2.3 Bipolartransistor

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1 2.3 Bipolartransistor Drei Halbleiterschichten ungleichen Leitungstyps mit einer Mittelschicht dünner als die Diffusionslänge ergibt den Bipolartransistor. Emitter ist höher dotiert höhere Majoritätsträgerdichte (n ne ). Ein Mechanismus der Elektronen in die Basis bringt steuerbarer Strom zum Kollektor Basis Emitter Spannung in Durchlassrichtung. E W L W D E n,p/cm Dr. Erich Boeck 1 + Raumladungszone W A B B Raumladungszone Emitter N -Zone Basis P-Zone Kollektor N -Zone n ne p ne p pb n pb W F + n nc p nc W D C W V C

2 E B C Elektronen in der Basis können nicht vollständig rekombinieren, weil Basis zu dünn ist. (Zur größeren Trägerinjektion ist Emitter höher dotiert.) W L W D E n,p/cm -3 n ne p ne Emitter N-Zone Basis P-Zone Kollektor N-Zone U BE Durch Elektronenbewegung Gestrichelte Kurven Übergänge ohne Injektion p pb n pb Rekombination W A B + + Löcherbewegung + Injektion von Elektronen U CB Sperr W F n nc p nc W D C W V Löcher von der Basiselektrode gehen durch Rekombination schnell in Elektronenstrom über. Kollektor Basis Spannung in Sperrrichtung (n-minoritätsträger) treibt die Elektronen weiter zum Kollektor. Der Basisstrom steuert die Größe der Injektion, auch wenn die meisten Elektronen zum Kollektor weiterfließen. Dr. Erich Boeck 2

3 I B I E I C Emitter N-Zone Basis P-Zone Kollektor N-Zone pnp Transistor: in Beschreibung Elektronen gegen Löcher tauschen und Spannungsquellen umpolen Injektion von Löchern vom Emitter in die Basis. Transistor kann auch in umgekehrte Richtung betrieben werden. Aber inverser Transistor hat sehr schlechte Kennwerte durch die geringere Dotierung des Kollektors. Die übliche Darstellung des Kennlinienfeldes zeigt in jedem Quadranten eine Zusammenstellung von jeweils zwei Variablen und einen Parameter für die Kurvenscharen. Dr. Erich Boeck 3

4 12 20 U CE /V I C /ma P max = 0,5 W 0,6 I B /ma 0,5 0, ,3 ΔI C ΔU CE ΔI C 0,25 0,2 ΔI B 20 Arbeitsgerade R C = 300 Ω 0,1 I B /ma 0,05 0,6 0,4 0, U CE /V 0,2 Verbindung der Arbeitspunkte 0,4 U CE /V 12 ΔU BE ΔI B U BE /V 0,7 ΔU CE ΔU BE I B /ma 0,1 0,25 0,5 Standard-NF-Transistor mit 0,5 W Dr. Erich Boeck 4

5 1. Quadrant: Ausgangskennlinie I C = f(u CE ) mit Parameter I B 2. Quadrant: Steuerkennlinie I C = f(i B ) mit Parameter U CE 3. Quadrant: Eingangskennlinie U BE = f(i B ) mit Parameter U CE 4. Quadrant: Rückwirkungskennlinie U BE = f(u CE ) mit Parameter I B Arbeitsgerade: durch Kollektorwiderstand R C (zwischen Kollektor und Spannungsquelle), wird U CE (entsprechend I C R C ) gegenüber der Batteriespannung verringert, bei Wahl muss maximale Verlustleistung und ein möglichst großer linearer Bereich für die Steuerung beachtet werden. (Es können U Bat und R C gewählt werden.) (P max folgt aus maximaler Wärmeabgabe des Transistors.) Arbeitspunkt: U CE = 12 V, I C = 40 ma und U B = 0,25 ma in Abbildung Dimensionierung Transistorschaltung: Wahl des Arbeitspunktes und U B, R C, Bestimmung von I B und U BE Spannungsteiler zur Erzeugung des I B, (U B ). Für Parameter der Ersatzschaltungen: Anstiege ΔI C /ΔU CE, ΔI C /ΔI B, ΔU BE /ΔI B und ΔU BE /ΔU CE Dr. Erich Boeck 5

6 Die Festlegung des Arbeitspunktes ist der erste Schritt zur Dimensionierung einer Transistorverstärkerstufe. R 1 R C R 1 R C R 1 R C R E R C U Bat U I C CE R 1 R 2 U 10 I Bat B und R 2 R R 1 2 U BE ( U U Wegen Exemplarstreuung bei Transistoren für Testbetrieb besser Einstellregler Stabilisierung gegen Verschiebung des Arbeitspunktes durch Erwärmung Kollektorwiderstand in R C und Emitterwiderstand R E aufteilen. Anstieg von I C (somit I E ) reduziert U BE um Spannungsanstieg an R E und rückwirkend I C (Prinzip der Gegenkopplung). Für Signal R E durch Kondensator kurzschließen Bat RE ) Dr. Erich Boeck 6

7 Betrachtungsweise: Kleinsignalaussteuerung Behandlung der Transistorstufe (Überlagerungsprinzip). Durchbruch für Schaltungstechnik. 12 I C /ma U CE /V Tangente ΔI C ΔI B I B /ma 0,4 0, i C I C +i C t I C Überlagerungsprinzip: lineare Elementen kleiner Bereich um den Arbeitspunkt Tangente im Arbeitspunkt. 1. Dimensionierung des Arbeitspunktes (Gleichstromquelle U Bat ) ohne Signale 2. Behandlung der Signale ohne Stromversorgung i B I B +i B R 1 R C t I B Vierpole sind wichtige Abstraktionsform und allgemeines Denkprinzip für einfach handhabbare Ersatzschaltungen (vergleiche auch Ersatzzweipole). u E Blackbox Dr. Erich Boeck 7

8 1. Widerstandsform (günstige Reihenschaltung der Ein- und Ausgänge) u E = z 11 + z 12 = z 21 + z 22 u E z 11 z 22 z 12 z 21 z 11 = u E / z 12 = u E / = 0 = 0 z 22 = / z 21 = / = 0 = 0 2. Leitwertform (günstige Parallelschaltung der Ein- und Ausgänge) 3. Hybridform (günstig Eingang mit Reihen-, Ausgang mit Parallelschaltung) u E = h 11 + h 12 (auch umgekehrt) = h 21 + h 22 h 11 u E h 12 h 21 h 22 h 11 = u E / h 12 = u E / = 0 = 0 h 22 = / h 21 = / 4. Kettenform (günstig für Kettenschaltungen) (auch Ausgang = f{eingang}) (innere Struktur bleibt bei dieser Form abstrakt ) = 0 = 0 Vierpolgleichungen Matrizenform Matrixkonvertierungen Parametern umwanden Dr. Erich Boeck 8

9 Transistorschaltungen Verwendung der Hybridform mit h-parametern Messvorschrift = Anstiege in Kennlinie ΔU BE /ΔI B, ΔI C /ΔU CE, ΔU BE /ΔU CE und ΔI C /ΔI B h 11 i B i B h 12 h 21 h 22 r BE r CE mit h 11 = r BE, h 22 = r CE, h 12 = 0, h 21 = und i B als Steuergröße Drei Transistorgrundschaltungen mit unterschiedlichen Betriebseigenschaften. An Kleinsignalersatzschaltungen deutlich sichtbar. Emitterschaltung: i B u E R 1 R C R E u E R 1 i i B E i B R C u E R 1 r CE r BE R C R EIN mittel R AUS mittel v u leer gegenphasig hoch v i kurz hoch Kondensatoren sowie Batterie sollen für Signalfrequenz keinen Widerstand (0 Ω) haben. (Für Gleichstrom haben sie einen unendlichen Widerstand.) Dr. Erich Boeck 9

10 Kollektorschaltung: i B R 1 R C u E R 1 R E i B i B u E R E r BE u E R 1 r CE R E Basisschaltung: R EIN hoch, R AUS niedrig, v u leer < 1, v i kurz gegenphasig hoch R 1 R C u E R E i B R C i B u E R E u E R E r BE i B r CE R C R EIN niedrig, R AUS hoch, v u leer hoch, v i kurz -1 Dr. Erich Boeck 10

11 Aufgabe Für einen Transistor empfiehlt der Hersteller den Arbeitspunkt U CE = 5 V und I C = 2 ma. Die Gleichstromverstärkung wird mit B = 180 für diesen Arbeitspunkt angegeben. Zur Spannungsversorgung steht eine 12 V Batterie zur Verfügung. Frage 1: Wie sind R C, R 1 und zu wählen? Hinweis: Aus B kann I B bestimmt werden, nur Normwerte (E 6 mit 20 %) verwenden. Frage 2: Wie verändert sich R C, wenn ein R E mit 220 eingesetzt werden soll? Frage 3: Wie könnte die Schaltung aussehen mit einem Einstellregler für R 1 und? Aufgabe Für den gleichen Arbeitspunkt, wie er in Aufgabe verwendet wird, gibt der Hersteller für 1 khz die h-parameter h 11 = 2,7 kω, h 22 = 18 μs, h 12 = 10-4 und h 21 = 220 an. Für eine Verstärkerstufe in Emitterschaltung kann damit und mit den in Aufgabe ermittelten Werten für R C (R E soll durch einen Kondensator unwirksam sein), R 1 und die Leerlaufspannungsverstärkung v u leer = /u E bei = 0 bestimmt werden. Frage: Wie groß ist v u leer? Hinweis: Am Eingang die Stromteilung beachten; am Ausgang reicht die Gesamtspannung. Aufgabe Für einen Leistungstransistor empfiehlt der Hersteller den Arbeitspunkt U CE = 2 V und I C = 150 ma. Die Gleichstromverstärkung wird mit B = 100 für diesen Arbeitspunkt angegeben. Zur Spannungsversorgung steht eine 12 V Batterie zur Verfügung. Frage 1: Wie sind R C, R 1 und zu wählen? Hinweis: Aus B kann I B bestimmt werden, nur Normwerte (E 6 mit 20 %) verwenden. Frage 3: Wie könnte die Schaltung aussehen mit einem Einstellregler für R 1 und? Zusatzaufgabe: Vergleiche die Ergebnisse mit Aufgabe 2.3.1! Dr. Erich Boeck 11

12 Aufgabe Ein Transistor soll ein Relais (6 V, 10 ma mit I Schalt > 8 ma, I Abfall < 5 ma) schalten. R 1 +6 V Relais R V Das Eingangssignal beträgt entweder Low-Signal : 0 V max. 0,2 V und max. 2 ma oder High-Signal: 5 V min. 3,4 V und max. 0,2 ma. Auf der Arbeitsgeraden in der Kennlinie wurden zwerbeitspunkte ausgewählt: I C = 9,75 ma, U CE = 0,15 V, I B = 0,1 ma, U BE 0,7 V I C = 0,5 ma, U CE = 5,7 V bei I B 0 ma, U BE < 0,4 V. Der Transistor wirkt als Schalter (kein Kleinsignal). Frage: Wie groß sind R 1, und R V zu wählen? Hinweis: Ungünstige Fälle berücksichtigen. Es werden praktisch zwerbeitspunkte (Teilschaltung des Eingangs für Low- und High- Signal) einzeln dimensioniert. Da es mehr Unbekannte (R 1,, R V, I E, U BLow ) als Gleichungen sowie Ungleichungen gibt, muss gewählt werden. Vorschlag: R 1 = versuchen. Dr. Erich Boeck 12

13 2.4 Feldeffekttransistor Ende der 1920er Jahre als unipolarer Transistor erfunden Erst mit entwickelter Siliziumtechnologie Produktion möglich Source Gate Sperrschicht Drain Source Gate Kanal Si-Substrat schwach N Drain SiO 2 Isolator Leitfähigkeit des Kanals wird durch Anreicherung bzw. Verdrängung der Träger durch elektrisches Felde vom Gate zum Kanal gesteuert. Sperrschicht-Feldeffekttransistor: Verdrängung der Träger in Sperrzone mit zunehmender Spannung Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate: Gateelektrode Isolator Kanal entspricht einem Kondensator. Feld des Kondensators verdrängt Träger um notwendige Ladung (Raumladung der feststehenden Ionen) zu speichern. Aus Überlegung folgen sechs Typen von Feldeffekttransistoren (FET) gibt Dr. Erich Boeck 13

14 N-Kanal P-Kanal N-Kanal P-Kanal N-Kanal P-Kanal Sperrschicht-FET FET mit isoliertem Gate selbstleitend, Verarmungstyp selbstsperrend, Anreicherungstyp I D -I D I D -I D I D -I D U GS -U GS U GS -U GS -U GS = U SG, I D fließt hinaus, -I D fließt hinein U GS -U GS Isolation: Gate Kanal extrem geringer Gategleichstrom (S-FET < 1 na) Nur Laden/Entladen Gate-Source-Kapazität benötigt Strom. leistungslosen Steuerung. geringen Größe der Gate-Source-Kapazität bei kleinsten Ladungsmengen Durchbruchsspannung Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate werden auf einem Chip mittels Fotolithografie in einem Durchlauf mit nur einem Diffusionsprozess realisiert und ermöglichen so umfangreiche Strukturen. Dr. Erich Boeck 14

15 Wegen geringem Leistungsbedarf fast ausschließlich CMOS: N- und P-Kanal selbstsperrende Transistoren in Reihe zwei Durchläufe sind notwendig. Ausgangskennlinienfeld der Feldeffekttransistoren ähnlich dem des Bipolartransistors. Die Steuerkennlinie vergleichbar der Elektronenröhre 4 3 I D /ma U GS /V Arbeitsgerade R D = 2,2 KΩ 0-0,2-0,4 2-0,6 -U GS /V ΔI D ΔU GS 1 ΔU DS ΔI D -0,8-1,0-1, U DS /V Dr. Erich Boeck 15

16 R D R 1 R D R 1 R D a) R S b) Dr. Erich Boeck 16 -U Bat Durch den Drainwiderstand (R D ) wird der Arbeitspunkt festgelegt. R D U Bat U I R D 1 und sehr hochohmig Notwendige negative Gatevorspannung b) zusätzliche Spannungsquelle -U Bat oder a) bzw. c) Verschiebung der Sourcespannung durch R S (R D wieder in R D und R S aufteilen). R S ergibt sich in a) zu R S U I GS D c) DS und R S R D R D R Da normalerweise kein Eingangsstrom fließt kann das Gate mit a) hochohmig auf Masse gelegt werden (ca MΩ). Außer der Souceschaltung gibt es auch beim FET eine Drain- und eine Gateschaltung S

17 Wie Bipolartransistor hat auch der Feldeffekttransistoren eine ähnliche Kleinsignalersatzschaltung für Kleinsignalanwendungen. R D Kleinsignal Kleinsignal r GS vernachlässigt Su GS Su GS R S u GS r GS r DS R D u GS r DS R D Steilheit S = ΔI D /ΔU GS = y 21 und r DS = ΔU DS /ΔI D = 1/y 22 entsprechend den Kennlinien r GS = 1/y 11 sehr groß und Rückwirkungen y 12 praktisch immer zu vernachlässigen Die Schaltungen der anderen Feldeffekttransistorentypen funktionieren entsprechend Dr. Erich Boeck 17

18 Aufgabe Ein selbstleitender N-Kanal MOS-FET wird in Sourceschaltung entsprechend Abbbildung a) bzw. d) mit U Bat = 9 V aufgebaut. Aus den Angaben des Herstellers folgen I D = 1,5 ma, U DS = 5.5 V bei einer Gatevorspannung U GS = 0,6 V. In diesem Arbeitspunkt wird S = 6 ms angegeben. Frage 1: Wie sind R D und R S zu dimensionieren? Frage 2: Wie groß wird die Leerlaufspannungsverstärkung v u Leer? Hinweis: Nutze Abbildung f). Es gilt R D << r DS, somit kann r DS vernachlässigt werden. ( spielt keine Rolle und ist außerdem sehr groß gegenüber dem Ausgangswiderstand der Eingangsspannungsquelle, er kann z.b. zu 1 MΩ gewählt werden). Zusatzfrage 1: Wie würde die Schaltung mit einem selbstleitenden P-Kanal MOS-FET aussehen (sonst vergleichbare Parameter)? Zusatzfrage 2: Wie würde die Schaltung mit einem selbstsperrenden N-Kanal MOS-FET aussehen (sonst vergleichbare Parameter)? Dr. Erich Boeck 18

19 2.5 Weitere Halbleiterbauelemente Vierschichtbauelemente 3 Sperrschichten Anode Gate Katode Tyristor und Prinzipschaltung Anode/Katode Dr. Erich Boeck 19 Gate Anode/Katode Triac und Triac aus 2 Tyristoren + an Anode und an Kathode äußere Sperrschichten in Durchlassrichtung, mittlere in Sperrrichtung. Positive Spannung am Gate wie beim Transistor Trägerinjektion und mittlere Sperrschicht wird leitend. Nach Entfernen, Selbsthalteeffekt. Für Zündung reicht kurzer Spannungsimpuls. an der Anode und + an Kathode äußeren Sperrschichten gesperrt leiten unmöglich. Vierschichtdiode, Triac, Diac, hohe Ströme Leistungselektronik maximal zulässiger Stromanstieg und Freiwerdezeit abschaltbare Leistungsbauelemente: Bipolartransistor, Leistungs-MOS-FET sowie deren Kombination IGBT