Universität POsnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 1 Fachbereich Physik. Bi - Polar - Transistoren

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1 Universität POsnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 1 Fachbereich Physik Bi Polar Transistoren 3.Aktive Bauelemente Das Zeitalter der Halbleiterelektronik begann 1948 mit der Fertigstellung des ersten Spitzentransistors in den Bell Laboratories durch John Bardeen,Walter Brattain und William Shockley erhielten sie dafür den Nobelpreis. (John Bardeen erhielt 1972 einen zweiten Nobelpreis für die Entwicklung der BCS Theorie der Supraleitung mit Cooper und Schriefer zusammen.) A J H * = I EI F * * * EJA H F 6 H= I EI J H ) K B> = K. K JE 5? D = JI O > F * * * F F F 6 H= I EI J H ) K B> = K. K JE 5? D = JI O > 3.1 Der FlächenTransistor Ein Transistor besteht aus zwei HalbleiterDiodenstrecken mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung, deren Sperrschichten jedoch sehr nahe beieinander liegen. Die gemeinsame Elektrode heißt Basis, die beiden äußeren Gebiete Kollektor bzw. Emitter. Sowohl die DotierungsReihenfolge npn (meist bei Silizium als Grundmaterial) als auch die Folge pnp (meist bei Germanium) wird bei handelsüblichen Transistoren angetroffen.

2 Universität POsnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 2 In beiden Fällen wird die Durchlaßrichtung der Basis EmitterDiode durch einen Pfeil gekennzeichnet. Diese Kennzeichnung identifiziert eindeutig, ob es sich um einen npn oder einen pnptransistor handelt. Bezeichnungen von Strömen und Spannungen. Ströme werden positiv gezählt, wenn sie in den Transistor hineinfließen. i C = Kollektorstrom i B = Basisstrom i E = Emitterstrom Wegen der Gültigkeit der Kontinuitätsgleichung gilt für die Summe der Ströme immer i C i B i E =0 Spannungen und ihre Zählrichtung werden in der üblichen Weise angegeben, z.b. ist u EC = ϕ E ϕ C die Potentialdifferenz zwischen Emitter und Kollektor. * = I EI I? D = JK C Transistor Grundschaltungen K E * K * Alle Potentiale sind bezogen auf das Potential der Basis. Variable sind u EB,u CB ;i E und i C. EJJA H> = I EI I? D = JK C E E * K * K Alle Potentiale sind bezogen auf das Potential des Emitters Variable sind u CE,u BE ;i B,i C A J H> = I EI I? D = JK C K * K E * E E Alle Potentiale sind bezogen auf das Potential des Kollektors Variable sind u BC,u EC ;i B,i E 3.11 Kennlinien des Flächentransistors. Das Verhalten des Transistors in den drei Grundschaltungen wird durch die Verknüpfung von vier Variablen, 2 Spannungen und 2 Strömen definiert. In den beiden Kreisen kann man jeweils eine Variable von außen vorgeben, d.h. unabhängig variieren. Die beiden anderen Größen sind dann durch die Transistoreigenschaften bestimmt.

3 Universität POsnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 3 Welche zwei der vier Größen als unabhängig und welche als abhängig angesehen werden, ist im Prinzip gleichgültig. Es ist jedoch vernünftig, bei einer in Durchlaßrichtung betriebenen Diodenstrecke den Diodenstrom als unabhängige Variable zu betrachten, da der Arbeitspunkt hier im wesentlichen durch den Durchlaßstrom bestimmt ist..(bei einer idealen Diode ist in Durchlaßrichtung überhaupt nur der Strom variierbar, die Diodenspannung ist immer Null!) Man spricht bei einer in Durchlaßrichtung betriebenen Diode daher auch von einem stromgesteuerten Element. Wird eine Diode dagegen in Sperrichtung betrieben, ist es sinngemäß vernünftiger, jetzt die Spannung als unabhängige Variable einzuführen, da hier der Arbeitspunkt wesentlich durch die Spannung an der Diode festgelegt ist (bei einer idealen Diode ist in Sperrichtung überhaupt nur die Spannung variierbar, der Sperrstrom ist immer Null!). Man bezeichnet eine in Sperrichtung betriebene Diode daher auch als ein spannungsgesteuertes Element. F 6 H= I EI J H2 K C E, K H? D = HE? D JK C Entsprechend dieser Argumente werden beim Transistor die unabhängigen Variablen gewählt. Wird die entsprechende. Diodenstrecke im Normalfall in Durchlaßrichtung betrieben, wählt man den Strom als unabhängige Variable, im anderen Fall die Spannung. Funktionsweise eines Bipolar Transistors. Um die Arbeitsweise eine Transistors zu verstehen ist es notwendig sich den Konzentrationsverlauf der Majoritätsträger in den drei Schichten zu veranschaulichen. Wirkungsweise eines npn Transistors. Zwischen Kollektor und Basis wird eine Spannung angelegt, die den pn Übergang in Sperrichtung polt.es baut sich hier eine Raumladungszone auf, in der die Konzentration der Defektelektronen und Elektronen praktisch den Wert Null erreicht. Im Kollektor Basis Kreis fließt nur der sehr kleine Sperrstrom. Die Raumladungszone zwischen Emitter und Basis läßt sich sowohl in Durchlaß wie auch in Sperrichtung betreiben. Bei Betrieb in Sperrichtung fließt kein Strom durch den Transistor, beide Raumladungszonen besitzen im Inneren der Zonen keine Majoritätsträger.

4 Universität POsnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 4 Bei Polung in Durchlaßrichtung der Basis Emitter Diode werden Elektronen von der Emitterzone in die Basiszonen getrieben, da die Basiszone niedriger dotiert ist finden nur wenige Rekombinationen statt. Die Elektronen werden durch das elektrische Feld in die Kollektorzone beschleunigt und erreichen den Kollektor. Im äußeren Stromkreis fließt ein Stom, der durch den Durchlaßstrom der Basis Emitter Diode gesteuert wird. Die Abhängigkeit der beiden anderen Größen von den als unabhängig definierten Variablen läßt sich nicht durch einen geschlossenen analytischen Ausdruck angeben. Traditionsgemäß stellt man diese Zusammenhänge graphisch in Form von Kennlinienfeldern dar. a) Kennlinien eines Transistors in Basisschaltung (npn). Variable sind u EB,u CB ;i E,i C Im Normalfall wird die Basis Kollektordiode in Sperrrichtung und die BasisEmitterdiode in Durchlaßrichtung betrieben (aktiver Bereich eines Transistors). Daher ist es vernünftig, i E und u CB als unabhängige Variable zu betrachten, die beiden anderen Größen, u EB und i C als abhängig. Der Zusammenhang i C = f(u CB,i E ); ie als Parameter wird als Ausgangskennlinienfeld bezeichnet, der Zusammenhang u EB = f(i E,u CB ); u CB als Parameter, entsprechend als Eingangskennlinienfeld. Ausgangskennlinien in Basisschaltung.

5 Universität POsnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 5 E 5 JA EC K C H * K E * K * E ) K I C = C I A E EA Ist i E =0,sofließtüber die BasisKollektorDidde nur ein schwacher Sperrstrom i CE0 ; der wie bei einer normalen Diode von den wenigen Elektronen der pschicht und den wenigen Löchern der KollektornSchicht bestimmt ist, d.h. von Minoritätsträgerströmen. Der Zusammenhang zwischen i C und u CB wird durch eine normale Diodenkennlinie im Sperrbereich beschrieben. i E 0: Schickt man jetzt einen Strom i E in Durchlaßrichtung durch die BasisEmitterDiode ( i E 0, da per Konvention die Richtung in den Transistor hinein für alle Ströme als positive Stromrichtung gezählt.wird), so besteht der über die Grenzschicht zwischen Emitter und Basis fließende Strom im wesentlichen aus Elektronen, die vom ngebiet des Emitters ins pgebiet der Basis herüberkommen. Die Basis ist so dünn, daß ein großer Teil dieser Elektronen bis zur BasisKollektorGrenzschicht diffundiert, bevor es zur Rekombination mit den Löchern der pbasis kommt. In dem an der BasisKollektorGrenzschicht herrschenden Potentialgefälle werden die Elektronen dann sofort zum Kollektor hin abgesaugt. Der durch die pbasis vom Emitter zum Kollektor wandernde Elektronenstrom ist praktisch ein reiner Diffusionsstrom, der durch das Dichtegefälle von n P zwischen Emittergrenzschicht und Kollektogrenzschicht hervorgerufen wird. An der Grenze zum Kollektor ist n P nahezu gleich Null, da alle Elektronen, die dort auftauchen, sofort den Potentialberg zum Kollektor hinunterlaufen. Zum Emitter hin wächst n P im einfachsten Fall linear an. Man bezeichnet die Fläche unter dieser Kurve auch als Diffusionsdreieck. Das Diffusionsdreieck wird weiter unten bei der Behandlung der Hochfrequenzeigenschaften eines Transistors eine Rolle spielen. Durch die vom Emitter über die Basis zum Kollektor fließenden Elektronen erhöht sich der Kollektorstrom um einen Betrag, der proportional zu i E ist: i C = i CE0 1 e e 0 u CB k T α i E (1) Der Faktor α heißt Stromverstärkung. Er hat für handelsübliche Transistoren einen Wert nahe bei 1,

6 Universität POsnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 6 0,9 α 0,997 und ist für Kollektorspannungen u CB o,5 Volt praktisch unabhängig von u CB. Die Kennlinien i C = f(u CB,i E ) sind daher in guter Näherung Diodenkennlinien, die jeweils um den Betrag α ie gegen die Kennlinie für i E = 0 verschoben sind. Bei großen Kollektorströmen ist die Steigung der Kennlinien größer als nach dem oben genannten Gesetz zu erwarten wäre. Das liegt im wesentlichen daran, daß der Strom im Material des Transistors einen ohmschen Spannungsabfall hervorruft. Die Steigung 1 r CB der Kennlinien hat die Dimension eines Leitwertes. Man bezeichnet r CB als Kollektorwiderstand, oder Innenwiderstand des Kollektors. Für Transistoren mittlerer Leistung ist r CB von der Größenordnung einige MOhm. Da α für alle npntransistoren (gilt entsprechend auch für pnp) nahe bei 1 liegt, unterscheiden sich die Ausgangskennlinienfelder verschiedener Transistoren kaum. Oft liegt der Unterschied unterhalb der zeichnerischen Genauigkeit der graphischen Darstellung der Kennlinien. Eingangskennlinien in Basisschaltung. Die BasisEmitterDiode wird im Normalfall (aktiver Bereich) in Durchlaßrichtung betrieben. Die Kennlinien u EB = f(i E,u CB );u CB als Parameter sind für Spannungen u CB o,5 Volt praktisch unabhängig von u CB, d.h. sie entarten zu einer einzigen (Dioden!)Kennlinie: Die Steigung der Kennlinie ist stark abhängig von i E wie bei einer normalen Diode auch. Der dynamische Durchlaßwiderstand r E hat im normalen Betrieb des Transistors Werte zwischen 5 Ohm und 5o Ohm bei Transistoren mittlerer Leistung.

7 UniversitätPOsnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 1 Fachbereich Physik 3.Aktive Bauelemente Bi Polar Transistoren in Planartechnik 3.2 Planartransistoren H= I EI J H D A 5 F = K C, EBBK I E I 5 F = K C A 4 = K K C I A ) C A E? D K A H. A H E EL A = K I E A HC E= C H= H= I EI J H EJ5 F = K C 2 K C E, K H? D = HE? D JK C 2 JA JE= L A H = K B A HC E= C H=

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9 UniversitätPOsnabrück Dr. Wolfgang Bodenberger Vorlesung Elektronik 3 2 = = H6 H= I EI J HA