Universität ÈOsnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung
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Universität Osnabrück Fachbereich Physik Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 1 Bi - Polar - Transistoren 3.Aktive Bauelemente Das Zeitalter der Halbleiterelektronik begann 1948 mit der Fertigstellung des ersten Spitzentransistors in den Bell Laboratories durch John Bardeen,Walter Brattain und William Shockley. 1956 erhielten sie dafür den Nobelpreis. (John Bardeen erhielt 1972 einen zweiten Nobelpreis für die Entwicklung der BCS - Theorie der Supraleitung mit Cooper und Schriefer zusammen.) C K o lle k to r C C n B a s is p B B B n E E m ite r E E n p n - T ra n s is to r - A u fb a u - F u n k tio n - S c h a lts y m b o l C C C p B B n B p E E E p n p - T ra n s is to r - A u fb a u - F u n k tio n - S c h a lts y m b o l 3.1 Der Flächen-Transistor Ein Transistor besteht aus zwei Halbleiter-Diodenstrecken mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung, deren Sperrschichten jedoch sehr nahe beieinander liegen. Die gemeinsame Elektrode heißt Basis, die beiden äußeren Gebiete Kollektor bzw. Emitter. Sowohl die Dotierungs-Reihenfolge npn (meist bei Silizium als Grundmaterial) als auch die Folge pnp (meist bei Germanium) wird bei handelsüblichen Transistoren angetroffen. Universität Osnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 2 In beiden Fällen wird die Durchlaßrichtung der BasisEmitter-Diode durch einen Pfeil gekennzeichnet. Diese Kennzeichnung identifiziert eindeutig, ob es sich um einen npn- oder einen pnp-Transistor handelt. Bezeichnungen von Strömen und Spannungen. Ströme werden positiv gezählt, wenn sie in den Transistor hineinfließen. iC = Kollektorstrom iB = Basisstrom iE = Emitterstrom Wegen der Gültigkeit der Kontinuitätsgleichung gilt für die Summe der Ströme immer iC + iB + iE = 0 Spannungen und ihre Zählrichtung werden in der üblichen Weise angegeben, z.B. ist uEC = ϕE - ϕC die Potentialdifferenz zwischen Emitter und Kollektor. Transistor - Grundschaltungen B a s is s c h a ltu n g i u E B E u C B Alle Potentiale sind bezogen auf das Potential der Basis. Variable sind uEB , uCB ; iE und iC . E m itte rb a s is s c h a ltu n g i u iB C Alle Potentiale sind bezogen auf das Potential des Emitters Variable sind uCE , uBE ; iB , iC u C E B E K o lle k to rb a s is s c h a ltu n g u i i B B C i u E C E Alle Potentiale sind bezogen auf das Potential des Kollektors Variable sind uBC ,uEC ; iB , iE E 3.11 Kennlinien des Flächentransistors. Das Verhalten des Transistors in den drei Grundschaltungen wird durch die Verknüpfung von vier Variablen, 2 Spannungen und 2 Strömen definiert. In den beiden Kreisen kann man jeweils eine Variable von außen vorgeben, d.h. unabhängig variieren. Die beiden anderen Größen sind dann durch die Transistoreigenschaften bestimmt. Universität Osnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 3 Welche zwei der vier Größen als unabhängig und welche als abhängig angesehen werden, ist im Prinzip gleichgültig. Es ist jedoch vernünftig, bei einer in Durchlaßrichtung betriebenen Diodenstrecke den Diodenstrom als unabhängige Variable zu betrachten, da der Arbeitspunkt hier im wesentlichen durch den Durchlaßstrom bestimmt ist..(bei einer idealen Diode ist in Durchlaßrichtung überhaupt nur der Strom variierbar, die Diodenspannung ist immer Null!) Man spricht bei einer in Durchlaßrichtung betriebenen Diode daher auch von einem stromgesteuerten Element. Wird eine Diode dagegen in Sperrichtung betrieben, ist es sinngemäß vernünftiger, jetzt die Spannung als unabhängige Variable einzuführen, da hier der Arbeitspunkt wesentlich durch die Spannung an der Diode festgelegt ist (bei einer idealen Diode ist in Sperrichtung überhaupt nur die Spannung variierbar, der Sperrstrom ist immer Null!). Man bezeichnet eine in Sperrichtung betriebene Diode daher auch als ein spannungsgesteuertes Element. n p n - T ra n s is to r P o lu n g in D u rc h la ß ric h tu n g Entsprechend dieser Argumente werden beim Transistor die unabhängigen Variablen gewählt. Wird die entsprechende. Diodenstrecke im Normalfall in Durchlaßrichtung betrieben, wählt man den Strom als unabhängige Variable, im anderen Fall die Spannung. Funktionsweise eines Bipolar Transistors. Um die Arbeitsweise eine Transistors zu verstehen ist es notwendig sich den Konzentrationsverlauf der Majoritätsträger in den drei Schichten zu veranschaulichen. Wirkungsweise eines npn - Transistors. Zwischen Kollektor und Basis wird eine Spannung angelegt, die den pn - Übergang in Sperrichtung polt.Es baut sich hier eine Raumladungszone auf, in der die Konzentration der Defektelektronen und Elektronen praktisch den Wert Null erreicht. Im Kollektor - Basis - Kreis fließt nur der sehr kleine Sperrstrom. Die Raumladungszone zwischen Emitter und Basis läßt sich sowohl in Durchlaß - wie auch in Sperrichtung betreiben. Bei Betrieb in Sperrichtung fließt kein Strom durch den Transistor, beide Raumladungszonen besitzen im Inneren der Zonen keine Majoritätsträger. Universität Osnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 4 Bei Polung in Durchlaßrichtung der Basis - Emitter - Diode werden Elektronen von der Emitterzone in die Basiszonen getrieben, da die Basiszone niedriger dotiert ist finden nur wenige Rekombinationen statt. Die Elektronen werden durch das elektrische Feld in die Kollektorzone beschleunigt und erreichen den Kollektor. Im äußeren Stromkreis fließt ein Stom, der durch den Durchlaßstrom der Basis - Emitter - Diode gesteuert wird. Die Abhängigkeit der beiden anderen Größen von den als unabhängig definierten Variablen läßt sich nicht durch einen geschlossenen analytischen Ausdruck angeben. Traditionsgemäß stellt man diese Zusammenhänge graphisch in Form von Kennlinienfeldern dar. a) Kennlinien eines Transistors in Basisschaltung (npn). Variable sind uEB ,uCB ; iE , iC Im Normalfall wird die Basis Kollektordiode in Sperrrichtung und die Basis-Emitterdiode in Durchlaßrichtung betrieben (aktiver Bereich eines Transistors). Daher ist es vernünftig , iE und uCB als unabhängige Variable zu betrachten, die beiden anderen Größen, uEB und iC als abhängig. Der Zusammenhang iC = f(uCB ,iE ); iE als Parameter wird als Ausgangskennlinienfeld bezeichnet, der Zusammenhang uEB = f(iE ,uCB ); uCB als Parameter, entsprechend als Eingangskennlinienfeld. Ausgangskennlinien in Basisschaltung. Universität i C Osnabrück S te ig u n g = 1 /r Dr. Wolfgang Bodenberger 5 C B - u C B - i Vorlesung Elektronik iE u C B A u s g a n g s k e n n lin ie n fe ld C Ist iE = 0, so fließt über die Basis-Kollektor-Didde nur ein schwacher Sperrstrom iCE0 ; der wie bei einer normalen Diode von den wenigen Elektronen der p-Schicht und den wenigen Löchern der Kollektor-n-Schicht bestimmt ist, d.h. von Minoritätsträgerströmen. Der Zusammenhang zwischen iC und uCB wird durch eine normale Diodenkennlinie im Sperrbereich beschrieben. iE ≤ 0 : Schickt man jetzt einen Strom iE in Durchlaßrichtung durch die Basis-Emitter-Diode ( iE ≤ 0, da per Konvention die Richtung in den Transistor hinein für alle Ströme als positive Stromrichtung gezählt.wird), so besteht der über die Grenzschicht zwischen Emitter und Basis fließende Strom im wesentlichen aus Elektronen, die vom n-Gebiet des Emitters ins p-Gebiet der Basis herüberkommen. Die Basis ist so dünn, daß ein großer Teil dieser Elektronen bis zur Basis-Kollektor-Grenzschicht diffundiert, bevor es zur Rekombination mit den Löchern der p-Basis kommt. In dem an der Basis-Kollektor-Grenzschicht herrschenden Potentialgefälle werden die Elektronen dann sofort zum Kollektor hin abgesaugt. Der durch die p-Basis vom Emitter zum Kollektor wandernde Elektronenstrom ist praktisch ein reiner Diffusionsstrom, der durch das Dichtegefälle von nP -zwischen Emittergrenzschicht und Kollektogrenzschicht hervorgerufen wird. An der Grenze zum Kollektor ist nP nahezu gleich Null, da alle Elektronen, die dort auftauchen, sofort den Potentialberg zum Kollektor hinunterlaufen. Zum Emitter hin wächst nP im einfachsten Fall linear an. Man bezeichnet die Fläche unter dieser Kurve auch als Diffusionsdreieck. Das Diffusionsdreieck wird weiter unten bei der Behandlung der Hochfrequenzeigenschaften eines Transistors eine Rolle spielen. Durch die vom Emitter über die Basis zum Kollektor fließenden Elektronen erhöht sich der Kollektorstrom um einen Betrag, der proportional zu iE ist: ⎞ ⎛ e0 · uCB − (1) iC = iCE0 ⎝1 − e k · T ⎠ − α · iE Der Faktor α heißt Stromverstärkung. Er hat für handelsübliche Transistoren einen Wert nahe bei 1, Universität Osnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 6 0,9 ≤ α ≤ 0,997 und ist für Kollektorspannungen uCB ≥ o,5 Volt praktisch unabhängig von uCB . Die Kennlinien iC = f(uCB , iE ) sind daher in guter Näherung Diodenkennlinien, die jeweils um den Betrag −α· iE gegen die Kennlinie für iE = 0 verschoben sind. Bei großen Kollektorströmen ist die Steigung der Kennlinien größer als nach dem oben genannten Gesetz zu erwarten wäre. Das liegt im wesentlichen daran, daß der Strom im Material des Transistors einen ohmschen Spannungsabfall hervorruft. 1 der Kennlinien hat die Dimension eines Leitwertes. rCB Man bezeichnet rCB als Kollektorwiderstand, oder Innenwiderstand des Kollektors. Die Steigung Für Transistoren mittlerer Leistung ist rCB von der Größenordnung einige MOhm. Da α für alle npn-Transistoren (gilt entsprechend auch für pnp) nahe bei 1 liegt, unterscheiden sich die Ausgangskennlinienfelder verschiedener Transistoren kaum. Oft liegt der Unterschied unterhalb der zeichnerischen Genauigkeit der graphischen Darstellung der Kennlinien. Eingangskennlinien in Basisschaltung. Die Basis-Emitter-Diode wird im Normalfall (aktiver Bereich) in Durchlaßrichtung betrieben. Die Kennlinien uEB = f(iE , uCB ) ; uCB als Parameter sind für Spannungen uCB ≥ o,5 Volt praktisch unabhängig von uCB , d.h. sie entarten zu einer einzigen (Dioden!)Kennlinie: Die Steigung der Kennlinie ist stark abhängig von iE wie bei einer normalen Diode auch. Der dynamische Durchlaßwiderstand rE hat im normalen Betrieb des Transistors Werte zwischen 5 Ohm und 5o Ohm bei Transistoren mittlerer Leistung. Universität Osnabrück Fachbereich Physik Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik Bi - Polar - Transistoren in Planartechnik 3.Aktive Bauelemente 3.2 Planartransistoren P N P T ra n s is to r o h n e D iffu s io n s S p a n n u n g R a u m la d u n g s z o n e n . A n g le ic h u n g d e r F e r im E n e rg ie d ia g ra m m S p a n n u n g a n d e n m i N iv e a u s . P N P - T ra n s is to r m it S p a n n u n g . P o ric P o u n lu n h tu te n d E g in D u rc h la ß n g . tia lv e rla u f n e rg ie d ia g ra m m . 1 Universität Osnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 2 Universität Osnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger P la n a r T ra n s is to re n Vorlesung Elektronik 3
