlossen).
Versuch 5b: Brückengleichrichter
Versuchsaufbau:
Abbildung 4
Der Brückengleichrichter nutzt im Gegensatz zum Einweggleichrichter jede Halbwelle von
u T zum Nachladen des Ladekondensators C L : Während des größten Teils der positiven
Halbwelle von u T sind die Dioden D1 und D3 leitend, während des größten Teils der negativen Halbwelle die Dioden D2 und D4. Bei leerlaufendem Ausgang ist die maximale Ausgangsspannung
u a max (R M → ∞ ) = u c max (R M → ∞ ) = û T (R M → ∞ ) − 2 ⋅ U D
(5)
Bei Belastung des Ausgangs liefert eine Näherungsrechung (vergleiche [1]).

Ri
u a max (R i / R M ) = u c max (R i / R M ) = u a max (R M → ∞ ) ⋅ 1 −
2 ⋅ RM

15




(6)
Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Die maximale Sperrspannung ist für jede Diode mit
u s max (R M → ∞ ) = û T (R M → ∞ ) − U D
(7)
nur etwa halb so groß wie beim Einweggleichrichter. Für die Brummspannung gilt näherungsweise (nach [2])
u Br =
ua
π ⋅ f N ⋅ R M ⋅ CL
(8)
( f N : Netzfrequenz)
mit der mittleren Ausgangsspannung
1
u a = u a max (R M → ∞ ) − U Br
2
(9)
u a max (R M → ∞ )
1
+ π ⋅ f N ⋅ R M ⋅ CL
2
(10)
u Br =
Literatur
[1] U. Tietze, Ch. Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer-Verlag 1980, S. 366.
[2] H. Tholl: "Bauelemente der Halbleiterelektronik, Teil 1", Teubner-Verlag, 1976, S. 50.
Messaufgaben
6.
Oszillographieren Sie die Spannungsverläufe u T (t ) und u d1 (t ) − u d 4 (t ) und skizzieren
Sie diese phasenrichtig untereinander.
7.
Erklären Sie die Wirkungsweise des Brückengleichrichters anhand der Diagramme aus
Messaufgabe 6.
8.
Berechnen und messen Sie die Brummspannung des Brückengleichrichters bei einer Belastung
wie
im
Versuchsteil
"Einweggleichrichter".
(û T (R M → ∞ ) = 16 V, f N = 50 Hz, U D = 0.6 V, C L = 220 µF) . Ist ein Unterschied
zum Einweggleichrichter feststellbar?
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Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Versuch 5c: Thyristor-Schalter
Versuchsaufbau:
Abbildung 5
Die Abbildung 5 zeigt den Thyristor in seiner Anwendung als Leistungsschalter. Durch Einschalten eines sehr kleinen Gate-Stroms i G kann ein relativ großer Anodenstrom i A durch
den Lastwiderstand R L zum Fließen gebracht werden:
Die Thyristor-Schaltung befindet sich nach dem Einschalten der Versorgungsspannung U Q
im Arbeitspunkt A1 (Abbildung 6). Dabei soll zunächst noch kein Gate-Strom fließen. In diesem Zustand fließt nur der (vernachlässigbar kleine) Anodenstrom i A1 durch den Lastwiderstand. Fast die gesamte Versorgungsspannung U Q liegt am Thyristor an (u AK = U Q ) . Nach
dem Einschalten eines hinreichend große Gate-Stroms besitzen die Arbeitsgerade und die
Thyristor-Kennlinie nur noch den Schnittpunkt A 2 . Es fließt nun der relative große Anodenstrom i A 2 durch den Lastwiderstand. Fast die gesamte Versorgungsspannung fällt am Lastwiderstand ab (u AK ≈ 0) . Der Arbeitspunkt A 2 bleibt auch nach dem Abschalten des GateStroms erhalten. Um in den Arbeitspunkt A1 zurückzugelangen, ist es notwendig, die Versorgungsspannung U Q kurzzeitig abzuschalten.
Abbildung 6
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Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Messaufgaben
9.
Messen Sie den Strom durch den Lastwiderstand R L vor und nach dem Zünden des Thyristors durch einen Gate-Strom.
10. Wie groß ist der zum Zünden notwendige Gate-Strom?
Versuch 5d: Transistor-Schalter
Versuchsaufbau:
Abbildung 7
In der Schaltung der Abbildung 7 dient ein Transistor zum Einschalten des Stroms durch eine
Glühlampe (= Lastwiderstand R L ).
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Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Abbildung 8
Wie der Abbildung 8 zu entnehmen ist, verändert sich die Lage des Arbeitspunktes der Schaltung von A1 nach A 2 wenn ein entsprechend großer Basisstrom i B eingeschaltet wird. Diese
Änderung kann durch Abschalten des Basisstroms rückgängig gemacht werden. Die Arbeitsgerade ist durch
i c (u CE = U Q ) = 0 und
(11)
i c (u CE = 0 ) = U Q / R L
festgelegt.
Bei jeder Änderung der Ströme oder Spannungen am Transistor werden Raumladungen in den
Grenzschichten zwischen Emitter und Basis bzw. Basis und Kollektor auf- oder abgebaut. Da
dieser Auf- oder Abbau eine gewissen Zeit benötigt, kann der Kollektorstrom nicht unmittelbar nach dem Einschalten des Basisstroms seinen stationären Wert (bestimmt durch A 2 ) annehmen. Entsprechendes gilt für das Ausschalten des Basisstroms. Der Transistor reagiert
demnach träge, wie alle anderen elektronischen Bauelemente auch. Dies führt dazu, dass eine
Grenzfrequenz existiert, oberhalb der der Ausgangsstrom des Transistors (hier: i c ) nicht mehr
in der Lage ist, dem Eingangsstrom des Transistors (hier: i B ) zu folgen.
Um zu verhindern, dass im Bereich der Transistor-Grenzfrequenz auch der Ausgangsstrom
der Transistor-Schaltung (hier: i c ) nicht mehr dem Eingangsstrom der Transistorschaltung
(hier: i S ) folgen kann, bedarf es besonderer schaltungstechnischer Maßnahmen. Die einfachste Maßnahme ist die Parallelschaltung eines Kondensators CS zum Basiswiderstand R B .
Wie die Abbildung 9 zeigt, verursacht der Kondensator CS im Einschalt-Moment eine Überhöhung des Basisstroms i B und sorgt dadurch für eine schnellere "Überschwemmung" der
Emitter-Basis-Grenzschicht mit Ladungsträgern. Im Ausschalt-Moment wird die Stromrichtung von i B sogar kurzzeitig umgekehrt, wodurch verstärkt Ladungsträger aus der EmitterBasis-Grenzschicht "abgesaugt" werden.
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Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Abbildung 9
Messaufgaben
11. Oszillographieren und skizzieren Sie u S (t ) und u L (t ) phasenrichtig untereinander (Ansteuerung des Transistor-Schalters mit einem Rechteck-Generator). Bestimmen Sie t ein
und t aus . Wie groß ist die maximal mögliche Schaltfrequenz? Diese Messaufgabe soll
ohne CS durchgeführt werden.
12. Wie 11. jedoch mit CS .
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Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Versuch 5e: Transistor-Verstärker
Versuchsaufbau:
Abbildung 10
Das Hauptanwendungsgebiet des Transistors ist die Kleinsignalverstärkung in der Nachrichtentechnik.
Unter "kleinen" Signalen versteht man Signale, die den Transistor nur in näherungsweise linearen Bereichen seines Kennlinienfeldes aussteuern. Wenn die Emitter-Basis-Diode des Transistors mit einem kräftigeren Signal U BE (t ) über einen nichtlinearen Bereich ausgesteuert
wird, ist das Ausgangssignal U CE (t ) verzerrt (Abbildung 11). Eine spektrale Zerlegung des
Ausgangssignals würde zeigen, das es aus Schwingungen mit verschiedenen Frequenzen zusammengesetzt ist. Der störende Anteil an Schwingungen jenseits der Frequenz des Eingangssignals wird i.A. durch die Angabe des "Klirrfaktors" gekennzeichnet.
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Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Abbildung 11
Die Abbildung 10 zeigt einen Transistor in Emitterschaltung als Kleinsignal-Verstärker. Der
Spannungsteiler aus den Widerständen R , R B1 und R B 2 dient zur Einstellung der Basisspannung im Arbeitspunkt. Durch den Widerstand R E wird der gewählte Arbeitspunkt gegen
Temperaturänderungen stabilisiert: Für den Emitterstrom durch die Emitter-Basis-Diode gilt
in Durchlassrichtung gemäß der Gleichung auf Seite 8
(12)
u 
i E ~ exp  BE  .
 UT 
Damit ist i E wegen U T ~ T temperaturabhängig. Weil i B und i C mit i E verknüpft sind, hat
eine Temperaturänderung auch Einfluss auf den Kollektorstrom i C . Der Arbeitspunkt der
Schaltung würde sich deshalb ohne Gegenmaßnahmen bei einer Temperaturänderung verschieben. Durch den Widerstand R E wird nun erreicht, dass der Emitterstrom wegen
iE =
(13)
u E u B − U BE u B
=
≈
(mit u B >> u BE )
RE
RE
RE
praktisch durch R E bestimmt wird und nicht mehr durch u BE . Für die Wechselsignale wird
R E durch den Kondensator C E überbrückt.
Die Kondensatoren C e und C a verhindern, dass sich die Gleichspannungen in dieser Transistorstufe auf die vorangehende oder nachfolgende Schaltung auswirken.
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Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Abbildung 12
Die Abbildung 12 zeigt das vollständige Kennlinienfeld des in diesem Versuch benutzten
Transistors. Die Aussteuerung des Transistors durch die Basis-Emitter-Spannung u BE bzw.
durch den Basisstrom i B ist eingezeichnet.
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Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor
Messaufgaben
13. Bestimmen Sie aus Abbildung 12 mit dem eingezeichneten Arbeitspunkt die KleinsignalSpannungsverstärkung
û
Vu = a
û e
14. Oszillographieren Sie u a (t ) und u e (t ) . Bestimmen Sie daraus Vu . R soll dabei den auf
dem Schaltbrett markierten Wert besitzen.
15. Durch Änderung von R soll der Arbeitspunkt der Schaltung verschoben werden. Beobachten Sie das Verhalten von u a (t ) .
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