Schaltverhalten von Dioden und Transistoren

Elektronikpraktikum
Versuch EP4 Schaltverhalten von
Dioden und Transistoren
Institut für Mikro- und Nanoelektronik
Kirchhoff-Bau K1084
Die Versuchsanleitung umfasst 10 Seiten u. 1 Anlage
Stand 2010
Versuchsziele:
Vertiefen der Kenntnisse über das dynamische Verhalten von
Halbleiterdioden und Transistoren beim Anlegen von großen
Strom- und Spannungssprüngen
Bestimmung der Zeitkonstanten beim Ausschalten von Dioden
Bestimmung der charakteristischen Schaltzeiten von Transistoren
Ermittlung des Übersteuerungseinflusses auf das Schaltverhalten
von Transistoren
Schwerpunkte bei der Versuchsdurchführung:
1.
Messung der Speicherzeit einer Diode in Abhängigkeit vom Verhältnis von Durchlassstrom
zu Sperrstrom IF/IR0
2.
Darstellung der Zeitverläufe von Eingangsspannung, Diodenstrom und Diodenspannung
mittels Oszilloskops
3.
Messung der Speicherzeit eines Transistors in Abhängigkeit vom Basisstrom bei
Übersteuerung
4.
Darstellung der Zeitverläufe von Eingangsspannung, Basisstrom, Kollektorstrom und
Ausgangsspannung an einem Transistor im Schalterbetrieb
Durchführung des Versuches
Bearbeiter
Messplatz EP4/ . . .
...........................................................................................................................
Name
Bewertung
am . . . . . 20...
Vorname
Matrikel-Nr.
...........................................................................................................................
Note
Unterschrift d. Betreuers
Mitarbeiter in der Versuchsgruppe:
Messtestat
Endtestat
Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 2
EP4 Schaltverhalten von Dioden und Transistoren
Kurzfassung der Versuchsgrundlagen
1.
2.
3.
3.1
3.2
Begriffsbestimmung
Schaltverhalten von PN-Dioden
Schaltverhalten von Transistoren
Stationäre Zustände in Emitterschaltung
Dynamisches Verhalten in
Emitterschaltung
1. Begriffsbestimmung
Unter dem Schaltverhalten versteht man die Reaktion
eines Bauelementes auf steilflankige Änderungen einer
Steuergröße, wobei das Bauelement von einem relativ
gut leitenden in einen relativ schlecht leitenden Zustand oder umgekehrt übergeht. Gekennzeichnet wird
das Schaltverhalten einerseits durch die im Anfangsund Endzustand des Schaltvorganges herrschenden
Klemmengrößen (z.B. Reststrom, Restspannung) und
andererseits durch das Über gang sverhalten vo m Anfangs- in den Endzustand. Dabei interessieren besonders als Charakteristika des jeweiligen Bauelementes
die Zeiten nach dem Schaltsprung bis zum Erreichen
des Endzustandes. Die verzögerte Reakt ion auf die
Sprungursache rührt physikalisch von inneren und
äußeren Energiespeichern her. Bei den hier betrachteten Bipolar-Bauelementen (PN-Diode, Transistor) sind
dies Sperrschicht-, Diffusions-, Gehäuse-, Zuleitung- Bild EP4-1
und Wärmekapazitäten sowie Induktivitäten.
Grundstromkreis für den Schalterbetrieb von Dioden
2. Schaltverhalten von PN-Dioden
Beim Umschalten einer Halbleiterdiode aus der Durchlass- in die Sp errr ichtung in einer Schaltung nach
Bild EP4-1 ergeben sich über der Zeit ein Spannungund ein Stromverlauf, wie sie in Bild EP4-2 dargestellt sind.
Zur Erklärung dieser Verläufe ist in Bild EP4-3 ein
Ersatzschaltbild für die Diode als Schalter angegeben,
welches die transienten Elemente cd und rd (s. Gl.(2)),
und cs (s. Gl.(6)) sowie einen internen Schalter enthält.
Die Wirkung der Ersatzelemente wird im Folgeden am
Beispiel eines Ausschaltvorganges erläutert. Der Anfangszustand ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass
zur Zeit t < 0 die Diode eingeschaltet d.h. in Durchlassrichtung gepolt war und sich ein stationärer Zustand eingestellt hat. Unter der Voraussetzung, dass Bild EP4-2
die Spannung Uq1 groß gegen die Flussspannung UF Zeitverlauf von Diodenspannung und Diodenstrom nach dem
Umschalten von Durchlass- in Sperrrichtung
Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 3
der Diode ist, wird zur Zeit t < 0 der Durchlassstrom IF vorwiegend durch die Bauelemente Uq1 und
R1 bestimmt. Solange die Diode in Durchlassrichtung
gepolt ist, liegt also eine Stromeinspeisung IF . Uq1 /R1
vor . Die sem Strom entsprechend haben sich in den
Bahngebieten durch Injektion von Ladungsträgern
über die S perrzone hinweg Diffusionsschwänze der
Minoritätsladungsträg er hera usg ebildet (vg l. Bild
EP4-4).
Die Ausdehnungen der Diffusionsschwänze werden bei
hinreichend langen Bahngebieten durch die Diffusionslängen der jeweiligen Minoritätsladungsträger (Lp im
n-Gebiet, Ln im p-Gebiet) und bei kurzen Bahngebieten
(Kurzbasisdioden) durch deren Länge selbst bestimmt.
Die Konzentrationserhöhungen der Minoritätsladungsträger am Rand der Sperrschicht gegenüber den
Gleichgewichtsko nzentrationen n0 und p0 wird durch Bild EP4-3
Schalter-Ersatzschaltbild einer Halbleiterdiode
die anliegende Durchlassspannung bestimmt:
(1)
Die jeweiligen Minoritätsladungsträgerstromdichten an
den Rändern der Sperrschicht sind als reine Diffusionsströme proportional den Gradienten der Minoritätsladungsträgerdichten und aus geometrischen Betrachtungen (s. Bild EP4-3) somit auch proport ional der
Injektionshöhe. Somit ist auch die gesamte in den
Diffusionsschwänzen gespeicherte Ladung proportional dem Durchlassstrom Qd = IF @ J. Darin ist J als
mittlere geometrie- und rekombinationsbegrenzte Lebensdauer der Minoritätsträger interpretierbar.
Die mit einer Veränderung der Spannung verbundene
Änderung dieser Diffusionsladung führt zu der im Ersatzschaltbild (Bild EP4-3) enthaltenen Diffusionskapazität cd. Die Abhängigkeit dieser Kapazität von
der Spannung am pn-Übergang ist stark nichtlinear.
Parallel zur Diffusionskapazität wirkt der Diffusionswiderstand rd, dieser ist ebenfalls stark nichtlinear von
d e r D u r c h l a s s sp a n n u n g a bh ä n g ig .
(2)
Wird zum Zeitpunkt t = 0 die bis dahin in Durchlassri c h t u ng vorgespannte Halbleiterdiode dur ch
Umschalten des Schalters S (s. Bild EP4-1) über R2
und Uq2 sperrgepolt, so bleibt aufgrund der noch aufgeladenen Diffusionskapazität die Diodenspannung U
Bild EP4-4
Konzentrationsverlauf der Minoritätsträger in einer
Diode in Durchlassrichtung (x 0 - stöchiometrischer pnÜbergang)
zunächst positiv, und zwar so lange, wie die Randkonzentration der Minoritätsladungsträger größer als die
Gleichgewicht skonzentration ist . Der nun durch die
Diode fließende Strom wird bestimmt durch die Maschengleichung:
(3)
und bleibt konstant unter der Voraussetzung, dass
Uq2 groß gegen U ist und dass die Diode no ch in
Durchlassrichtung gepolt ist.
Infolge der Umpo lung der Spannungsquelle und der
damit verbundenen Umkehrung des Diodenst romes
kann die Injektion von Minoritätsladungsträgern nicht
aufrechterhalten werden. Die Gradienten der Minoritätsträgerkonzentrationen an den Rändern der Sperr-
Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 4
schicht wechseln ihr Vorzeichen. Während der Speicherzeit ts (storage time) wird der Stromfluss durch
den Abbau der in den Diffusionsschwänzen gespeicherten Ladung gespeist (s. Bild EP4-5). Der Konzentrationsgradient am Sperrschichtrand wird dabei durch
diesen Strom bestimmt. Da die Randkonzentrationen
während dieser Zeit noch über den Gleichgewichtskonzentrationen liegen, bleibt gemäß (1) eine p osit ive
Spannung über der Diode erhalten, die jedoch bis ts auf
Null zurück geht.
Neben dem Abtransport der Ladung au s den Diffusionsgebieten durch diesen Strom trägt natürlich auch
die Rekombination zum Abbau der Diffusionsschwänze bei.
Wenn sich die Ladungen der Diffusionsschwänze allein
durch Rekombination abbauen müßten, wäre im Ersatzschaltbild dieser Strom derjenige, der über die
innere Masche mit cd und rd fließt, wenn man die in
Durchlassrichtung gepolte Diode vom äußeren Stromkreis trennt.
Unter Berücksichtigung der oben eingeführten rekombinationsabhängigen mittleren Lebensdauer J ergibt
sich die Differentialgleichung (4) für den Ladungsträgerabbau, deren Lösung auf die Beziehung für die
Speicherzeit (5) führt, wenn man voraussetzt, dass
Qd (t=ts) = 0 gilt, d.h. die Diffusionsladung vollständig abgebaut ist:
Bild EP4-5
Konzentrationsverlauf der Minoritätsträger im n-Gebiet, dargestellt für verschiedene Zeitpunkte nach der
Umschaltung der Diode von Durchlassrichtung in
Sperrrichtung
Während der Abfallzeit sinkt die Randkonzentration
auf praktisch Null (s. Gl.(1) mit negativer Diodenspannung U!),bis sich schließlic h der endg ült ige
Konzentrationsverlauf des Extraktionsfalles (Sperrrichtung) einstellt. Der durch die Gleichgewichtskonzentration der Minoritätsträger und die Diffusionsbzw. Bahnlänge bestimmte kleine Konzentrationsgradient bei xn bestimmt den Sperrstrom. Unter Vernachlässigung der Generation in der Sperrschicht bei großen Sperrspannungen nähert sich dieser dem Sättigungsstrom IS an.
Bei d en bis herigen Betrachtungen wurden zur
Beschreibung des instationären Verhaltens der Halbleiterdiode Veränderungen der Sperrschichtbreite noch
nicht berücksichtigt. Diese sogenannte Sperrschichtatmung bedeutet, dass die Breite der von beweglichen
Ladungsträgern verarmten Sperrschicht abhängig von
(4)
der anliegenden Spannung ist. In den Halbleiterbahngebieten (außerhalb der Sperrschicht) wird die Raumladung der im Halbleiterkristall ortsfest eingebauten
und bei Zimmertemperatur nahezu vollständig ioni(5)
sierten Störstellen (NA- im p-Gebiet bzw. ND+ im
die Ladung der frei beweglichen LaTatsächlich ist jedoch auch nach Ablauf der Speicher- n-Gebiet) durch
(-)
(+)
zeit in den Bahngebieten noch eine Restladung vorhan- dungsträger (p bzw. n ) ausgeglichen, so dass
diese Gebiete elektrisch nahezu neutral sind. In der
den, deren Größe vom Gradienten am Sperrschichtrand und von der Minoritätsladungsträgerlebensdauer Sperrschicht kommt es jedoch infolge des Konzenabhängt. Diese und die im Bild EP4-5 schraffiert dar- trationsgefälles zu einem diffusionsgetriebenen Austausch der beweglichen Ladungsträger (Elekt ronen
gestellte Ladungsmenge wird in der anschließenden
diffundieren in das p-Gebiet, Löcher in das n-Gebiet).
Abfallzeit tf (fall time), während der die Diode in
Sperrrichtung mit wachsender Sperrspannung gepolt Die ab diffundierten beweglichen Ladungstr äger hinist, abtransportiert. In dieser Schaltphase ist nun auf- terlassen die weiterhin geladenen Störstellen, welche
dann eine Raumladung bilden. Diese Raumladung und
grund der steigenden und gegen Uq2 nicht mehr zu
vernachlässigeden Sperrspannung keine Ko nstant- die von außen angelegte Spannung bilden ein elektrisches Feld aus, das der o.g. Diffusion entgegenwirkt.
stromeinspeisung mehr gegeben.
Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 5
Es stellt sich in der Sperrschicht zwischen Feld-und
Diffusionsstrom ein (Quasi-)Gleichgewicht ein, das
von der äuß eren Spannung abhängig ist und letztlich
die Breite der Sperrschicht bestimmt. Mit der (spannungsabhängigen) Breite der Sperrschicht verbunden
ist deren Gesamtladung. Wird z. B. die Sperrspannung, wie in Bild EP4-6 dargestellt, erhöht, so dehnt
sich die Raumladungszone aus. Die schraffiert dargestellten, von Majoritätsladungsträgern weitgehend
entblößten Gebiete der Raumladungszone ko mmen
zur Gesamtladung hinzu. Diese Ladungsänderung in
der Sperrschicht bezogen auf die Spannungsänderung
ist die sogenannte Sperrschichtkapazität cS
(6)
Zur Berechnung der Sperrschichtkapazität kann nä- Bild EP4-6
herungsweise davon ausgegangen werden, dass die Spa n n u n g s a b h ä n g i g k e i t der Sperrschichtbreite
Sperrschicht frei von beweglichen Ladungsträgern ist (schematisch)
und sich prinzipiell wie das Dielektrikum eines Kondensators verhält. Kennt man die (spannungsabhängige) Sperrschichtbreite, kann die Gleichung für den
Plattenkondensator verwendet werden.
Während in Durchlassrichtung die Diffusionskapazität
dominiert, muss die Sperrschicht kapazität hauptsächlich im Sperrfall berücksichtigt werden. Diese Tatsache ist im Ersatzschaltbild (Bild EP4-3) dadurch berücksichtigt, dass im Sperrfall (U < 0 V) der Schalter
S umschaltet und somit nur no ch die Sperr schichtkapazität cs wirksam ist. Aufgrund des sehr kleinen
Sperrstromes ist auch die Abschaltung des Diffusionswiderstandes gerecht fertigt. Demnach wird auch die
Abfallzeit tf (bei U < 0 V) maßgeblich durch die Umladung der Sperrschichtkapazität bestimmt.
In dieser Zeit nimmt der Maschenst rom infolge der
gegen Uq2 strebenden Diodensperrspannung ab. Um
messtechnisch eindeutige Randbedingungen einzuhalten, wird als Abfallzeit im allgemeinen die Zeitdauer ab
dem Abfall auf 90% des unmittelbar nach dem Umschalten fließenden Stromes (IR0) bis zum Erreichen
der 10%-Marke definiert. Die Gesamtzeit vom Umschaltaugenblick bis zu dieser 10%- Marke wird als
Sperrerholzeit trr (reverse recovery time) bezeichnet.
3. Schaltverhalten von Transistoren
Der Transistor kann als Schalter ebenso wie als Verstärker in Basis-, Emitter- oder Kollektorschaltung
betrieben werden. In der Basisschaltung muß der zu
schaltende S trom von der Steuerquelle aufgebracht
werden. Bei der Kollektorschaltung ist die Ausgangsspannung etwas kleiner als die Eingangsspannung und
der Eingangsstrom sehr klein. Am gebräuchlichsten ist
die Emitterschaltung (vgl. Bild EP4-7). Hierbei sind
Steuerspannung UBE und Steuerstrom IB wesentlich
kleiner als die zu schaltenden Ausgangsgrößen (IC ,
UCE).
Bild EP4-7
Schalterstromkreis für Bipolartransistoren
Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 6
3.1 Stationäre Zustände in Emitterschaltung
Der Transistor ist kein idealer Schalter, weil der 'EIN'bzw. der 'AUS'-Arbeitspunkt nicht auf der IC- bzw.
UCE-Achse im Ausgangskennlinienfeld liegt (s. Bild 8).
Im ausgeschalteten Zustand fließt noch ein (kleiner)
Kollektorreststro m, dessen Größe von der Eingangsbeschaltung bestimmt wird. Dabei gilt
ICEmin < ICB0 < ICER < ICE0 mit:
ICE0 Kollektor-Emitter-Reststrom für IB = 0,
ICB0 Kollektor-Basis-Reststrom für IE = 0,
ICER K o ll e kt o r -Emitter-Reststrom für einen
bestimmten Widerstand z.B. RBE = 10 kS ,
ICEmin Kollektor-Emitter-Reststrom für
UBE < 0 V (npn) bzw. UBE > 0 V (pnp).
Im eing eschalt eten Zustand fällt über der Kollektor-Emitter-(Schalter-)Strecke eine Restspannung ab,
die von der Größe des Basisstromes und vom Lastwiderstand abhängt. Bei hinreichend großem Basisstr om IB stellt sich am Schalttransisto r die minimal
erreichbare Kollektor-Emitter-Restspannung UCErest
ein. Diese Restspannung ist abhängig vom fließenden
Kollektorstrom (Kollektorrestspannungsgerade), da
an d e n i n n e r e n Wid e r s t ä n d e n ( H a l b l e it e r bahnwiderstände) stromabhängige Spannungsabfälle
auft ret en. Im Sättigungsbereich des Transistors
(schraffiert er Bereich in Bild EP4-8) stellt sich am
Kollektor-Basis-pn-Übergang Durchlassrichtung ein,
damit ist der Transistor übersteuert . Diejenige Spannung UCE, bei welcher der Übergang vom ungesättigten in den gesättigten Zustand erfolgt (UC'B' = 0),
heißt Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung UCEsat.
Bild EP4-8
Ausgangskennlinienfeld mit Arbeitsgerade für den
Transistorschalter
Von elementarer Bedeutung für die Verstärkerfunktion
und das Übergangsverhalten des Transistors ist die
Minoritätsladungsträgerverteilung in der Basisschicht.
In Bild EP4-9 sind die Minoritätsladungsträgerdichteverläufe in der Basis für einen quasistat ischen (langsamen) Übergang vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand (bzw. umgekehrt) dargestellt.
Bild EP4-9
Elektronenkonzentration in der Bas is eines npnTransistors für verschiedene stationäre Arbeitspunkte
Wie bei der Halbleiterdiode sind gemäß Gl.(1) die
Konzentrationen an den Rändern der Emitter-Basisbzw. Kollektor-Basis-Sperrschicht abhängig von den
jeweils über den Sperrschichten anliegenden Spannungen.
Zu beachten ist, dass für die Randkonzentrationen
die inneren Transistorspannungen U E'B' bzw. UC'B'
maßgeblich sind, die sich von den äußeren Klemmenspannungen um die stromabhängigen Spannungsabfälle an Halbleiterbahngebieten, Bonddrähten und
Kontakten unterscheiden (Bild EP4 - 10 ). Der sich
entsprechend den Randkonzentrationen einstellende
Konzentrationsgradient am Rand der E mitter-BasisSperrschicht ist Bestandteil des Emitterstromes, am
Rand der Kollektor-Basis-Sperrschicht des Kollektorstromes.
Im ausgeschalteten Zustand (IB = 0) ist die KollektorBasisdiode in Sperrichtung gepolt. Nach Gl.(1) stellt
sich dann am Sperrschichtrand eine Minoritätsladungsträgerdichte kleiner als die Gleichgewichtsdichte
ein. Aufgrund des fließenden Restst romes wird sich in
der Basis ein (kleiner) Konzentratio nsgr adient einstellen, so dass die Randkonzentration am Emitterrand
größer ist als am Kollektorrand.
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Bild EP4-10
Schalter-Ersatzschaltbild für den Bipolartransistor
Wird nun ein Basisstrom eingespeist (Erhöhung von
UBE !), so steigt die Randkonzentration am Emitterrand, der Konzentrationsgradient und damit auch der
Kollektorstrom werden betragsmäßig größer. Durch
den steigenden Kollektorstrom fällt am inneren und
am äußeren Kollektorwiderstand (RbC und R2) eine
größere Spannung ab, wodurch die Sperrspannung
über der Kollektor-Basisdiode sinkt. Als Folge davon
geht die Breite der Kollektor-Basis-Sperrschicht zurück u nd die Konzentration am Kollektorrand steigt
geringfügig an.
Durch weitere Kollektorstro merhöhung wird der
Spannungsabfall über den Kollektorwiderst änden so
groß, dass die Spannung über der inneren KollektorBasisdiode UC'B' Null wird (Übersteuerungsgrenze,
IB = IBÜ, IC = ICÜ).Die Konzentration am Kollektrand
ist an der Übersteuerungsgrenze gleich der Gleichgewichtskonzentration. Geht man davon aus, dass
die Kollektor-Emitter-Restspannung UCErest (s. o.)
vernachlässigbar klein gegen die Betriebsspannung
Uq2 ist, so wird der Kollektorstrom bei Übersteuerung
nur noch durch die Kollektormasche mit R2 und Uq2
bestimmt. Der Kollektorst ro m und der Konzentrationsgr adient am Kollektorrand müssen folglich bei
weiterer Übersteuerung (nahezu) konstant bleiben.
Wird nun der Basisstrom und damit auch das Basispotential weiter erhöht, so steigt die Randkonzetration
auch an der Kollektor-Basis-Sperrschicht stark an. Die
Folge davon ist der Aufbau einer zusätzlichen Speicherladung QBS in der Basis. Weiterhin kommt es natürlich auch zur Injektion von Löchern aus der Basis in
den Emitter und bei Übersteuerung in den Kollektor.
Die sich im Emitter und gegebenenfalls im Kollektor
aufbauenden Diffusionsladungen beeinflussen ebenfalls
das statische und dynamische Verhalten des Transistors, jedoch ist deren Einfluss im allgemeinen vernachlässigbar.
Die hier für den stationären Fall beschriebenen Ladungsverhältnisse verursachen natürlich gemäß
Gln.(2) und (6) wie bei der Halbleiterdiode Diffusionskapazitäten und -widerstände sowie Sperrschichtkapazitäten, worauf im folgenden näher eingegangen
wird.
Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 8
3.2 Dynamisches Verhalten in Emitterschaltung
Zur anschaulichen Darstellung des Schaltverhaltens ist
ein spezielles Ersatzschaltbild für den Transistor im
Schalterbetrieb zweckmäßig. Die in Bild EP4-10 verwendete Transistorersatzschaltung ist zwar ein stark
vereinfachtes Modell, eignet sich jedoch gut zur Erklärung grundlegender Vorgänge beim Schalten von
Transistoren. Die Ersatzschaltung geht von der Vorstellung des Transistors als zwei miteinander elektronisch verkoppelten Dioden aus. Das widerspiegelt
sich in der Übernahme der Ersatzelemente Diffusionswiderstand (rdE bzw. rdC) und Diffusionskapazität (CdE
bzw. CdC) sowie Sperrschichtkapazität (CsE bzw. CsC)
an beiden pn-Übergängen des Transistors. Wie bei der
Diode wird entsprechend den Polaritäten der inneren
Sperrschichtspannungen durch zwei Schalter zwischen
diesen Ersatzelementen umgeschaltet. Die elektronische Verkopplung beider Dioden des Transistors
wird modelliert durch zwei gesteuerte Stromwandler.
Die Größen AN und AI sind dabei die Gleichstromverstärkung in Basisschaltung für den No rmal- bzw. Inversbetrieb des Transistors. Außer diesem Modell der
verkoppelten pn-Übergänge sind in Bild EP4-10 noch
die für den Schalterbetrieb bedeutsamen inneren Wi- Bild EP4-11
Kollektorstromverlauf bei einem eingeprägten
derstände (Bahn-, Zuleitungs- und Kontaktwiderstän- Basisstromimpuls
de) REE', RBB' und RCC' enthalten.
Zur Beurteilung des dynamischen Schaltverhaltens Das Bild EP4-11 zeigt den zeitlichen Verlauf von
wird der zeitliche Verlauf des Kollektorstromes nach Basis- und Kollektorstrom beim übersteuert en Traneiner sprunghaften Umschaltung der Steuerspannung sistorschalter.
entsprechend BildEP4-7 analysiert.
Einschalten aus dem Sperrbereich:
Während der Verzögerungszeit td werden zunächst die
Sperrschichtkapazitäten des Emitter-Basis-Überganges CsE umgeladen bzw. des Kollektor-Basis-Überanges CsC teilentladen. Die Entladung der KollektorBasis-Sperrschichtkapazität verursacht den negativen
Kollektorstr om unmittelbar nach dem Umschalten.
Nach der vollständigen Entladung der Emitter-BasisSperrschichtkapazität (UB'E' = 0 V) schaltet SE um. In
der sich anschließenden Ans tiegszeit tr beginnt der
Die Einschaltzeit te bzw. ton wird gemessen vom Au- Basisstrom, die Emitter-Basis-Diffusionskapazität CdE
genblick des Umschalten der Steuerspannung (Uq11 aufzuladen. Außerdem fließt ein Teil des Basisstromes
auf Uq12) bis zum Erreichen des 0.9-fachen Endwertes über den (wiederum stark nichtlinearen) Emitter-Basisdes Kollektorstro mes. Die Einschaltzeit te setzt sich Diffusionswiderstand rdE, so dass die davon gesteuerte
zusammen aus der Verzögerungszeit td (delay time) Quelle AN @ IE’ Strom zu liefern und damit der Kollekund der Anstiegszeit tr (rise time). Es gilt te = td + tr . torstrom zu steigen beginnt.
Ausgangspunkt ist, dass sich am Transistor ein stationärer Sperrzustand eingestellt hat. In der Schaltung
nach Bild EP4-7 wird dabei die Basis des npn-Transistors negativ vorgespannt. Die Kollektor-Basis- und
die Emitter-Basis-Sperrschicht sind also jeweils in
Sperrichtung gepolt. Im Ersatzschaltbild stehen die
Schalter SE und SC in Stellung 2, es sind also die
Sperrschichtkapazitäten wirksam.
Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 9
Wird nun davon ausgegangen, dass der unter Vernachlässigung der Emitter-Basis-Spannung durch
Uq12 und R1 bestimmte Basisstrom größer als der zur
Übersteuerung notwendige Basisstrom IBÜ ist, so geht
der Transistor nach Ablauf der Anstiegszeit in die Sättigung. An der Sättigungsgrenze wird die innere
Der während der Anstiegszeit wachsende Kollektor- Kollektor-Basis-Spannung UC'B' Null und der Schalstrom führt zu einem Abfallen der Kollektor-Emitter- ter SC schaltet um in Position 1.
Spannung und damit einer weiteren E ntladung der
Kollektor-Basis-Sperrschichtkapazität. Die Anstiegs- Damit beginnt nun die Aufladung der Kollektor-Basiszeit wird demnach im wesentlichen durch die Emitter- Diffusionskapazität CdC. Da jetzt der durchlassgepolte
Basis-Diffusionskapazität und die Kollektor-Basis- Kollektor-Basis-Übergang leitfähig ist (rdC wird kleiSperrschichtkapazität bzw. durch den fließenden Ba- ner!), fließt nunmehr ein Teil des Basisstromes auch in
den Kollektor ab. Der Kollektorstro mverlauf knickt
sisstrom bestimmt. Eine Abschätzung der Anstiegsfolglich vom normalen "Auflade"-Verlauf ab und steigt
zeit ist nach Gl.(7) möglich, wobei JnB die Minoritätsladungsträgerlebensdauer in der Basis und m der aufgrund der Strombegrenzung durch die Kollektormasche kaum noch an.
Übersteuerungsfaktor ist.
Für die inneren elektronischen Vorgänge ist die Aufladung der Emitter- Basis- Diffusionskapazität äquivalent zu dem in Abschnitt 3.1 dargestellten Aufbau der
Minoritätsladung QB in der Basis.
(7)
In der Basis baut sich nach Überschreiten der Sättigungsgrenze die Speicherladung QBS auf, was mit der
Aufladung der Diffusionskapazität en CdC und C dE
korrespondiert. Weiterhin bildet sich ein Diffusionsschwanz im Kollektor aus.
Ausschalten aus dem Sättigungsbereich:
Ausgangspunkt ist, dass sich am Transistor ein stationärer Einschaltzustand eingestellt hat. Bei der Schaltung nach Bild EP4-7 fließt dabei ein positiver Basisstrom, der größer ist als IBÜ. Die Kollektor-Basis- und
die Emitter- Basis-Sperrschicht sind also jeweils in
Durchlassrichtung gepolt. Im Ersatzschaltbild stehen
SE und SC in Stellung 1, die Diffusionskapazitäten CdE
und CdC sind aufgeladen. Die Ausschaltzeit ta bzw. toff
setzt sich zusammen aus der Speicherzeit ts und der
Abfallzeit tf. Es gilt: ta = ts + tf . Während der Speicherzeit t s , un mitt elbar nach dem U mschalten der
Steuerspannung, bleibt die Emitter-Basis-Spannung
positiv, da sowohl CdE als auch CdC aufgeladen sind.
Folglich wird ein negativer Basisstrom fließen. Dieser
und die durch die jeweils parallel liegenden Diffusionswiderstände rdE und rdC fließenden Ströme entladen CdE und CdC. In Analogie zur Diode ist der über
rdE und rdC fließende Strom als Rekombinationsstrom
interpretierbar. Insgesamt vollzieht sich in der Basisschicht während der Speicherzeit der Abbau der
Speicherladung QBS . So lange die Ko llekt or-BasisSperrschicht durchlassgepolt, CdC also noch nicht vollständig entladen ist, bleibt der Kollektorstrom nahezu
konstant (s. Bild EP4-11). Die Zeitdauer für die Entladung der Kollektor-Basis-Diffusionskapazit ät ist
abhängig von der Anfangsladung, also der Über-
steuerung einerseits und von der Höhe des BasisAbschaltstromes andererseits, so dass sich für die
Abschätzung der Speicherzeit mit dem Ausschaltfaktor k der folgende Ausdruck ergibt:
(8)
Ist die Kollektor-Basis-Diffusionskapazität CdC vollständig entladen (UC'B' = 0V), so beginnt die Abfallzeit t f, während der Kollektorstrom zurückgeht. Im
Ersatzschaltbild schaltet SC um in Position 2. Zwischen
Kollektor und Basis wirkt jetzt nur noch die Sperrschichtkapazität CsC . Der weiterhin fließende (negative) Basisstrom trägt jetzt zur Entladung der noch nicht
vollständig entladenen Emitter-Basis-Diffusionskapazität CdE und zur Aufladung der Kollektor-Basis-Sperrschichtkapazität CsC bei. In der Basisschicht vollzieht
sich jetzt der vollständige Abbau der Basisladung QBÜ
sowie die Verbreiterung der Kollektor-Basis-Sperrschicht (CsC!). Weil jetzt IE' infolge der fallenden inneren Emitter-Basis Spannung UB'E' zurückgeht,
Versuchsanleitung EP4 Ausgabe 2008 S. 10
wird der durch die Quelle AN @ IE' getriebene und da- Der noch fließende negative Basisstrom lädt jetzt bis
zum Erreichen des stationären Ausschaltzustandes nur
mit auch der äußere Kollektorstrom IC kleiner.
noch C sE und CsC auf, was aufgru nd der gegen die
Die Abfallzeit ist wiederum abhängig vom fließenden Diffusionskapazitäten kleinen Sperrschichtkapazitäten
Basisstrom (bzw. dem Ausschaltfaktor), und es gilt sehr schnell erfolgt. Da IE' nach Umschalten von SE
Null wird, kann laut Ersatzschaltung nur noch der
näherungsweise die Gleichung 9:
Ladestrom von CsC als Kollektorst rom fließen. Tatsächlich fließ t natürlich ein im Modell nicht berück(9) sichtigter Kollektorreststro m auch nach vollständiger
Beendigung des Abschaltvorganges.
Nach Beendigung der Abfallzeit ist auch die Emitter- Die beschriebenen Schaltzeiten werden, der messtechBasis-Diffusionskapazität entladen (UB'E' = 0V). SE nischen Eindeutigkeit wegen, entsprechend Bild
EP4-11 wiederum zwischen der 10%- und der 90%schaltet ebenfalls um in Position 2.
Marke des Einschaltstromes ICmax definiert.
Zur Selbstkontrolle des vorausgesetzten Wissens
1. Was sind Diffusionsschwänze und wie kommen
sie zustande?
2. Wodurch werden die Kapazitäten eines pnÜberganges verursacht? Schätzen Sie die Kapazitäten in Durchlass- und in Sperrichtung gegeneinander ab!
3. Erläutern Sie die charakteristischen Schaltzeiten
von Dioden und Transistoren!
4. Wozu dient die Übersteuerung des Schalttransistors und welchen Einfluss hat sie auf das dynamische Verhalten? Diskutieren Sie in diesem
Zusammenhang d ie Grenzwerte der Gleichungen (7) bis (9)!
5. Was ist beim Schalten von induktiven und kapazitiven Lasten mit Transistoren zu beachten?