Transistoren Funktionsweise und Kennlinien BJT, MOS-FET und J-FET

Transkript

1 Transistoren Funktionsweise und n BJT, MOS-FET und J-FET Dieses Skript erklärt wie die heute am häufigsten verwendeten Transistoren funktionieren und welches ihre charakteristischen n sind. Vorbereitete Simulationen sind abgelegt auf Datenblätter (ZHAW-Elektroniklabor) finden sie auf Inhaltsverzeichnis 1. Funktionsweise von BJT, MOS-FET und J-FET Messtechnik für das Erfassen der n Eingangs-n Übertragungs-n Ausgangsstrom in Abhängigkeit der Eingangsspannung Ausgangsstrom in Abhängigkeit des Eingangsstroms Kaum Rückwirkung vom Ausgang auf den Eingang Ausgangs-n-Felder Transistortypen-Übersicht Lernziele Tools, Datenblätter, Links... 1 Original-URL: Hanspeter Hochreutener, hhrt@zhaw.ch, 26. September 214 Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik, School of Engineering Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften Transistorn.doc Seite 1 / 1 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

2 1. Funktionsweise von BJT, MOS-FET und J-FET Die Funktionsweise wird anhand von npn- und n-kanal-transistoren erklärt. Bei den pnp- und p-kanal-transistoren sind die Vorzeichen aller Spannungen und Ströme umgekehrt. Als bewegliche Ladungsträger treten an die Stelle der Elektronen die Löcher und umgekehrt. Eine Übersicht über die n findet sich im Kapitel 6. In untenstehender Tabelle verwendete Symbole Negativ geladen Positiv geladen Bewegliche Ladungsträger = Elektron = Loch Im Kristallgitter verankerte (unbewegliche) Atomrümpfe + Mit einem grünen Strich markiert sind die metallischen Transistor-Anschlüsse. Der braune Strich steht für die isolierende Oxid-Schicht beim MOS-FET. Transistor-Typ BJT (Bipolar Junction Transistor) Isolierschicht- Feldeffekttransistor MOS-FET (Metal-Oxid-Silicon) = enhancement-fet = Anreicherungs-FET = Selbstsperrender FET Sperrschicht- Feldeffekttransistor J-FET (Junction-FET) = depletion-fet = Verarmungs-FET = Selbstleitender FET Ladungsträgerverteilung ohne Spannung Steuerspannung unter dem Schwellwert Symbol Emitter n+ Basis p Collector n Weil sich gleichartige Ladungen abstossen, werden bei den pn- Übergängen die beweglichen von den festsitzenden und die von den + abgestossen. Es entsteht eine Raumladungszone ohne bewegliche Ladungsträger. Emitter V Basis V Collector +1V Die im Collector werden von der positiven +1V-Spannung angezogen. Dadurch verbreitert sich die Raumladungszone zwischen Basis und Collector. Die pn-übergänge leiten nicht; der BJT sperrt. n metal SiO p-dotiert n Zwischen den beiden n- dotierten und gibt es keinen durchgehenden Kanal für die. V V SiO V Zwischen den beiden n- dotierten und gibt es keinen durchgehenden Kanal für die. Der MOS-FET sperrt ohne Steuerspannung; er ist also selbstsperrend. p n-kanal Das bildet zum - -Kanal einen p-n-übergang. Zwischen und können sich die frei bewegen. V V V Zwischen und fliessen die fast ungehindert. Es fliesst ein Strom. Der J-FET leitet ohne Steuerspannung; er ist also selbstleitend. Transistorn.doc Seite 2 / 1 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

3 Steuerspannung leicht über dem Schwellwert Steuerspannung stark über dem Schwellwert Emitter V Basis.6V Collector +1V Die positive Basis-Emitter- Spannung erzeugt zusätzliche in der Basis. Diese bauen die Raumladungszone zwischen Basis und Emitter ab und ziehen aus dem Emitter an. Sobald sich die in der Basis befinden, werden sie vom stärker positiv geladenen Collector angezogen. Damit fliesst ein - Strom vom Emitter zum Collector. Etwa 1% der trifft in der Basis auf ein und rekombiniert. Die durch Rekombination verlorenen müssen durch den Basisanschluss ersetzt werden, damit sich die Raumladungszone nicht wieder aufbauen kann. Die restlichen 99% der fliessen zum Collector. Emitter V Durch die noch zahlreicheren in der Basis wird die Raumladungszone zwischen Basis und Emitter weiter abgebaut und es können noch mehr vom Emitter in die Basis wandern. Der -Strom vom Emitter zum Collector steigt weiter an. Der BJT leitet. Basis.7V Collector +1V V +3V SiO V Die positive -- Spannung saugt aus der unter das Gebiet des s und es entsteht ein dünner durchgehender n-kanal zwischen und. Das Kanal-Gebiet wird mit angereichert (enhancement), es beginnt ein Strom zu fliessen. V +5V SiO Die noch positivere - -Spannung saugt mehr aus der unter das und es entsteht ein dicker durchgehender n-kanal zwischen und. Der -Strom von der zum steigt weiter an. Der MOS-FET leitet. +1V V -3V V Die negative -- Spannung saugt die aus dem. Die negative Spannung im verdrängt die im - -Kanal. Der Kanal verarmt (depletion) an. Die können sich nur noch am entfernten Kanal-Ende frei bewegen. Der Strom ist reduziert. V -5V Die noch negativere - -Spannung verdrängt die im Kanal vollständig. Zwischen und kann kein -Strom fliessen. Der J-FET sperrt. +1V Eigenschaften Die Basis-Emitter-Schwellspannung ist Temperatur-abhängig und sinkt um ca. 2mV/K. β = Collectorstrom/ Basisstrom Die Stromverstärkung β unterliegt Herstellungs-Toleranzen und ist Temperatur-abhängig. Die --Spannung bei der der MOS-FET zu leiten beginnt, wird Threshold- Spannung genannt. Sie beträgt einige Volt, hängt von der Geometrie und der Dotierung ab und unterliegt Herstellungs- Toleranzen (= Exemplar- Streuung). Die --Spannung bei der der J-FET gerade sperrt, wird Pinch-Off-Spannung genannt. Sie beträgt einige Volt, hängt von der Geometrie und der Dotierung ab und unterliegt Herstellungs- Toleranzen (= Exemplar- Streuung). Transistorn.doc Seite 3 / 1 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

4 2. Messtechnik für das Erfassen der n BJT (Bipolar Junction Transistor) Isolierschicht-FET MOS-FET (Metal-Oxid-Silicon) Sperrschicht- FET J-FET (Junction-FET) Die beiden Spannungsquellen sollen von einem Labor-Netzgerät bezogen werden, damit sie stufenlos eingestellt werden können. Die Vorwiderstände Rv in der Basis- resp. -Leitung begrenzen den Eingangsstrom und schützen den Transistor. Da die Spannung nach dem Vorwiderstand gemessen wird, beeinflussen Spannungsabfall und Widerstandswert die Messwerte nicht. Ein Wert in der Grössenordnung von 1kΩ ist geeignet, um die Eingangsströme auf ca. 1mA zu begrenzen. 1. Aufgabe Da gleichzeitig die Ströme und Spannungen gemessen werden sollen, muss man sich für spannungsrichtiges (= Strom-Fehler-Schaltung) oder stromrichtiges (= Spannungsfehler-Schaltung) Messen entscheiden. Begründen sie, unter welchen Umständen die oben vorgeschlagenen Messanordnungen sinnvoll sind. 2. Weshalb wird beim J-FET- die Spannungsquelle andersherum gepolt angeschlossen? Transistorn.doc Seite 4 / 1 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

5 3. Eingangs-n Definition: Eingangsimpedanz (input impedance) = Eingangsspannung / Eingangsstrom Typ 3. Aufgabe: Messen sie für die drei Transistoren den Eingangsstrom in Abhängigkeit der Eingangsspannung. 4. Zeichnen sie die Eingangs-n. 5. Berechnen sie die Eingangsimpedanz. 6. Lesen sie die Eingangsimpedanz aus der grafischen heraus. 7. Kommentieren sie die dabei gefundenen herausragenden Eigenschaften der n. 8. Welche Angaben zur Eingangsimpedanz finden sie in den Datenblättern der drei Transistoren? 2N2219A VCE = 3V IB = f(vbe) messen VBE (V) IB (ma) RBE (kω) MOS-FET IRF54 IG = f(vgs) messen VGS (V) IG (ma) RGS (kω) 1 2 Sperrschicht-FET 2N5458 IG = f(vgs) messen VGS (V) IG (ma) RGS (kω) -1-2 Messen IB IG IG VBE VGS VGS Eigenschaften Transistorn.doc Seite 5 / 1 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

6 4. Übertragungs-n Definition: Übertragungs- = Ausgangsgrösse in Abhängigkeit der Eingangsgrösse (forward) 4.1. Ausgangsstrom in Abhängigkeit der Eingangsspannung Def.: Steilheit S (transconductance, tranfer conductance) = Ausgangsstrom / Eingangsspannung Typ 9. Aufgabe: Messen sie den Ausgangsstrom in Abhängigkeit der Eingangsspannung. 1. Zeichnen sie die Übertragungs-n. 11. Berechnen sie die Transkonduktanz. 12. Lesen sie die Transkonduktanz auch aus der grafischen heraus. 13. Kommentieren sie die dabei gefundenen herausragenden Eigenschaften der n. 14. Welche Angaben zur Transkonduktanz finden sie in den Datenblättern der drei Transistoren? 2N2219A VCE = 3V IC = f(vbe) messen VBE (V) IC (ma) S (ms) MOS-FET IRF54 = f(vgs) messen VGS (V) (ma) S (ms) 1 2 Sperrschicht-FET 2N5458 = f(vgs) messen VGS (V) (ma) S (ms) -1-2 Messen IC VBE VGS VGS Datenblatt Eigenschaften Transistorn.doc Seite 6 / 1 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

7 4.2. Ausgangsstrom in Abhängigkeit des Eingangsstroms Definition: Stromverstärkung β (current gain) = Ausgangsstrom / Eingangsstrom Typ Messen 15. Aufgabe: Messen sie den Ausgangsstrom in Abhängigkeit des Eingangsstromes. 16. Zeichnen sie die Übertragungs-n. 17. Berechnen sie die Stromverstärkung. 18. Lesen sie die Stromverstärkung auch aus der grafischen heraus. 19. Kommentieren sie die dabei gefundenen herausragenden Eigenschaften der n. 2. Welche Angaben zur Stromverstärkung finden sie in den Datenblättern der drei Transistoren? 2N2219A VCE = 3V IC = f(ib) messen IB (ma) IC (ma) β (-) IC MOS-FET IRF54 = f(ig) messen IG (ma) (ma) β (-) Sperrschicht-FET 2N5458 = f(ig) messen IG (ma) (ma) β (-) IB IG IG Datenblatt Eigensch Kaum Rückwirkung vom Ausgang auf den Eingang Definition: Rückwirkungs- = Eingangsgrösse in Abhängigkeit der Ausgangsgrösse (reverse) Spannung und Strom am Transistor-Ausgang (Collector, resp. ) wirken sich kaum auf den Eingang (Basis, resp. ) aus. In der Regel können diese Effekte vernachlässigt werden. Transistorn.doc Seite 7 / 1 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

8 5. Ausgangs-n-Felder Def.: Ausgangsleitwert (output admittance, conductance) = Ausgangsstrom / Ausgangsspannung Typ Messen 21. Aufgabe: Messen sie für die drei Transistoren den Ausgangsstrom in Abhängigkeit der Ausgangsspannung für verschiedene Eingangsgrössen. 22. Zeichnen sie die Ausgangs-n-Felder. 23. Berechnen sie den Ausgangsleitwert. 24. Lesen sie den Ausgangsleitwert auch aus der grafischen heraus. 25. Kommentieren sie die dabei gefundenen herausragenden Eigenschaften der n. 26. Welche Angaben zum Ausgangsleitwert finden sie in den Datenblättern der drei Transistoren? 2N2219A 1. : Zuerst einstellen: VCE = 3V VBE einstellen bis IC = 5mA IC = f(vce) messen VCE (V) IC (ma) gce (ms) : Zuerst einstellen: VCE = 3V VBE einstellen bis IC = 1mA IC = f(vce) messen VCE (V) IC (ma) gce (ms) MOS-FET IRF54 1. : Zuerst einstellen: VGS einstellen bis = 5mA = f(vds) messen VDS (V) (ma) gds (ms) : Zuerst einstellen: VGS einstellen bis = 1mA = f(vds) messen VDS (V) (ma) gds (ms) Sperrschicht-FET 2N : Zuerst einstellen: VGS einstellen bis =.5mA = f(vds) messen VDS (V) (ma) gds (ms) : Zuerst einstellen: VGS einstellen bis = 1.mA = f(vds) messen VDS (V) (ma) gds (ms) Transistorn.doc Seite 8 / 1 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

9 IC VCE VDS VDS Datenblatt Eigenschaften 6. Transistortypen-Übersicht 27. Aufgabe: Füllen sie untenstehende Tabelle vollständig aus. Typ en Feld-Effekt-Transistoren Unter-Typ MOS-FET Sperrschicht-FET Polarität npn pnp n-kanal p-kanal n-kanal p-kanal Symbol Eingangs- Übertragungs- Ausgangs- n- Felder Einsatz- Gebiete Hinweis: Da Elektronen (n-material) ca. dreimal beweglicher sind als Löcher (p-material), sind npn und n- Kanal-Transistoren schneller und haben einen kleineren Durchlasswiderstand. Wo es schaltungstechnisch möglich ist, werden deshalb die n-typen bevorzugt eingesetzt. Transistorn.doc Seite 9 / 1 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

10 7. Lernziele Die Studierenden können ohne Unterlagen das Symbol der 6 Transistor-Typen zeichnen und die Anschlüsse benennen. den prinzipiellen Verlauf der Eingangs-, Übertragungs- und Ausgangs-n der 6 Transistor-Typen skizzieren. für alle n der 6 Transistor-Typen das Messschema zeichnen. aus den n die charakteristischen Werte herauslesen. Die Studierenden können mit Hilfe dieses Skripts und der Datenblätter überprüfen, ob die gemessenen Werte plausibel sind. ohne Messung quantitativ richtig den Verlauf der Eingangs-, Übertragungs- und Ausgangs- n zeichnen. 8. Tools, Datenblätter, Links Simulations-Tool LTspice Datenblätter elektronischer Bauteile Datenblätter (ZHAW-Elektroniklabor) MOS-FET MOS-FET MOS-FET MOS-FET Sperrschicht-FET Transistorn.doc Seite 1 / 1 H. Hochreutener, SoE@ZHAW