"Diode, Transistor, Thyristor"

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1 Elektrotechnsches Praktkm für aschnenbaer Ort: Denckestraße Ram-Nr.: 0051 (drekt über der ensa) Versch: "Dode, ransstor, hyrstor" echnsche Unverstät Hambrg-Harbrg Insttt für Hochfreqenztechnk Prof. Dr.-Ing. A. Jacob

2 Dode, ransstor, hyrstor Dode, ransstor, hyrstor In desem Versch sollen 3 Halbleter-Baelemente n hrer Wrkngswese nd hren wchtgsten Anwendngen nterscht werden, de jewels der Grndtyp ener Klasse von Baelementen snd. De Dode st en Zweschcht-Halbleter nd dent zr Glechrchtng von Wechselsgnalen (z.b. Lestngsglechrchter n der Starkstromtechnk oder Empfänger von Sgnalen n der Nachrchtentechnk). Der ransstor west 3 Schchten af nd dent haptsächlch zr Verstärkng (von Glechstrom bs z Wechselströmen von 10 Hz), aber ach 9 als Schalter oder Generator. Der hyrstor schleßlch st en Verschcht-Element, das als Schalter für Sgnale hoher Lestng velsetge Verwendng fndet (z.b. n Reglern we der hyrstor-zündng bem Otto-otor). De Fnkton aller 3 Baelemente berht af dem echansms der Stromletng n den sogenannten "Halbletern". 1. etall, Halbleter, Isolator De Festkörper telt man hnschtlch der Stromletng n dese 3 Grppen en. Wesentlches erkmal st de spezfsche Letfähgket σ, de be Isolerstoffen extrem nedrg st (z.b Sm / mm be Bernsten oder 10 Sm / mm be neralöl), während se be etallen m vele Größenordnngen höher legt (z.b. be Kpfer mt 56 Sm / mm ). Dazwschen legen de als Halbleter bezechneten ateralen, deren Letfähgket drch nten noch besprochene aßnahmen über mehrere Größenordnngen gezelt engestellt werden kann. Dabe kennt man Element-Halbleter we Germanm oder Slzm nd Verbndngs-Halbleter we Gallm-Arsend. 1.1 etallsche Stromletng Etwa en Elektron je Atom nmmt am Letngsvorgang (= Ladngstransport) tel. Dabe gbt 3 es etwa 10 Atome je cm 3. De Elektronen bewegen sch fre nd ngeordnet ("Wmmelbewegng", sogenanntes "Elektronengas") zwschen den nbeweglchen Atomrümpfen des Krstallgtters. Legt man en elektrsches Feld drch ene Potentaldfferenz an, so bldet sch ene Vorzgsrchtng heras: Es fleßt en Elektronenstrom. 1. Egenletng n Isolatoren nd Halbletern Be Isolatoren snd fast alle Elektronen an "hr" Atom gebnden, d.h. ortsfest. Deser Zstand st über wete Bereche von Enflssgrößen we emperatr oder elektrsches Feld ncht z verändern. De Letfähgket st praktsch Nll. Der Untersched z Halbletern st ncht prnzpeller sondern nr gradeller Natr. Be sehr tefen emperatren st ach deren Letfähgket sehr gerng. Se nmmt aber mt der emperatr stark z. Den ransportvorgang kann man sch am Bespel der Element-Halbleter Ge oder S folgendermaßen veranschalchen: Bede Elemente bestzen 4 Valenzelektronen: se snd verwertg. Se krstallseren m Damantgtter, be dem jedes Atom über jewels ene "Brücke" as Elektronen an 4 Nachbaratome gebnden st. Das st schematsch n der Ebene n Bld 1 dargestellt. De Bndng st vollständg bem absolten emperatrnllpnkt (Bld 1), der Halbleter st en dealer Isolator. Drch Erwärmng (Energezfhr) werden znehmend mehr Elektronen as den Bndn- 1

3 Dode, ransstor, hyrstor gen befret nd damt beweglch. Das hat aber nn ene egentümlche Konseqenz: Wenn das Elektron senen Platz verlässt (z.b. wegen enes angelegten elektrschen Feldes), hnterlässt es m Gtter en Loch = Defektelektron = postve Überschssladng. Es hat sch damt en Ladngsträgerpaar gebldet: Generaton. Natürlch kann ene postve Überschssladng ach drch en anderes frees Elektron kompensert werden, das den Platz des Loches m Gtter ennmmt. En Ladngsträgerpaar verschwndet damt: Rekombnaton. Bede Prozesse stehen mtenander m Glechgewcht, sodass m statonären Zstand ene bestmmte Anzahl von Elektron-Loch-Paaren für den Letngsvorgang zr Verfügng stehen. Dese Zahl wächst über der emperatr. Bld 1: Ebene Darstellng enes S-Krstalls In Bld st en Letngsvorgang schematsch dargestellt. En Elektron verlässt senen Gtterplatz nd bewegt sch fre (1). Das entstandene Loch wrd nach ener gewssen Zet von enem Valenzelektron enes Nachbaratoms afgefüllt (), wobe allerdngs en nees Loch entsteht (3). Dese Vorgänge können sch fortpflanzen, der Halbleterkrstall zegt de sogenannte "Egenletng" nter Enwrkng enes äßeren elektrschen Feldes. Egentümlches erkmal st, dass bede Ladngsträgersorten addtv zm Ladngstransport betragen: Der Elektronenstrom bewrkt ene Wanderng negatver Ladng, der Löcherstrom ene schenbare Wanderng postver Ladng. Dabe bewegen sch ncht de "onserten" Gtteratome, sondern es wandert der Ionserngszstand. Für enen äßeren Beobachter stellt sch das als ene Bewegng postver Ladng dar, de dem Elektronenstrom überlagert st. Bld : Egenletng m Ge-Krstall Elektrsche Letng afgrnd der Paarbldng von Ladngsträgern nennt man Egenletng. An hr snd damt stets glech vele Elektronen we Löcher betelgt. De Ladngsträgerdchte, d.. de Anzahl der Ladngsträger pro Volmenenhet, st glech der Egenletngsdchte. Se ,4 10 cm 1,5 10 cm, sodass z.b. von den beträgt be Ge (S) be Zmmertemperatr ( ) 3 4,4 10 Ge-Atomen je cm 9 nr von etwa jedem 10 -ten Atom en frees Elektron zr Verfügng gestellt wrd. (an vergleche mt etallen: Jedes Atom stellt m ttel etwa en Elektron zr Verfügng.) Der Egenletngseffekt st folglch sehr gerng nd konnte ach erst

4 Dode, ransstor, hyrstor beobachtet werden, als man Halbleterkrstalle höchster Renhet herstellen konnte. Vernrengngen überdecken nämlch desen Effekt, we m folgenden veranschalcht werden soll. 1.3 Störstellenletng n Halbletern De Letfähgket von Halbletern kann m vele Größenordnngen dadrch gestegert werden, dass man das ateral drch de Zgabe von Fremdatomen "vernrengt". Das nennt man Doteren. Dabe werden entweder fünfwertge Atome we z.b. Antmon oder drewertge we z.b. Indm n das Wrtsgtter engebat. echnsch gescheht das bespelswese drch Legeren oder Endffnderen des Doterstoffes. Es soll znächst der Letngsvorgang nfolge Doterng mt fünfwertgen Störstellen betrachtet werden (Bld 3). En Valenzelektron des Störatoms blebt ohne Bndng m Krstallgtter nd steht daher als freer Ladngsträger zr Verfügng. Ene solche Störstelle bezechnet man daher als Donator. Das Donatoratom wrd, nachdem es sen Elektron abgegeben hat, z enem postv geladenen Ion. Den mt Donatoren doterten Halbleter nennt man enen n-leter. En 16 3 typscher Wert snd 10 Donatoratome je cm, sodass zr Störstellenletng wesentlch mehr Elektronen zr Verfügng stehen, als zr Egenletng. Anderersets entsprcht deser Doterngsgrad enem Fremdatom af etwa 10 Atomen des Wrtsmaterals. De Renhetsanforde- 6 rngen an den Halbleterkrstall snd also nach we vor extrem hoch. Bld 3: Störstellenletng m S-Krstall drch Doteren mt Sb In Bld 4 wrd der Letngsvorgang nfolge Doterng mt drewertgen Störstellen skzzert. Dem Fremdatom fehlt dann jewels en Valenzelektron, m de Bndngen z den benachbarten Atomen abzsättgen. In dese Bndngslücke kann dann as ener vollständgen Bndng (be gernger Energezfhr z.b. drch Erwärmng) en Bndngselektron nachrücken, wodrch dort en Loch entsteht. Ene solche Störstelle bezechnet man dann als Akzeptor. Das Akzep- toratom wrd z enem negatv geladenen Ion. Das Loch kann m Krstallverband genaso wandern, we es schon be der Egenletng beschreben wrde. an bezechnet das Halbletermateral jetzt als p-leter. (t n nd p werden n der Lteratr gewöhnlch Elektronen nd Löcher bezechnet.) Bld 4: Störstellenletng m S-Krstall drch Doteren mt In 3

5 Dode, ransstor, hyrstor Ach be doterten Halbletern entstehen nd verschwnden daernd zsätzlche Ladngsträgerpaare, de zr Egenletfähgket führen. Se wrd jedoch drch de Störstellen-Letfähgket mest m vele Größenordnngen übertroffen. Anderersets snd aber drch den Prozess der Generaton n enem z.b. n-doterten Halbleter ach fre Löcher enthalten, we n enem p-doterten Halbleer ach free Elektronen enthalten snd. De gesamte Letfähgket setzt sch daher as enem Antel nfolge der freen Elektronen nd enem anderen nfolge der freen Löcher zsammen. an bezechnet de Ladngsträger, de drch de Doterng m Halbleter vorhanden snd, als ajortätsträger, de freen Ladngsträger mt entgegengesetztem Vorzechen als nortätsträger. Be ncht z großen Strömen glt. n p = n Darn bedeten n nd p de Dchten der Elektronen nd Löcher sowe n de m Abschntt 1. engeführte Egenletngsdchte. Während n enem ndoterten Halbleter n = p glt (warm?), hat man n enem doterten Halbleter nr en Hndertstel so vel nortätsträger we ajortätsträger, wenn man mt 10 n Fremdatomen dotert.. pn-übergang En pn-übergang st en Gebet, n dem en p-leter nd en n-leter flächg anenandergrenzen. Er kann z.b. drch enen Dffsonsprozess erzegt werden. Es wrd m folgenden gezegt, dass de Strom-Spannngs-Kennlne des pn-überganges enen Sperr- nd enen Drchlassberech afwest: Es entsteht ene Dode..1 pn-übergang ohne äßere Spannng Am pn-übergang treten große Konzentratonsgradenten der freen Ladngsträger af, de af der enen Sete ajortätsträger, af der anderen aber nortätsträger snd. Afgrnd hrer thermschen Wmmelbewegng drngen dann Elektronen as dem n-leter n den p-leter nd mgekehrt Löcher as dem p-leter n den n-leter en. Das st n Bld 5 skzzert. Deser Vorgang heßt Dffson. Dadrch entsteht ene Grenzschcht, n der de Dchten der frebeweglchen Ladngsträger etwa so groß snd, we de Egenletngsdchte. Dese Grenzschcht st folglch sehr hochohmg. Ihre Wete stellt sch n enem Glechgewchtsprozess en: Drch das Verarmen der Grenzschcht an frebeweglchen Ladngsträgern bldet sch dort ene Ramladng as, da af der n-sete postve Ionen, af der p-sete negatve Ionen m Überschss vorhanden snd. De Ramladng hat ene elektrsche Feldstärke zr Folge, de von der n-zone (dem Ort der postven Überschssladng drch Donatoronen) zr p-zone zegt. Das elektrsche Feld n der Grenzschcht wrkt der Dffson der ajortätsträger über den pn-übergang entgegen. Im Glechgewcht snd Dffsonswrkng nd Feldwrkng glech groß, wodrch de Asdehnng der Grenzschcht festgelegt st. Se legt n der Größenordnng krometer, de elektrsche Feldstärke m Berech enger kv/cm. 4

6 Dode, ransstor, hyrstor Bld 5: Asbldng der Grenzschcht G bem pn-übergang Das elektrsche Feld st mt ener Potentaldfferenz verbnden. De gesamte, an der Grenzschcht aftretende Potentaldfferenz wrd Dffsonsspannng U D genannt. Se hängt vom Doterngsgrad bedersets der Grenzschcht, von der emperatr nd von der Halbleterart ab. Be Ge beträgt U D ~ 0.3 bs 0.4 V, be S st U D ~ 0.5 bs 0.6 V.. pn-übergang mt äßerer Spannng n Sperrrchtng Als Asgangspnkt zegt Bld 6a nochmals den pn-übergang ohne äßere Spannng. Legt man nn an den Krstall ene Spannng U so an, dass der Plspol der Spannngsqelle mt der n-zone, der nspol mt der p-zone verbnden st, so stellen sch de n Bld 6b skzzerten Verhältnsse en. De äßere Spannng U hat den glechen Rchtngssnn we de Dffsonsspannng U D. Herdrch werden beweglche Ladngsträger von den Rändern der Grenzschcht abgezogen. Bld 6a: pn-übergang ohne äßere Spannng Bld 6b: pn-übergang mt Spannng n Sperrrchtng De Ramladngszonen verbretern sch, bs drch de se erzegte Potentaldfferenz glech der Spannng ( U + U D ) st. Im äßeren Stromkres fleßt nr der klene Sperrstrom I S. Er entsteht drch de n der Grenzschcht n gernger Anzahl vorhandenen nortätsträger, de m Gegensatz z den ajortätsträgern vom elektrschen Feld n der Grenzschcht über den pn-übergang hnwegbewegt werden. 5

7 Dode, ransstor, hyrstor Es fleßen also Löcher as der n-zone hnüber n de p-zone. Deser Sperrstrom st von der Sättgngsspannng nahez nabhängg. De Sperrstromdchte beträgt be Ramtemperatr für Ge etwa 0. ma / cm, für S etwa 0.00 ma / cm. (Da de nortätsträgerdchte stark temperatrabhängg st, darf der Krstall ncht z sehr erwärmt werden, damt der pn-übergang de Sperregenschaft ncht verlert. Be S beträgt de Grenztemperatr 00 C. Be deser emperatr st de Sperrstromdchte gegenüber hrem 4 Wert be Ramtemperatr m etwa enen Faktor 10 angestegen. Das st dennoch en klener Wert, wenn man bedenkt (Abschntt.3), dass m Drchlassberech de Stromdchte bs z 1000 ma / cm beträgt.).3 pn-übergang mt äßerer Spannng n Drchlassrchtng Polt man de äßere Spannngsqelle so, dass hr Plspol mt der p-zone verbnden st, so spelen sch folgende Vorgänge ab (Bld 6c): De Rchtng der äßeren Spannng U st entgegengesetzt z derjengen der Dffsonsspannng U D. Dadrch werden fre beweglche Ladngsträger n de Grenzschcht hnengetreben, sodass de Ramladng telwese abgebat wrd. De Grenzschcht wrd dann schmaler. Folglch werden ach de elektrsche Feldstärke nd damt de Potentaldfferenz gernger. Be U = U D st de Grenzschcht vollständg abgebat. As der n-zone werden nn Elektronen, as der p-zone Löcher von der äßeren Spannng über den pn-übergang getreben nd rekombneren bedersets des Überganges. In der p-zone fleßt dabe en Löcherstrom, n der n-zone en Elektronenstrom (Bld 6d). Bld 6c: pn-übergang mt Spannng n Drchlassrchtng Bld 6d: pn-übergang mt Spannng nd Stromflss n Drchlassrchtng Nach dem Abba der Grenzschcht bestzt der Halbleter nr noch den gerngen Bahnwderstand, sodass de Stromstärke m wesentlchen drch den äßeren Wderstand R bestmmt wrd. Deses Verhalten spegelt de Dodenkennlne von Bld 7 wder. Se wrd drch de Glechng I = I [ exp ( U /( nu )) 1], U 6 mv S = 6

8 Dode, ransstor, hyrstor beschreben, n der I S den n Abschntt. engeführten Sperrstrom nd U de sogenannte "emperatrspannng" bedeten. Se st proportonal zr absolten emperatr nd hat be Ramtemperatr den n der Glechng angegebenen Zahlenwert. De Größe "n" st der Idealtätsfaktor, mt dem man Effekte beschrebt, de n deser enfachen Darstellng ncht berückschtgt worden snd. Für hn glt 1 < n <. Bld 7: Strom-Spannngs-Kennlne ener Dode (aßstäbe nterschedlch!) Für Spannngen, de größer snd als de Dffsonsspannng, stegt der Strom sehr stark (m Idealfall exponentell) an. Im Sperrberech st ebenfalls en steler Stromansteg jensets der sogenannten Drchbrchspannng z beobachten. Er st n den Erklärngen des Abschnttes. noch ncht enthalten. De starke Znahme des Sperrstromes legt entweder daran, dass nfolge des hohen elektrschen Feldes Elektronen nmttelbar as den Gtteratomen herasgelöst werden, oder dass de Elektronen nfolge hrer hohen Geschwndgket mt Gtteratomen zsammenstoßen nd dabe wetere Ladngsträger as hren Bndngen herasschlagen, sodass der Strom lawnenartg anwächst. 3. Der ransstor Der ransstor st en Dreschcht-Element mt der Schchtenfolge npn oder pnp. Sen prnzpeller Afba, de schematsche Afenanderfolge der Schchten sowe de Schaltzechen snd n Bld 8 dargestellt. an kann dese Anordnng als Zsammenschaltng von zwe pn-doden betrachten, de ene gemensame Schcht haben. Se wrd Bass (B) genannt nd st stets extrem dünn (Größenordnng krometer). De beden übrgblebenden, glechartg doterten Schchten heßen Emtter (E) nd Kollektor (C). Bld 8: Prnzpeller Afba enes Flächentransstors 7

9 3.1 Betreb mt leerlafender Bass Dode, ransstor, hyrstor Im folgenden soll der npn-ransstor betrachtet werden. De Verhältnsse am pnp-ransstor snd de glechen, wenn man den Rchtngssnn sämtlcher Spannngen nd Ströme mkehrt. Zwschen Kollektor (C) nd Emtter (E) wrd ene deale Spannngsqelle U so angeschlossen, dass der Plspol mt dem Kollektor verbnden st (Bld 9). Der Bassanschlss blebt znächst offen, sodass der ransstor hnschtlch deser Klemme leerläft. Drch de Polartät der äßeren Spannngsqelle st der rechte pn-übergang (B-C) m Sperrzstand, der lnke (B-E) m Drchlasszstand. Dabe bldet sch ene brete Ramladngszone zwschen Kollektor nd Bass mt ener hohen Potentaldfferenz as, de ngefähr der äßeren Spannng entsprcht. (Über dem anderen, n Drchlassrchtng gepolten Übergang kann ja nach Bld 7 nr en gernger el der äßeren Spannng abfallen.) De enzelnen Schchten m ransstor werden so dotert, dass dese Ramladngszone stark nsymmetrsch st. Soll se sch z.b. haptsächlch n de Basszone nd nr nwesentlch n de Kollektorzone asdehnen, dann mss man de Bass schwach m Verglech zm Kollektor doteren. Da nahez de gesamte Qellspannng U an der hochohmgen C-B-Grenzschcht abfällt, recht de Spannng an der B-E-Dode ncht as, m de Dffsonsspannng afzheben nd de schmale, ebenfalls nsymmetrsche Grenzschcht B-E abzbaen. Im äßeren Stromkres fleßt daher nr der sehr klene Sperrstrom I CE, der ransstor sperrt. Bld 9: ransstorbetreb mt leerlafender Bass 3. Betreb des ransstors mt Bassstrom We Bld 10 zegt, wrd nn ene zsätzlche Spannngsqelle U B angeschlossen, deren nspol am Emtter legt. In der sogenannten Emtter-Schaltng erhält der Emtter (drch ene Erdng) das Bezgspotental 0 V. Drch dese Spannngsqelle wrd de Ramladng n der Bass-Emtter-Grenzschcht abgebat, sodass de dort legende Potentaldfferenz gernger wrd. Herdrch können vermehrt Elektronen as dem n-doterten Emttergebet n das Bassgebet endrngen. Da de Bass verhältnsmäßg schwach dotert st, rekombneren dort nr sehr wenge deser Elektronen. 8

10 Dode, ransstor, hyrstor Bld 10: ransstorbetreb mt Bassstrom Stattdessen drchläft se de dünne Bassschcht nd geraten n das elektrsche Feld der Ramladng C-B. Drch deses Feld werden se vom Kollektor abgesagt, "gesammelt", nd fleßen als Kollektorstrom I C ab. Von der Qelle U B müssen dabe nr de drch Rekombnaton n der Bassschcht verschwndenden Löcher ersetzt werden. Dadrch fleßt en sehr klener Bassstrom I B << IC, der dem Elektronenstrom drch de Bass nd damt I C etwa proportonal st. Es trtt also ene Stromverstärkng af. Desen Vorgang, be dem en klener Bassstrom steernd af den großen Kollektorstrom enwrkt, nennt man ransstoreffekt. Genaso we de Dodenkennlne kann man ach den Zsammenhang zwschen Strömen nd Spannngen am ransstor berechnen. Dabe gbt es nn aber nsgesamt ver Varable. Betrachtet man das Schaltbld von Bld 10, dann kann man de lnke Schlefe als Engang, de rechte aber als Asgang des (verstärkenden) ransstors affassen. Für desen Stromverstärker st de Bezehng zwschen Strom nd Spannng am Asgang besonders nteressant. Wenn man se darstellt, trtt ene Engangsgröße, z.b. der Bassstrom, als Parameter af. Anstelle ener enzelnen Kennlne we be der Dode erhält man nn en Kennlnenfeld für nterschedlche Werte des Parameters. Es st n Bld 11 skzzert. Bld 11: Asgangs-Kennlnenfeld enes ransstors n Emtterschaltng 9

11 Dode, ransstor, hyrstor Abschleßend soll noch erwähnt werden, dass man anstelle des Emtters ach de Bass oder den Kollektor af Bezgspotental legen kann. an erhält dann de sogenannte Bassschaltng oder Kollektorschaltng. Bede nterscheden sch n hren Egenschaften detlch von der bsher besprochenen Emtterschaltng. Af dese Wese hat man ene hohe Flexbltät, m mt ransstoren vorgegebene Schaltngsfnktonen realseren z können. 4. Der hyrstor Deses Baelement west de Schchtenfolge pnpn af. Hstorsch bedngt nennt man de äßere p-schcht Anode, de äßere n-schcht Kathode. In deser Schaltng wrd der hyrstor ach als "hyrstor-dode" bezechnet. Wenn man an ener der nneren Schchten ene Steerelektrode anbrngt, sprcht man von der hyrstor-rode. Dese Baelemente haben n der Lestngelektronk ene aßerordentlch große Bedetng. Se werden z.b. als gesteerte Glechrchter zr Drehzahl- nd Lestngsregelng von Glechstrom- nd Drehstrom-otoren engesetzt. Weter fndet man se n geregelten Glechstrom-Versorgngsanlagen, Battere- Ladegeräten, Lchtregelngsschaltngen, be der Steerng von elektrschen Hezanlagen nd be der Zündng von Otto-otoren. Dabe können elektrsche Lestngen bs z engen 100 kw je Baelement geschaltet werden. Es soll znächst de hyrstor-dode behandelt werden. De mathematsche Behandlng hrer Kennlnenglechng st recht schwerg, sodass wr ns her daraf beschränken wollen, de Strom-Spannngs-Charakterstk von Bld 1 plasbel z machen. Für Polng n Sperrrchtng st de Anode negatv gegenüber der Kathode K vorgespannt. Nn sperren de beden äßeren pn-übergänge, der mttlere Übergang st dagegen letend. (Das hochgestellte Zechen + an der Halbleterschcht detet an, dass de Doterng besonders stark st.) Es fleßt nn en Sperrstrom drch das Baelement, der drch de Sperrströme der äßeren pn-übergänge bestmmt wrd. Wrd de Sperrspannng weter bs n de Nähe der Drchbrchspannng erhöht, begnnt schleßlch der Lawnendrchbrch n den äßeren Übergängen nd der Sperrstrom stegt stel an. Der Sperrberech nterschedet sch dadrch n sener Strom-Spannngs- Charakterstk ncht grndsätzlch von dem Sperrberech ener Dode. Bld 1: Prnzpeller Afba, Kennlne nd Schaltzechen der hyrstor-dode Nn betrachten wr den Fall, dass ene postve Spannng an de Anode gelegt wrd. Dann wrd der mttlere pn-übergang n Sperrrchtng betreben, während de beden äßeren Übergänge letend snd. De angelegte Spannng U fällt folglch fast vollständg am mttleren pn- 10

12 Dode, ransstor, hyrstor Übergang ab. Drch desen fleßt en sehr gernger Sperrstrom, der m allgemenen klener als 10 µa st. Wrd de angelegte Spannng weter erhöht, so gelangt man schleßlch n de Nähe der Drchbrchspannng des mttleren Überganges. Drch den Drchbrchvorgang werden n der Sperrschcht nn Elektron-Loch-Paare erzegt, de dese vorher hochohmge Schcht plötzlch letend machen. Damt brcht der Spannngsabfall über dem hyrstor zsammen: Das gesamte Baelement wrd nederohmg. Damt ergbt sch ene Strom-Spannngs- Charakterstk, de derjengen enes enzelnen pn-überganges ähnelt. Der Strom stegt stel (exponentell) über der Spannng an. Das Baelement st also, nachdem es enmal über de sogenannte Schwellspannng hnweg asgesteert wrde, vom Sperr- n den Drchlass- Zstand gebracht worden. Daras ergbt sch de Haptanwendng des hyrstors als Schalter. De hyrstor-rode nterschedet sch von der hyrstor-dode nr dadrch, dass an ener der beden nneren Zonen en zsätzlcher Kontakt angebracht st, de sogenannte Steerelektrode. Se wrd bentzt, m be Polng n Drchlassrchtng Ladngsträger n de Sperrschcht des mttleren pn-überganges z njzeren. Damt ersetzt deser Steerstrom de sonst an deser Stelle nfolge des Lawnendrchbrches erzegten Ladngsträger. De Schwellspannng mss nn ncht mehr glech der Drchbrchspannng des mttleren Überganges sen. Je nach Größe des njzerten Stromes schaltet der hyrstor berets be nedrgeren postven Spannngen vom Sperr- n den Drchlass-Zstand. Das spegelt sch n der Kennlne wder, de n Bld 13 skzzert st. De hyrstor-rode st en steerbarer Schalter. Bld 13: Kennlne nd Schaltzechen der hyrstor-rode 11

13 Verschsbeschrebng Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor Nomenklatr: Snsförmge Wechselgrößen ( t) = û sn ( ωt + ϕ) = U sn ( ωt + ϕ) eff û : Ampltde U : Effektvwert eff Allgemene Wechselgröße max : axmalwert von ( t) Glechgröße U Versch 5a: Dode nd Enwegglechrchter Verschsafba: Abbldng 1: De Abbldng 1 zegt de Schaltng für desen Verschstel. Der ransformator transformert de prmärsetg anlegende Netzspannng von = 0 V af û 15 V hernter. Zm Schtz des ransformators gegen eventelle Krzschlüsse n der nachfolgenden Schaltng st de Scherng S engebat. öglche Wcklngskrzschlüsse m ransformator würden z enem erhöhten prmärsetgen Engangsstrom führen. Ene Überhtzng des rafos (Brandgefahr) soll drch de Scherng S1 verhndert werden. We Abbldng b zegt, st de nachgeschaltete Dode D während des größten els der postven Halbwelle von letend. In desem Versch wrd dabe de dealsere Dodenkennlne as Abbldng a bentzt. û N 1

14 Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor Abbldng a Abbldng b Der maxmale Dodenstrom ergbt sch z d max = ( û U D )/ R. U D st de maxmale Dodenspannng n Drchlassrchtng ( Dffsonsspannng). De negatve Halbwelle von sperrt de Dode. In Sperrrchtng hat der maxmale Spannngsabfall an der Dode den Betrag û. De Kennlne der Dode kann af dem Oszlloskop abgebldet werden, wenn d zr X- = R zr Y-Ablenkng des Elektronenstrahls bentzt wrd. Der Ablenkng nd ( ) a a Elektrolyt-Kondensator blebt herbe nbentzt. d Drch de Parallelschaltng enes Kondensators zm Lastwderstand R entsteht as der bsher bentzten Schaltng en Enwegglechrchter. Er hat de Afgabe, ene Wechselspannng 13

15 Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor n ene Glechspannng mzwandeln. Der Kondensator dent zr Glättng der Asgangsspannng. Er wrd bs zr Spannng a max / R ) cmax / R ) = û / R ) U D = (1) afgeladen, während D m letenden Zstand st. Sobald ( t) nter de Kondensatorspannng c max fällt, sperrt de Dode. Der Kondensator begnnt nn, sch mt exponenteller Zetabhänggket z entladen (Zetkonstante: τ = R CL; CL : Kondensatorkapaztät). Der Entlade-Vorgang wrd abgebrochen, sobald während der nächsten postven Halbwelle von ( t) ( t) = () c wrd. C L wrd dann ernet af c max afgeladen. û st vom Verhältns R / R abhängg = ohmscher Innenwderstand der Sekndärwcklng des ransformators). û wrd für R maxmal nd entsprcht dann der Leerlaf-Spannng des ransformators û ). R wrd.a. so gewählt, dass R >> R st. Für de maxmale Sperrspannng an der Dode glt: s max 3 4 / R ) = û ) + c < û ) + û / R ) UD (3) Um de öglchket mt R be der Schaltngsaslegng z berückschtgen, sollte jedoch s max ) = û ) U D gerechnet werden. (4) Abbldng 3 De Wellgket von a wrd Brmmspannng genannt (Abbldng 3). De Brmmspannng Wderstandes U Br st von der Kapaztät C L des Ladekondensators, vom Wert des N t (her: 50 Hz) abhängg. De R nd von der Freqenz der Spannng ( ) Abhänggket von R st deshalb besonders wchtg, wel deser Wderstand als Ersatzwderstand für ene dem Enwegglechrchter folgende Schaltng gelten kann. De Brmmspannng st damt lastabhängg. 14

16 essafgaben Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor 1. R st af 1 kω abzglechen. De Kennlne der Dode für den Enwegglechrchter st z oszllographeren nd z skzzeren.. In der Schaltng des Enwegglechrchters snd de Spannngsverläfe ( t), d ( t) nd a ( t) z oszllographeren nd phasenrchtg nterenander z skzzeren. C L soll dabe znächst ncht angeschlossen sen. 3. We. jedoch mt angeschlossenem C L. 4. De Spannngsverläfe as. nd 3. snd z nterpreteren. 5. Der Wderstand R soll so engestellt werden, dass de Brmmspannng U Br = 1V beträgt. We groß st dann R? We groß st der Strom drch R? ( C L st angeschlossen). Versch 5b: Brückenglechrchter Verschsafba: Abbldng 4 Der Brückenglechrchter ntzt m Gegensatz zm Enwegglechrchter jede Halbwelle von zm Nachladen des Ladekondensators C L : Während des größten els der postven Halbwelle von snd de Doden D1 nd D3 letend, während des größten els der negatven Halbwelle de Doden D nd D4. Be leerlafendem Asgang st de maxmale Asgangsspannng a max ) = cmax ) = û ) UD (5) Be Belastng des Asgangs lefert ene Näherngsrechng (vergleche [1]). a max ( ) ( ) ( ) R = = / R c max R / R a max R 1 R R (6) 15

17 De maxmale Sperrspannng st für jede Dode mt s max ) = û ) U D Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor (7) nr etwa halb so groß we bem Enwegglechrchter. Für de Brmmspannng glt näherngswese (nach []) Br = a π f R C ( f : Netzfreqenz) N N L (8) mt der mttleren Asgangsspannng a Br = a max a max = 1 + π f ) U Br ) N R C L 1 (9) (10) Lteratr [1] U. etze, Ch. Schenk: "Halbleter-Schaltngstechnk", Sprnger-Verlag 1980, S [] H. holl: "Baelemente der Halbleterelektronk, el 1", ebner-verlag, 1976, S. 50. essafgaben 6. Oszllographeren Se de Spannngsverläfe ( t) nd ( t) ( t) Se dese phasenrchtg nterenander. 1 d4 d nd skzzeren 7. Erklären Se de Wrkngswese des Brückenglechrchters anhand der Dagramme as essafgabe Berechnen nd messen Se de Brmmspannng des Brückenglechrchters be ener Belastng we m Verschstel "Enwegglechrchter". ( û ) = 16 V, f N = 50 Hz, U D = 0.6 V, C L = 0 µ F). Ist en Untersched zm Enwegglechrchter feststellbar? 16

18 Versch 5c: hyrstor-schalter Verschsafba: Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor Abbldng 5 De Abbldng 5 zegt den hyrstor n sener Anwendng als Lestngsschalter. Drch Enschalten enes sehr klenen Gate-Stroms kann en relatv großer Anodenstrom G A drch den Lastwderstand R L zm Fleßen gebracht werden: De hyrstor-schaltng befndet sch nach dem Enschalten der Versorgngsspannng m Arbetspnkt A 1 (Abbldng 6). Dabe soll znächst noch ken Gate-Strom fleßen. In desem Zstand fleßt nr der (vernachlässgbar klene) Anodenstrom A1 drch den Lastwderstand. Fast de gesamte Versorgngsspannng =. Nach U legt am hyrstor an ( ) Q AK U Q dem Enschalten enes hnrechend große Gate-Stroms bestzen de Arbetsgerade nd de hyrstor-kennlne nr noch den Schnttpnkt A. Es fleßt nn der relatve große Anodenstrom A drch den Lastwderstand. Fast de gesamte Versorgngsspannng fällt am Lastwderstand ab ( AK 0). Der Arbetspnkt A blebt ach nach dem Abschalten des Gate- Stroms erhalten. Um n den Arbetspnkt A 1 zrückzgelangen, st es notwendg, de Versorgngsspannng U Q krzzetg abzschalten. U Q Abbldng 6 17

19 essafgaben Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor 9. essen Se den Strom drch den Lastwderstand R L vor nd nach dem Zünden des hyrstors drch enen Gate-Strom. 10. We groß st der zm Zünden notwendge Gate-Strom? Versch 5d: ransstor-schalter Verschsafba: Abbldng 7 In der Schaltng der Abbldng 7 dent en ransstor zm Enschalten des Stroms drch ene Glühlampe (= Lastwderstand R ). L 18

20 Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor Abbldng 8 We der Abbldng 8 z entnehmen st, verändert sch de Lage des Arbetspnktes der Schaltng von A 1 nach A wenn en entsprechend großer Bassstrom B engeschaltet wrd. Dese Änderng kann drch Abschalten des Bassstroms rückgängg gemacht werden. De Arbetsgerade st drch ( U ) 0 = nd c CE Q = c ( CE = 0) U Q / R L = (11) festgelegt. Be jeder Änderng der Ströme oder Spannngen am ransstor werden Ramladngen n den Grenzschchten zwschen Emtter nd Bass bzw. Bass nd Kollektor af- oder abgebat. Da deser Af- oder Abba ene gewssen Zet benötgt, kann der Kollektorstrom ncht nmttelbar nach dem Enschalten des Bassstroms senen statonären Wert (bestmmt drch A ) annehmen. Entsprechendes glt für das Asschalten des Bassstroms. Der ransstor reagert demnach träge, we alle anderen elektronschen Baelemente ach. Des führt daz, dass ene Grenzfreqenz exstert, oberhalb der der Asgangsstrom des ransstors (her: c ) ncht mehr n der Lage st, dem Engangsstrom des ransstors (her: B ) z folgen. Um z verhndern, dass m Berech der ransstor-grenzfreqenz ach der Asgangsstrom der ransstor-schaltng (her: c ) ncht mehr dem Engangsstrom der ransstorschaltng (her: S ) folgen kann, bedarf es besonderer schaltngstechnscher aßnahmen. De enfachste aßnahme st de Parallelschaltng enes Kondensators C S zm Basswderstand R B. We de Abbldng 9 zegt, verrsacht der Kondensator C m Enschalt-oment ene Überhöhng des Bassstroms B nd sorgt dadrch für ene schnellere "Überschwemmng" der Emtter-Bass-Grenzschcht mt Ladngsträgern. Im Asschalt-oment wrd de Stromrchtng von B sogar krzzetg mgekehrt, wodrch verstärkt Ladngsträger as der Emtter- Bass-Grenzschcht "abgesagt" werden. S 19

21 Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor Abbldng 9 essafgaben 11. Oszllographeren nd skzzeren Se S ( t) nd ( t) L phasenrchtg nterenander (Ansteerng des ransstor-schalters mt enem Rechteck-Generator). Bestmmen Se t en nd t as. We groß st de maxmal möglche Schaltfreqenz? Dese essafgabe soll ohne C S drchgeführt werden. 1. We 11. jedoch mt C S. 0

22 Versch 5e: ransstor-verstärker Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor Verschsafba: Abbldng 10 Das Haptanwendngsgebet des ransstors st de Klensgnalverstärkng n der Nachrchtentechnk. Unter "klenen" Sgnalen versteht man Sgnale, de den ransstor nr n näherngswese lnearen Berechen senes Kennlnenfeldes assteern. Wenn de Emtter-Bass-Dode des ran- U BE t über enen nchtlnearen Berech asgesteert sstors mt enem kräftgeren Sgnal ( ) wrd, st das Asgangssgnal U CE ( t) verzerrt (Abbldng 11). Ene spektrale Zerlegng des Asgangssgnals würde zegen, das es as Schwngngen mt verschedenen Freqenzen zsammengesetzt st. Der störende Antel an Schwngngen jensets der Freqenz des Engangssgnals wrd.a. drch de Angabe des "Klrrfaktors" gekennzechnet. 1

23 Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor Abbldng 11 De Abbldng 10 zegt enen ransstor n Emtterschaltng als Klensgnal-Verstärker. Der Spannngsteler as den Wderständen R, R B 1 nd R B dent zr Enstellng der Bassspannng m Arbetspnkt. Drch den Wderstand R E wrd der gewählte Arbetspnkt gegen emperatränderngen stablsert: Für den Emtterstrom drch de Emtter-Bass-Dode glt n Drchlassrchtng gemäß der Glechng af Sete 8 E ~ exp U BE. (1) Damt st E wegen U ~ temperatrabhängg. Wel B nd mt C E verknüpft snd, hat ene emperatränderng ach Enflss af den Kollektorstrom C. Der Arbetspnkt der Schaltng würde sch deshalb ohne Gegenmaßnahmen be ener emperatränderng verscheben. Drch den Wderstand R wrd nn errecht, dass der Emtterstrom wegen E = = U ( mt ) E B BE B E B >> R E R E R E BE (13) praktsch drch R drch den Kondensator E R E bestmmt wrd nd ncht mehr drch C E überbrückt. BE. Für de Wechselsgnale wrd De Kondensatoren C e nd C a verhndern, dass sch de Glechspannngen n deser ransstorstfe af de vorangehende oder nachfolgende Schaltng aswrken.

24 Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor Abbldng 1 De Abbldng 1 zegt das vollständge Kennlnenfeld des n desem Versch bentzten ransstors. De Assteerng des ransstors drch de Bass-Emtter-Spannng BE bzw. drch den Bassstrom B st engezechnet. 3

25 essafgaben Verschsbeschrebng: Dode, ransstor, hyrstor 13. Bestmmen Se as Abbldng 1 mt dem engezechneten Arbetspnkt de Klensgnal- Spannngsverstärkng û a V = û e 14. Oszllographeren Se a ( t) nd ( t) e. Bestmmen Se daras V. R soll dabe den af dem Schaltbrett markerten Wert bestzen. 15. Drch Änderng von R soll der Arbetspnkt der Schaltng verschoben werden. Beo- a t. bachten Se das Verhalten von ( ) 4