Dioden und Transistoren

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1 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 I /I F R0 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 am Messplatz EP4/... Bearbeiter... Name Vorname Matrikel-Nr. Bewertung... Note Unterschrift d. Betreuers Messtestat Endtestat Mitarbeiter in der Versuchsgruppe:

2 Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 2 EP4 Schaltverhalten von Dioden und Transistoren Kurzfassung der Versuchsgrundlagen 1. Begriffsbestimmung 2. Schaltverhalten von PN-Dioden 3. Schaltverhalten von Transistoren 3.1 Stationäre Zustände in Emitterschaltung 3.2 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 Reaktion 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-, Zuleitungund Wärmekapazitäten sowie Induktivitäten. Bild EP4-1 Grundstromkreis für den Schalterbetrieb von Dioden 2. Schaltverhalten von PN-Dioden Beim Umschalten einer Halbleiterdiode aus der Durchlass- in die Sperrrichtung 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 c d und r d (s. Gl.(2)), und c s (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 die Spannung U q1 groß gegen die Flussspannung U F Bild EP4-2 Zeitverlauf von Diodenspannung und Diodenstrom nach dem Umschalten von Durchlass- in Sperrrichtung

3 Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 3 der Diode ist, wird zur Zeit t < 0 der Durchlassstrom I F vorwiegend durch die Bauelemente U q1 und R 1 bestimmt. Solange die Diode in Durchlassrichtung gepolt ist, liegt also eine Stromeinspeisung I F U q1 /R 1 vor. Diesem Strom entsprechend haben sich in den Bahngebieten durch Injektion von Ladungsträgern über die Sperrzone 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 (L p im n-gebiet, L n im p-gebiet) und bei kurzen Bahngebieten (Kurzbasisdioden) durch deren Länge selbst bestimmt. Die Konzentrationserhöhungen der Minoritätsladungsträger am Rand der Sperrschicht gegenüber den Gleichgewichtskonzentrationen n 0 und p 0 wird durch die anliegende Durchlassspannung bestimmt: Bild EP4-3 Schalter-Ersatzschaltbild einer Halbleiterdiode (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 proportional der Injektionshöhe. Somit ist auch die gesamte in den Diffusionsschwänzen gespeicherte Ladung proportional dem Durchlassstrom Q d = I F. Darin ist 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 c d. Die Abhängigkeit dieser Kapazität von der Spannung am pn-übergang ist stark nichtlinear. Parallel zur Diffusionskapazität wirkt der Diffusionswiderstand r d, dieser ist ebenfalls stark nichtlinear von der Durchlassspannung abhängig. (2) Wird zum Zeitpunkt t = 0 die bis dahin in Durchlassrichtung vorgespannte Halbleiterdiode durch Umschalten des Schalters S (s. Bild EP4-1) über R 2 und U q2 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 pn- Übergang) 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: und bleibt konstant unter der Voraussetzung, dass U q2 groß gegen U ist und dass die Diode noch in Durchlassrichtung gepolt ist. (3) 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-

4 Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 4 schicht wechseln ihr Vorzeichen. Während der Speicherzeit t s (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 posit ive Spannung über der Diode erhalten, die jedoch bis t s auf Null zurück geht. Neben dem Abtransport der Ladung aus 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 c d und r d fließt, wenn man die in Durchlassrichtung gepolte Diode vom äußeren Stromkreis trennt. Unter Berücksichtigung der oben eingeführten rekombinationsabhängigen mittleren Lebensdauer ergibt sich die Differentialgleichung (4) für den Ladungsträgerabbau, deren Lösung auf die Beziehung für die Speicherzeit (5) führt, wenn man voraussetzt, dass Q d (t=t s ) = 0 gilt, d.h. die Diffusionsladung vollständig abgebaut ist: (4) (5) Tatsächlich ist jedoch auch nach Ablauf der Speicherzeit in den Bahngebieten noch eine Restladung vorhanden, deren Größe vom Gradienten am Sperrschichtrand und von der Minoritätsladungsträgerlebensdauer abhängt. Diese und die im Bild EP4-5 schraffiert dargestellte Ladungsmenge wird in der anschließenden Abfallzeit t f (fall time), während der die Diode in Sperrrichtung mit wachsender Sperrspannung gepolt ist, abtransportiert. In dieser Schaltphase ist nun aufgrund der steigenden und gegen U q2 nicht mehr zu vernachlässigeden Sperrspannung keine Konstantstro meinspeisung mehr gegeben. 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 schließlich der endgültige Konzentrationsverlauf des Extraktionsfalles (Sperrrichtung) einstellt. Der durch die Gleichgewichtskonzentration der Minoritätsträger und die Diffusionsbzw. Bahnlänge bestimmte kleine Konzentrationsgradient bei x n bestimmt den Sperrstrom. Unter Vernachlässigung der Generation in der Sperrschicht bei großen Sperrspannungen nähert sich dieser dem Sättigungsstrom I S an. Bei den bisherigen 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 der anliegenden Spannung ist. In den Halbleiterbahngebieten (außerhalb der Sperrschicht) wird die Raumladung der im Halbleiterkristall ortsfest eingebauten und bei Zimmertemperatur nahezu vollständig ionisierten Störstellen (N A - im p-gebiet bzw. N D + im n-gebiet) durch die Ladung der frei beweglichen Ladungsträger (p (+) bzw. n (-) ) ausgeglichen, so dass diese Gebiete elektrisch nahezu neutral sind. In der Sperrschicht kommt es jedoch infolge des Konzentrationsgefälles zu einem diffusionsgetriebenen Austausch der beweglichen Ladungsträger (Elekt ronen diffundieren in das p-gebiet, Löcher in das n-gebiet). Die ab diffundierten beweglichen Ladungsträger hinterlassen die weiterhin geladenen Störstellen, welche dann eine Raumladung bilden. Diese Raumladung und die von außen angelegte Spannung bilden ein elektrisches Feld aus, das der o.g. Diffusion entgegenwirkt.

5 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 äußeren 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 c S (6) Zur Berechnung der Sperrschichtkapazität kann näherungsweise davon ausgegangen werden, dass die Sperrschicht frei von beweglichen Ladungsträgern ist 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 noch die Sperrschichtkapazität c s wirksam ist. Aufgrund des sehr kleinen Sperrstromes ist auch die Abschaltung des Diffusionswiderstandes gerecht fertigt. Demnach wird auch die Abfallzeit t f (bei U < 0 V) maßgeblich durch die Umladung der Sperrschichtkapazität bestimmt. Bild EP4-6 Spannungsabhängigkeit der Sperrschichtbreite (schematisch) In dieser Zeit nimmt der Maschenstrom infolge der gegen U q2 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 (I R0 ) bis zum Erreichen der 10%-Marke definiert. Die Gesamtzeit vom Umschaltaugenblick bis zu dieser 10%- Marke wird als Sperrerholzeit t rr (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 Strom 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 U BE und Steuerstrom I B wesentlich kleiner als die zu schaltenden Ausgangsgrößen (I C, U CE ). Bild EP4-7 Schalterstromkreis für Bipolartransistoren

6 Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S Stationäre Zustände in Emitterschaltung Der Transistor ist kein idealer Schalter, weil der 'EIN'- bzw. der 'AUS'-Arbeitspunkt nicht auf der I C - bzw. U CE -Achse im Ausgangskennlinienfeld liegt (s. Bild 8). Im ausgeschalteten Zustand fließt noch ein (kleiner) Kollektorreststrom, dessen Größe von der Eingangsbeschaltung bestimmt wird. Dabei gilt I CEmin < I CB0 < I CER < I CE0 mit: I CE0 Kollektor-Emitter-Reststrom für I B = 0, I CB0 Kollektor-Basis-Reststrom für I E = 0, I CER Kollektor-Emitter-Reststrom für einen bestimmten Widerstand z.b. R BE = 10 k, I CEmin Kollektor-Emitter-Reststrom für U BE < 0 V (npn) bzw. U BE > 0 V (pnp). Im eingeschalteten Zustand fällt über der Kollektor-Emitter-(Schalter-)Strecke eine Restspannung ab, die von der Größe des Basisstromes und vom Lastwiderstand abhängt. Bei hinreichend großem Basisstrom I B stellt sich am Schalttransistor die minimal erreichbare Kollektor-Emitter-Restspannung U CErest ein. Diese Restspannung ist abhängig vom fließenden Kollektorstrom (Kollektorrestspannungsgerade), da an den inneren Widerständen (Halbleiterbahnwiderstände) stromabhängige Spannungsabfälle auft ret en. Im Sättigungsbereich des Transistors (schraffierter Bereich in Bild EP4-8) stellt sich am Kollektor-Basis-pn-Übergang Durchlassrichtung ein, damit ist der Transistor übersteuert. Diejenige Spannung U CE, bei welcher der Übergang vom ungesättigten in den gesättigten Zustand erfolgt (U C'B' = 0), heißt Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung U CEsat. 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 quasistatischen (langsamen) Übergang vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand (bzw. umgekehrt) dargestellt. Bild EP4-9 Elektronenkonzentration in der Basis eines npn- Transistors 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 Bild EP4-8 Ausgangskennlinienfeld mit Arbeitsgerade für den Transistorschalter die inneren Transistorspannungen U E'B' bzw. U C'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-basis- Sperrschicht ist Bestandteil des Emitterstromes, am Rand der Kollektor-Basis-Sperrschicht des Kollektorstromes. Im ausgeschalteten Zustand (I B = 0) ist die Kollektor- Basisdiode 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) Konzentrationsgradient einstellen, so dass die Randkonzentration am Emitterrand größer ist als am Kollektorrand.

7 Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 7 Bild EP4-10 Schalter-Ersatzschaltbild für den Bipolartransistor Wird nun ein Basisstrom eingespeist (Erhöhung von U BE!), 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 (R bc und R 2 ) 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 Kollektorstromerhöhung wird der Spannungsabfall über den Kollektorwiderständen so groß, dass die Spannung über der inneren Kollektor- Basisdiode U C'B' Null wird (Übersteuerungsgrenze, I B = I BÜ, I C = I CÜ ).Die Konzentration am Kollektrand ist an der Übersteuerungsgrenze gleich der Gleichgewichtskonzentration. Geht man davon aus, dass die Kollektor-Emitter-Restspannung U CErest (s. o.) vernachlässigbar klein gegen die Betriebsspannung Uq 2 ist, so wird der Kollektorstrom bei Übersteuerung nur noch durch die Kollektormasche mit R 2 und Uq 2 bestimmt. Der Kollektorstrom 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 Q BS 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.

8 Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S 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 (r de bzw. r dc ) und Diffusionskapazität (C de bzw. C dc ) sowie Sperrschichtkapazität (C se bzw. C sc ) 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 A N und A I sind dabei die Gleichstromverstärkung in Basisschaltung für den Normal- bzw. Inversbetrieb des Transistors. Außer diesem Modell der verkoppelten pn-übergänge sind in Bild EP4-10 noch die für den Schalterbetrieb bedeutsamen inneren Widerstände (Bahn-, Zuleitungs- und Kontaktwiderstände) R EE', R BB' und R CC' enthalten. Zur Beurteilung des dynamischen Schaltverhaltens wird der zeitliche Verlauf des Kollektorstromes nach einer sprunghaften Umschaltung der Steuerspannung entsprechend BildEP4-7 analysiert. Bild EP4-11 Kollektorstromverlauf bei einem eingeprägten Basisstromimpuls Das Bild EP4-11 zeigt den zeitlichen Verlauf von Basis- und Kollektorstrom beim übersteuerten Transistorschalter. Einschalten aus dem Sperrbereich: 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 S E und S C in Stellung 2, es sind also die Sperrschichtkapazitäten wirksam. Die Einschaltzeit t e bzw. t on wird gemessen vom Augenblick des Umschalten der Steuerspannung (Uq 11 auf Uq 12 ) bis zum Erreichen des 0.9-fachen Endwertes des Kollektorstromes. Die Einschaltzeit t e setzt sich zusammen aus der Verzögerungszeit t d (delay time) und der Anstiegszeit t r (rise time). Es gilt t e = t d + t r. Während der Verzögerungszeit t d werden zunächst die Sperrschichtkapazitäten des Emitter-Basis-Überganges C se umgeladen bzw. des Kollektor-Basis-Überanges C sc teilentladen. Die Entladung der Kollektor- Basis-Sperrschichtkapazität verursacht den negativen Kollektorstrom unmittelbar nach dem Umschalten. Nach der vollständigen Entladung der Emitter-Basis- Sperrschichtkapazität (U B'E' = 0 V) schaltet S E um. In der sich anschließenden Anstiegszeit t r beginnt der Basisstrom, die Emitter-Basis-Diffusionskapazität C de aufzuladen. Außerdem fließt ein Teil des Basisstromes über den (wiederum stark nichtlinearen) Emitter-Basis- Diffusionswiderstand r de, so dass die davon gesteuerte Quelle A N I E Strom zu liefern und damit der Kollektorstrom zu steigen beginnt.

9 Versu chsan leitung EP 4 Aus gabe 2008 S. 9 Für die inneren elektronischen Vorgänge ist die Aufladung der Emitter- Basis- Diffusionskapazität äquivalent zu dem in Abschnitt 3.1 dargestellten Aufbau der Minoritätsladung Q B in der Basis. Der während der Anstiegszeit wachsende Kollektorstrom führt zu einem Abfallen der Kollektor-Emitter- Spannung und damit einer weiteren Entladung der Kollektor-Basis-Sperrschichtkapazität. Die Anstiegszeit wird demnach im wesentlichen durch die Emitter- Basis-Diffusionskapazität und die Kollektor-Basis- Sperrschichtkapazität bzw. durch den fließenden Basisstrom bestimmt. Eine Abschätzung der Anstiegszeit ist nach Gl.(7) möglich, wobei nb die Minoritätsladungsträgerlebensdauer in der Basis und m der Übersteuerungsfaktor ist. (7) Wird nun davon ausgegangen, dass der unter Vernachlässigung der Emitter-Basis-Spannung durch Uq 12 und R 1 bestimmte Basisstrom größer als der zur Übersteuerung notwendige Basisstrom I BÜ ist, so geht der Transistor nach Ablauf der Anstiegszeit in die Sättigung. An der Sättigungsgrenze wird die innere Kollektor-Basis-Spannung U C'B' Null und der Schalter S C schaltet um in Position 1. Damit beginnt nun die Aufladung der Kollektor-Basis- Diffusionskapazität C dc. Da jetzt der durchlassgepolte Kollektor-Basis-Übergang leitfähig ist (r dc wird kleiner!), fließt nunmehr ein Teil des Basisstromes auch in den Kollektor ab. Der Kollektorstromverlauf knickt folglich vom normalen "Auflade"-Verlauf ab und steigt aufgrund der Strombegrenzung durch die Kollektormasche kaum noch an. In der Basis baut sich nach Überschreiten der Sättigungsgrenze die Speicherladung Q BS auf, was mit der Aufladung der Diffusionskapazität en C dc 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 I BÜ. Die Kollektor-Basis- und die Emitter-Basis-Sperrschicht sind also jeweils in Durchlassrichtung gepolt. Im Ersatzschaltbild stehen S E und S C in Stellung 1, die Diffusionskapazitäten C de und C dc sind aufgeladen. Die Ausschaltzeit t a bzw. t off setzt sich zusammen aus der Speicherzeit t s und der Abfallzeit t f. Es gilt: t a = t s + t f. Während der Speicherzeit t s, unmittelbar nach dem Umschalten der Steuerspannung, bleibt die Emitter-Basis-Spannung positiv, da sowohl C de als auch C dc aufgeladen sind. Folglich wird ein negativer Basisstrom fließen. Dieser und die durch die jeweils parallel liegenden Diffusionswiderstände r de und r dc fließenden Ströme entladen C de und C dc. In Analogie zur Diode ist der über r de und r dc fließende Strom als Rekombinationsstrom interpretierbar. Insgesamt vollzieht sich in der Basisschicht während der Speicherzeit der Abbau der Speicherladung Q BS. Solange die Kollekt or-basis- Sperrschicht durchlassgepolt, C dc 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 Übersteuerung einerseits und von der Höhe des Basis- Abschaltstromes andererseits, so dass sich für die Abschätzung der Speicherzeit mit dem Ausschaltfaktor k der folgende Ausdruck ergibt: (8) Ist die Kollektor-Basis-Diffusionskapazität C dc vollständig entladen (U C'B' = 0V), so beginnt die Abfallzeit t f, während der Kollektorstrom zurückgeht. Im Ersatzschaltbild schaltet S C um in Position 2. Zwischen Kollektor und Basis wirkt jetzt nur noch die Sperrschichtkapazität C sc. Der weiterhin fließende (negative) Basisstrom trägt jetzt zur Entladung der noch nicht vollständig entladenen Emitter-Basis-Diffusionskapazität C de und zur Aufladung der Kollektor-Basis-Sperrschichtkapazität C sc bei. In der Basisschicht vollzieht sich jetzt der vollständige Abbau der Basisladung Q BÜ sowie die Verbreiterung der Kollektor-Basis-Sperrschicht (C sc!). Weil jetzt I E ' infolge der fallenden inneren Emitter-Basis Spannung U B'E' zurückgeht,

10 Versuchsanleitung EP4 Ausgabe 2008 S. 10 wird der durch die Quelle A N I E ' getriebene und damit auch der äußere Kollektorstrom I C kleiner. Die Abfallzeit ist wiederum abhängig vom fließenden Basisstrom (bzw. dem Ausschaltfaktor), und es gilt näherungsweise die Gleichung 9: (9) Nach Beendigung der Abfallzeit ist auch die Emitter- Basis-Diffusionskapazität entladen (U B'E' = 0V). S E schaltet ebenfalls um in Position 2. Der noch fließende negative Basisstrom lädt jetzt bis zum Erreichen des stationären Ausschaltzustandes nur noch C se und C sc auf, was aufgrund der gegen die Diffusionskapazitäten kleinen Sperrschichtkapazitäten sehr schnell erfolgt. Da I E ' nach Umschalten von S E Null wird, kann laut Ersatzschaltung nur noch der Ladestrom von C sc als Kollektorstrom fließen. Tatsächlich fließ t natürlich ein im Modell nicht berücksichtigter Kollektorreststrom auch nach vollständiger Beendigung des Abschaltvorganges. Die beschriebenen Schaltzeiten werden, der messtechnischen Eindeutigkeit wegen, entsprechend Bild EP4-11 wiederum zwischen der 10%- und der 90%- Marke des Einschaltstromes I Cmax definiert. Zur Selbstkontrolle des vorausgesetzten Wissens 1. Was sind Diffusionsschwänze und wie kommen sie zustande? 2. Wodurch werden die Kapazitäten eines pn- Überganges 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?

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