# Untersuchung von verschiedenen Stromversorgungsschaltungen bezüglich ihrer Stabilisierungswirkung bei Erhöhung der Betriebstemperatur

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1 Elektronikpraktikum Versuch EP2 Bipolartransistoren Institut für Mikro- und Nanoelektronik Die Versuchsanleitung umfasst 7 Seiten und 2 Anlagen Kirchhoff-Bau K1084 Stand 2015 Versuchsziele: Vertrautwerden mit der Wirkungsweise des Bipolartransistors, seinen I-U-Kennlinien und der Arbeitspunkteinstellung Vertiefung der Kenntnisse über die inneren Ladungsträgerströme Schwerpunkte bei der Versuchsdurchführung: # Messung des Ausgangskennlinienfeldes, des Eingangskennlinienfeldes und des Übertragungskennlinienfeldes in Emitterschaltung im Normalbetrieb und im Inversbetrieb # Messung des Temperatureinflusses auf die Kennlinienfelder # Untersuchung von verschiedenen Stromversorgungsschaltungen bezüglich ihrer Stabilisierungswirkung bei Erhöhung der Betriebstemperatur Durchführung des Versuches am Messplatz EP2/... Bearbeiter... Name Vorname Matrikel-Nr. Bewertung... Note Unterschrift d. Betreuers Messtestat Endtestat Mitarbeiter in der Versuchsgruppe:

2 Versuchsanleitung EP2 Ausgabe 2010 S. 2 EP2 Bipolartransistoren Kurzfassung der Versuchsgrundlagen 1. Wirkprinzip und statische Kennlinien von Bipolartransistoren 1.1 Basisschaltung 1.2 Emitterschaltung 2. Arbeitspunkteinstellung 3. Temperaturabhängigkeit 1. Wirkprinzip und statische Kennlinien von Bipolartransistoren Der Bipolartransistor ist ein Halbleiterbauelement, das aus zwei elektronisch verkoppelten pn-übergängen in einer Schichtenfolge npn oder pnp und drei ohmschen Kontakten besteht. Das gemeinsame Gebiet wird als Basis bezeichnet. Die Basisweite W ist von entscheidender Bedeutung für das Funktionieren des Bipolartransistors. Sie muss viel kleiner sein als die Diffusionslänge L der Minoritätsträger in der Basis. Um die in Bild EP2-1 dargestellten Strukturen als diskrete Bauelemente oder als Elementarstrukturen in integrierten Schaltkreisen erzeugen zu können, sind die Prozesse der Halbleitertechnologie in geeigneter Weise zu kombinieren. Wegen des erforderlichen Schutzes gegen unerwünschte äußere Einflüsse bzw. zur Isolierung der Elementarstrukturen untereinander zeigen die Querschnitte durch reale Bauelemente eine wesentlich kompliziertere Architektur und Topologie. Im Bild EP2-2 ist schematisch ein Schnitt durch einen integrierbaren lateralen npn-transistor dargestellt. Alle Anschlüsse sind zur Chipoberseite geführt. Die für die Transistorfunktion notwendige + Schichtenfolge n pn befindet sich in einer Epitaxie- Bild EP2-1 Prinzipieller Aufbau und Schaltungssymbole von Bipolartransistoren (E Emitter, B Basis, C Kollektor) schicht, die inselförmig innerhalb dicker SiO2-Wälle - auf einer niedrig dotierten p -Si-Scheibe abgeschieden wurde. Die beiden pn-übergänge entstehen durch Umdotierung der ursprünglich n-leitenden Epitaxieschicht. Das Bild EP2-3 zeigt die Konzentrationsverläufe der Akzeptoren N A und der Donatoren N. D Bild EP2-2 Schnitt durch einen npn-transistor mit Oxidisolation Bild EP2-3 Dotierungsprofil in der Epitaxieschicht des Transistors in Bild EP2-2 Dotierungsprofil des Prozessschrittes resultierender Dotierungsverlauf

3 Versuchsanleitung EP2 Ausgabe 2010 S. 3 Vor der Epitaxie wurden an der Waferoberfläche selektiv, durch Fenster in einer Maskierschicht, die + hochdotierten Gebiete (n ) zur Verringerung des + Kollektorbahnwiderstandes und (p ) zur Vermeidung von Inversionskanälen eingebracht. Der dabei + - entstehende n p -Übergang ist beim Betrieb des Bauelements in Sperrpolung und dient dadurch zur Isolation der einzelnen Transistoren im Schaltkreis. Auf der Chipoberfläche erfüllen die lokalen SiO2-Schichten diese Funktion. Die Kontakte und Leiterbahnen werden aus Aluminium, hochdotiertem polykristallinem Silizium, Siliziden, hochschmelzenden Metallen oder deren Kombinationen hergestellt. Je nach Polung der beiden pn-übergänge in Flussoder Sperrrichtung unterscheidet man vier Arbeitsbereiche, wobei der für die Praxis wichtigste der normal aktive Bereich ist. Die Zuordnung der Betriebszustände der pn-übergänge zu den Arbeitsbereichen ist der Tabelle EP2-1 zu entnehmen. Arbeitsbereich EB-Übergang CB-Übergang Aktiver Bereich normal Aktiver Bereich invers Flussrichtung Sperrrichtung Sperrrichtung Flussrichtung Sperrbereich Sperrrichtung Sperrrichtung Sättigungsbereich Flussrichtung Flussrichtung Tabelle EP2-1 Betriebszustände der pn-übergänge für die Arbeitsbereiche von Bipolartransistoren Anhand eines npn-transistors im normalen aktiven Betrieb sollen einige wichtige Vorgänge im Bauelement erläutert werden (s. Bild EP2-3). Der in Durchlassrichtung gepolte Emitter-Basispn-Übergang injiziert beidseitig Minoritätsladungsträger in die entsprechenden Gebiete, d.h. Elektronen vom Emitter in die Basis (Stromanteil I En) und Löcher von der Basis in den Emitter (Stromanteil I Ep). Durch geeignete Dotierungsverhältnisse kann erreicht werden, dass der Anteil I En, in gewünschter Weise groß gegen I Ep wird (hoher Emitterwirkungsgrad). Daraus ergibt sich die Forderung, dass der Emitter eine wesentlich höhere Dotierung als die Basis besitzen muss. Dazu kommt ein Anteil I Erg infolge von Rekombination (Generation) in der Raumladungszone. Bild EP2-4 Stromfluss in einem npn-transistor im stationären aktiven Zustand Die in die Basis injizierten Elektronen gelangen auf Grund des sich einstellenden Konzentrationsgefälles durch Diffusion in die Kollektor-Basis-Sperrschicht. Hier werden sie durch das vorhandene elektrische Feld sehr schnell zum Kollektorbahngebiet transportiert, von wo sie weiter zum Kollektor fließen. Ebenfalls infolge von Generation (Rekombination) gibt es einen Anteil I Crg von der Kollektor-Basis- Sperrschicht. Die Elektronenkonzentration am kollektorseitigen Basisrand ist sehr gering, während sie zur Emitterseite hin wegen der anliegenden Durchlassspannung sehr hoch sein kann. Die Konzentration der Elektronen in der Basis liegt über dem Gleichgewichtswert der Minoritätsladungsträgerkonzentration, so dass ein Teil von ihnen mit den vorhandenen Löchern rekombiniert und den Anteil I Br bildet. Da dieser Stromanteil den Elektronenstrom vom Emitter in den Kollektor verringert und den Basisstrom erhöht, wird er durch eine kleine Basisbreite (W 1 m) möglichst klein gehalten. Wenn man die Stromrichtungen so festgelegt, dass I Ep, I En und I Erg die gleiche Richtung wie I E, ICrg wie I C und I Br wie I B besitzen, ergeben sich daraus folgende Beziehungen: (1) Für den Zusammenhang zwischen Kollektor- und Emitterstrom kann man schreiben: (2)

4 Versuchsanleitung EP2 Ausgabe 2010 S. 4 A N ist die Gleichstromverstärkung in Basisschaltung, die im allgemeinen kleiner als eins ist Die Strom-Spannungsabhängigkeit der Dioden ist gegeben durch die Gleichungen (4) und (5) (3) (4) Die Größe des Kollektorstromes hängt in nur geringem Maße von der Spannung U C'B' ( >0 ) ab. Bereits Sperrspannungen in der Größenordnung einiger U T (Temperaturspannung, bei 20 C ca. 26 mv) reichen aus, um den am kollektorseitigen Basisrand ankommenden Elektronenstrom nahezu vollständig zum Kollektor zu transportieren. In der Gleichung (2) kommt dieser Sachverhalt zum Ausdruck. Ein Spannungsabfall am Kollektorwiderstand (R2 in Bild EP2-8) bleibt also nahezu ohne Einfluss auf den Kollektorstrom I C. Demgegenüber kann der Emitterstrom durch kleine Änderungen von U E'B' stark geändert werden. Daraus resultiert die hohe Spannungsverstärkung eines Bipolartransistors in Basis- und Emitterschaltung. Bild EP2-5 Gleichstromersatzschaltbild eines npn-transistors für das Ebers-Moll-Modell Das einfachste Modell zur Beschreibung des Gleichstromverhaltens eines idealen Bipolartransistors, d.h. die Einflüsse der Bahnwiderstände und des Early-Effektes (s. u.) werden vernachlässigt, ist das Ebers-Moll-Modell (Bild EP2-5). In diesem Modell wird der Transistor durch zwei ideale Dioden und zwei zu den Dioden parallel geschaltete Stromquellen ersetzt. (5) Darin sind I Es, I Cs die Sättigungsströme der Dioden und U E'B', U C'B' die über den pn-übergängen abfallenden Spannungen. Die äußeren Ströme durch den Transistor sind mit den normalen bzw. inversen Stromverstärkungsfaktoren A N bzw. A I gegeben durch: (6) Durch Einsetzen von (4) bzw. (5) erhält man die Ausdrücke (7), die eine umfassende Beschreibung des Gleichstromverhaltens des Transistors ermöglichen. Der über den Emitter-Basis-Übergang fliessende Strom I E besteht aus zwei Komponenten. Der erste Summand beschreibt den Diodenstrom, der vom Emitter in die Basis injiziert wird. Der zweite Summand wird durch die vom Kollektor in die Basis injizierten Ladungsträger hervorgerufen. In der Gleichung des Kollektorstromes I C beschreibt der erste Summand den Anteil, der durch die über den Emitter-Basis-Übergang injizierten Ladungsträger hervorgerufen wird; der zweite Summand ist der Teil des Kollektorstromes, der durch den Ladungsträgerfluss vom Kollektor in Richtung des Emitters hervorgerufen wird. Die mit Hilfe von (7) berechneten theoretischen Kennlinien stimmen nur bei kleinen Spannungen und Strömen mit den Kennlinien realer Transistoren überein, dies ist durch die im Ebers-Moll-Modell getroffenen Vereinfachungen bedingt. (7) Eine bessere Beschreibung des Transistorverhaltens wird durch die Berücksichtigung der Bahnwider-

5 Versuchsanleitung EP2 Ausgabe 2010 S. 5 stände der Basis- und der Kollektorgebiete im statischen Fall sowie der Kapazitäten der pn-übergänge im dynamischen Fall erreicht. Dieser Umstand wird im Ersatzschaltbild durch in Reihe geschaltete Widerstände und parallel zu den pn-übergängen geschaltete Kapazitäten berücksichtigt. Die Existenz der Bahnwiderstände führt dazu, dass die an den Transistoranschlüssen gemessenen Spannungen verschieden von den über den pn-übergängen sind. Der Early-Effekt ist die Veränderung der Basisweite durch eine Änderung der Breite der Raumladungszone des Kollektorüberganges bei einer Variation von U C'B'. Er führt bei konstantem Basisstrom im Ausgangskennlinienfeld bei Erhöhung von U C'B' zum Anwachsen von I C. Der Einfluss des Early-Effekts kann durch eine zu den Emitter- und Kollektorübergängen parallel geschaltete Stromquelle berücksichtigt werden. Aufgrund der Dreipoligkeit des Transistors kann man ihn in drei Verstärkergrundschaltungen (Basis-, Emitter- und Kollektorschaltung) betreiben Basisschaltung Bei -U E'B' und U C'B' >> U T (bei T = 20 C ist U T ca. 26 mv) weist der npn-transistor Verstärkereigenschaften auf. Damit folgt aus (7): Bild EP2-6 Schematische Darstellung des Eingangs- und des Ausgangskennlinienfeldes eines npn-transistors in Basisschaltung 1.2. Emitterschaltung Bei Verwendung des Emitters als gemeinsame Elektrode für Eingangs- und Ausgangskreis sind die Verstärkereigenschaften (Eingangswiderstand und Leistungsverstärkung) günstiger. Die schematische Darstellung der Kennlinienfelder zeigt Bild EP2-7. (8) Der Term I CS (1 - A N A I) ist der bei offenem Emitter fließende Kollektorreststrom I CBO und für den Kollektorstrom kann auch geschrieben werden: (9) Im allgemeinen sind in den Transistorkatalogen nur die Beziehungen U 1 = f(i 1) mit U 2 als Parameter (Eingangskennlinienfeld) und I 2 = f(u 2) mit I 1 als Parameter (Ausgangskennlinienfeld) angegeben. Diese genügen zur Ermittlung des Gleichstromarbeitspunktes. Im Bild EP2-6 wird eine schematische Darstellung solcher Kennlinienfelder für die Basisschaltung eines npn-transistors mit U 1 = -U E'B', I 1 = -I E und U 2 = U C'B' sowie I 2 = I C entsprechend den Gleichungen (7) gezeigt. Bild EP2-7 Schematische Darstellung des Eingangs- und des Ausgangskennlinienfeldes eines npn-transistors in Emitterschaltung Die Kennliniengleichungen für die Emitterschaltung U EB = f(i B, U CE) und I C = f(i B, U CE) sind aus den Gleichungen (7) bzw. (8) entnehmbar, wenn man die Beziehungen zwischen Strömen und Spannungen in den beiden Grundschaltungen beachtet: (10) C'E' B'E' T Für den Hauptarbeitsbereich gilt U - U >> U. Damit ergibt sich für den Kollektorstrom in Emitterschaltung zunächst die Beziehung (11)

6 Durch Einsetzen von I CBO erhält man daraus: (11) (12) Versuchsanleitung EP2 Ausgabe 2010 S. 6 Die Arbeitspunkte, die wegen der nichtlinearen Strom-Spannungsbeziehungen des Transistors auf grafischem Wege als Schnittpunkte der Arbeitsgeraden, mit den UI-Kennlinien des Transistors ermittelt werden, sind so zu wählen, dass sich die gewünschten Betriebskenngrößen des Verstärkers ergeben, keine unzulässig hohen Verzerrungen entstehen und der Transistor nicht überlastet wird. B N ist die Stromverstärkung in Emitterschaltung und I CEO der Kollektorreststrom bei offenem Basisanschluss. 2. Arbeitspunkteinstellung Zum Aufbau von Verstärkerschaltungen ist es notwendig, den Emitter-Basis-Übergang in Durchlassrichtung vorzuspannen und an den Kollektor-Basis- Übergang eine Sperrspannung anzulegen. Um mit einer Spannungsquelle für die Einstellung des Arbeitspunktes sowohl im Eingangskreis als auch im Ausgangskreis auszukommen, haben sich die in Bild EP2-8 dargestellten drei Stromversorgungsschaltungen eingebürgert. Die gewählte Art der Ein- bzw. Auskoppelung der Signale gilt für die Emitterschaltung. Soll eine Basis- oder Kollektorschaltung realisiert werden, können die Schaltungen in Bild EP2-8 gleichspannungsmäßig ebenfalls verwendet werden. Wechselspannungsmäßig sind Sie allerdings hinsichtlich der, der jeweiligen Schaltungsart zugeordneten Bezugselektrode, abzuändern. Bild EP2-8 Stromversorgungsschaltungen für npn-transistoren am Beispiel der Emitterschaltung 3. Temperaturabhängigkeit Bei Temperaturänderungen verschiebt sich der Arbeitspunkt, da die Sättigungsströme I ES und I CS exponentiell von der Temperatur abhängen. Im Vergleich dazu sind die temperaturabhängigen Änderungen von A N und A I gering, aber die Änderungen von B und B beträchtlich. Für I und I gilt: N I CEO CBO (13) -1 c B = (0,05...0,08) K im Falle von Silizium und -1 c B = ( ,1) K im Falle von Germaniumtransistoren. Mit steigender Temperatur verschiebt sich das Ausgangskennlinienfeld um die Reststromerhöhung nach oben. Eingangsseitig ist zur Konstanthaltung des Basisstromes bei Temperaturanstieg die Basis-Emitter- Spannung um den Betrag U zu verringern. BE -1 Typische Werte sind c E = (0,08...0,12) K und Für die Zunahme der Basis-Emitter-Spannung gilt:

7 Versuchsanleitung EP2 Ausgabe 2006 S. 7 (14) Als Gütekriterium wird hier ein Stabilisierungsfaktor definiert: wobei I B konstant ist. Der Temperaturdurchgriff beträgt für Germanium- und Siliziumtransistoren c U = ( ) mv/k. Mit steigender Temperatur verschiebt sich die Eingangskennlinie zu betragsmäßig kleineren Spannungen. Die Stromverstärkung B N kann bei einer Temperaturerhöhung von 20 C auf 100 C auf das 1,5-fache ansteigen. Die Stromversorgungsschaltungen nach Bild EP2-8 ergeben unterschiedliche Stabilisierungswirkungen für den Kollektorstrom. (15) Der Ausdruck I C im Zähler ist die Änderung des Kollektorstromes ohne Temperaturstabilisierung bei Speisung von Ein- und Ausgang direkt aus der Batterie ohne Innenwiderstand. Der Ausdruck I Cstab im Nenner ist die Änderung des Kollektorstromes mit Temperaturstabilisierung und lässt sich grundsätzlich immer durch grafische Verfahren mit Hilfe der Kennlinien ermitteln. Zur Selbstkontrolle des vorausgesetzten Wissens 1. Skizzieren Sie einen Silizium-Planartransistor und erläutern Sie die wesentlichen Verfahrensschritte zu seiner Herstellung. 2. Erläutern Sie die Ladungsträgerflüsse in einem npn-transistor, der im aktiven Bereich betrieben wird. Zeichnen Sie die Ladungsträgerverteilungen in Emitter, Basis und Kollektor auf. 3. Leiten Sie das Grundgleichungssystem für die statischen IU-Beziehungen eines idealen npn- Transistors her und erklären Sie diese. 4. Zeichnen Sie das Ausgangskennlinienfeld mit Verlustleistungshyperbel für einen npn-transistor in Emitterschaltung auf und markieren Sie das Gebiet, in dem sich der Arbeitspunkt bei Verstärkerbetrieb befinden darf. 5. Geben Sie für einen solchen Arbeitspunkt Stromversorgungsschaltungen an. 6. Wie sehen die entsprechenden Schaltungen für die Basis- bzw. die Kollektorschaltung aus? 7. Dimensionieren Sie eine dieser Schaltungen. 8. Erläutern Sie den Einfluss von Temperaturänderungen auf das Eingangskennlinienfeld und das Ausgangskennlinienfeld. 9. Welche Möglichkeiten der Temperaturstabilisierung sind Ihnen bekannt? Erläutern Sie diese. 10. Wie wirken sich die Bahnwiderstände und der Early-Effekt auf die Kennlinienfelder im Vergleich zum idealen Transistor aus?

8 Anlage 2 SVS / EP2 / Leistungstransistor Leistungstransistor BD 239 (npn-typ) Messung Arbeitspunkt bei niedriger Temperatur U q =. V T 1 =.. C U CE = V U CE = V U CE = V B N = Näherungsweise Berechnung des Basisstrom Hinweis: Für die Basis-Emitter-Spannung kann ein Wert von U BE = 0.6 V angenommen werden. Für die 2. Schaltung benötigen Sie die Stromverstärkung B N. Diesen Wert können Sie aus dem zumessenden Übertragungskennlinienfeld ermitteln. U BB U q = I B R 1 + U BB U q B N I B (R 2 + R 4 ) + U CC U CC = I B R 1 + T 1 =.. C I B = µa I B = µa I B = µa Messung Arbeitspunkt bei hoher Temperatur T 2 =.. C U CE = V U CE = V U CE = V Bestimmung der Ströme aus dem Kennlinienfeld T 1 =.. C I B = µa I B = µa I B = µa T 1 =.. C I c = ma I C = ma I C = ma T 2 =.. C I B = µa I B = µa I B = µa T 2 =.. C I c = ma I C = ma I C = ma ΔI c = ma ΔI C = ma ΔI C = ma

9 Anlage 1 SVS / EP2 / Kleinsignaltransistor Kleinsignaltransistor 639 (npn-typ) Messung Arbeitspunkt bei niedriger Temperatur U q =. V T 1 =.. C U CE = V U CE = V U CE = V B N = Näherungsweise Berechnung des Basisstroms Hinweis: Für die Basis-Emitter-Spannung kann ein Wert von U BE = 0.6 V angenommen werden. Für die 2. Schaltung benötigen Sie die Stromverstärkung B N. Diesen Wert können Sie aus dem zumessenden Übertragungskennlinienfeld ermitteln. U q = I B R 1 + U BB U q B N I B (R 2 + R 4 ) + U CC U CC = I B R 1 + U BB T 1 =.. C I B = µa I B = µa I B = µa Messung Arbeitspunkt bei hoher Temperatur T 2 =.. C U CE = V U CE = V U CE = V Bestimmung der Ströme aus dem Kennlinienfeld T 1 =.. C I B = µa I B = µa I B = µa T 1 =.. C I c = ma I C = ma I C = ma T 2 =.. C I B = µa I B = µa I B = µa T 2 =.. C I c = ma I C = ma I C = ma ΔI c = ma ΔI C = ma ΔI C = ma