VERSUCH 8: HALBLEITER UND BIPOLAR- TRANSISTOR

Transkript

1 63 8 A Halbleitereigenschaften VERSUCH 8: HALBLEITER UND BIPOLAR- TRANSISTOR Das wichtigsten Halbleitermaterialien sind Silizium und Germanium. Sie besitzen die chemische Wertigkeit 4, d.h. es stehen in der äußeren Atomschale 4 Elektronen zu Bindungszwecken zur Verfügung. Im Kristall aus reinen Silizium (und Germanium) werden diese "Valenzelektronen" allesamt für kovalente Bindungen zu den 4 nächsten Nachbaratomen benutzt, die jedes Siliziumatom umgeben. In dieser kovalenten Bindung sind die Elektronen der äußeren Atomschale mit je einem Nachbaratom verkettet, so dass sie (wie die Innenelektronen) praktisch ortsgebunden sind. Geometrisch sind diese Nachbaratome in den Ecken eines Tetraeders angeordnet, in dessen Zentrum das betrachtete Siliziumatom sitzt. Die kovalenten Bindungen sind relativ stabil. Sie verhindern bei normalen Bedingungen, dass sich Elektronen im Kristall bewegen können. Der reine Halbleiter ist daher nahezu ein Isolator, wenn nicht durch besondere Umstände doch frei bewegliche Ladungsträger geschaffen werden (Licht, Temperatur, Fremdatome). Um ein Bindung aufzubrechen, benötigt man beim Silizium die Energie von E g =1,1eV. Der Unterschied zu Isolatoren besteht darin, dass die Bindungsenergie bei Isolatoren noch wesentlich größer ist (Diamant z.b. E g 7eV). Ganz wenige dieser Bindungen werden beim Silizium bei Zimmertemperatur aber durch thermische Anregung aufgelöst. Es entsteht dann je ein frei bewegliches Elektron. Ein Atom, das in dieser Weise von seinem Valenzelektron verlassen wurde, weist in seiner Bindung zu seinem Nachbarn eine Lücke auf, ein sog. Elektronen- Loch (eine Bindung, der ein Elektron fehlt). Diese Lücke, die eine positive Ladung darstellt (das ursprüngliche Bindungselektron soll sich schon ein Stück von der Defektstelle entfernt haben), kann nun von einer Nachbarbindung wieder aufgefüllt werden, wodurch der Defekt zur Nachbarbindung wandert (s. Bild). Im Endeffekt entstehen also durch Aufbrechen einer Bindung zwei bewegliche Ladungsträger: ein bewegliches Elektron und eine beweglicher Defekt, der mit einer positiven Elementarladung verknüpft ist. Diesen Defekt nennt man auch Defektelektron oder Loch. Im elektrischen Feld laufen die freien Elektronen als negative Ladungsträger gegen die Feldrichtung, die Löcher dagegen in Feldrichtung, verhalten sich also wie positive Ladungsträger. Beide Arten von Ladungsträgern verleihen dem Halbleiter elektrische Leitfähigkeit, die sogenannte Eigenleitung, welche mit der Temperatur stark zunimmt.

2 64 Man veranschaulicht sich die Vorgänge üblicherweise im sog. Bändermodell, das die Energie der Elektronen als Funktion des Ortes im Halbleiter angibt. Im reinen Halbleiterkristall besetzen die Elektronen der kovalenten Bindungen das ganze Valenzband bis obenhin, so dass keinerlei Bewegungsfreiheit zwischen den besetzten Plätzen mehr besteht. Thermische oder auch optische Anregungen können die Elektronen über die Energielücke E g hinweg in das nahezu unbesetzte Leitungsband anheben, wo sie sich frei bewegen können. Dabei entsteht im Valenzband ein ebenfalls bewegliches Loch (s. Bild unten). Beide Ladungsträger tragen zur elektrischen Leitfähigkeit bei. Das große Anwendungspotential der Halbleiter besteht darin, dass durch Einbau von Fremdatomen die Dichte der beweglichen Ladungsträger gezielt erhöht werden kann. Dieser Vorgang heißt Dotierung. Er geschieht z.b. durch Diffusion aus der Gasphase bei hohen Temperaturen ( ca C). Dotiert man Silizium mit 5-wertigem Arsen (As) (oder mit 5-wertigem Antimon oder Phosphor), so können diese 5-wertigen Atome auf einigen Gitterplätzen ein Siliziumatom ersetzen. Da für die Kristallbindungen nur 4 Elektronen nötig sind, bleibt von vorne herein ein Elektron übrig, das sich nahezu frei im Kristall bewegen kann. Das As schenkt so zu sagen dem Kristall ein Elektron und wird dadurch zum Ion As +. Man bezeichnet es daher als Donator- oder Donor-Atom. Im Bänderschema befin-

3 65 det sich das überzählige Elektron des Donors knapp unterhalb des Leitungsbandes. Die energetische Anhebung durch thermische Anregung geschieht auf Grund der kleinen Energiedifferenz (54meV bei As) sehr leicht, so dass bei Zimmertemperatur praktisch alle Donoren ionisiert sind. Man spricht dann von n- leitendem Silizium. Die Dotierungskonzentrationen liegen üblicherweise im Bereich bis 10-6 Dot.-Atome/Si-Atom. Die Leitfähigkeit steigt dabei bis zu einem Faktor 10 5 an. Erst diese Dotierung macht die Halbleiter brauchbar für elektronische Anwendungen. Entsprechend kann man auch mit 3- wertigen Substanzen wie z.b. Bor (B) (oder mit 3-wertigen Aluminium, Gallium, Indium) dotieren. Diese Fremdatome benötigen im Halbleitergitter ein Elektron zur Ausbildung der 4 Nachbarbindungen. Dieses fehlende Elektron entreißt das Bor sehr leicht den Atomen der Umgebung, wodurch dort ein beweglicher Elektronen- Defekt oder Loch entsteht (daher der Name Akzeptor-Atom). Im Bändermodell liegt das Energieniveau des fehlende Elektrons sehr nahe am Valenzband (Abstand bei B: 45meV) und kann daher sehr leicht aus dem Valenzband besetzt werden. Auch hier sind bei Zimmertemperatur praktisch alle B- Atome zu B - ionisiert. Der so behandelte Halbleiter wird p-leitend genannt. 8 B Funktion des pn-übergangs als Diode Durch gleichförmige Dotierung entstehen noch nicht allzu interessante elektronische Bauteile. Trotzdem finden diese in der Sensortechnik (z.b. zur Temperaturmessung) schon ihre Anwendung. Größte Bedeutung haben dagegen Übergangsschichten zwischen p- und n-dotiertem Material, sog. pn-übergänge. Technisch werden sie durch eine Aufeinanderfolge unterschiedlicher Diffusionsprozesse in einem Halbleiterkristall erzeugt.

4 66 Am pn-übergang stehen sich die unterschiedlichen Ladungsträger Elektronen und Löcher auf engstem Raum gegenüber. Sie können in dieser Zone sehr leicht wieder miteinander verbinden und sich so gegenseitig vernichten: die Elektronen füllen einfach die Defektelektronen (Elektronenlöcher) auf. Man kann sich auch vorstellen, dass die von den Donoren frei gewordenen Elektronen zur Ionisierung der Akzeptoren verwendet werden. Dieser Prozess pflanzt sich allerdings nicht durch den ganzen Halbleiter hindurch fort, sondern wird durch Raumladungsfelder gestoppt, die durch die ionisierten Donoren und Akzeptoren an der Grenzschicht entstehen. So verhindern z.b. die B - -Ionen auf der p- Seite durch ihre elektrostatische Anziehungskraft auf die Löcher deren weiteres Diffundieren in die Grenzschicht. Im Endeffekt entsteht eine Zone mit geringer Konzentration von Ladungsträgern und hoher Raumladung (von den ionisierten Dotierungsatomen), die sog. Sperrschicht (s. Bild). Die Dicke dieser Schicht beträgt meist weniger als 1µm. Die Raumladung von den ionisierten Dotierungsatomen baut dabei eine Spannung auf, die Diffusionsspannung, die meist unter 1V liegt. Legt man nun an einen solchen pn-übergang mit Hilfe von Elektroden eine äußere Spannung an, so zeigt sich je nach Polarität ein stark unterschiedliches Verhalten: Liegt an der p-zone der negative Pol, so werden die Löcher der p-zone noch weiter vom pn-übergang weggezogen und die Dicke der Sperrschicht steigt. Da in der Sperrschicht keine Ladungsträger vorhanden sind, wirkt diese wie eine Isolationsschicht und verhindert nahezu vollständig jeglichen Stromfluss. Man sagt, der pn-übergang ist in Sperr-Richtung gepolt. Liegt dagegen der positive Pol an der p-zone, so treibt das äußere Feld die Löcher in die Sperrschicht. Auf der anderen Seite werden die Elektronen ebenfalls vom negativen Pol an der n-zone in die Sperrschicht gezwungen und können dort mit den Löchern vereinigen. Dieser Prozess findet kontinuierlich statt, da ständig neue Ladungsträger von den Elektroden zur Verfügung gestellt werden. Es kommt also zu einem starken Stromfluss durch den pn- Übergang, der nun in Durchlass-Richtung gepolt ist. Dabei muss die angelegte Spannung größer als die Diffusionsspannung sein.

5 67 8 C Funktion von zwei pn-übergängen im Transistor Der Bipolartransistor besteht aus einer Folge von 3 unterschiedlich dotierten Halbleiter- Zonen, deren mittlere Zone besonders dünn (einige µm) ausgeführt ist. Im Bild ist ein npn-transistor gezeigt. Der Name ergibt sich unmittelbar aus der Reihenfolge der unterschiedlichen Dotierungen. Alle Zonen sind kontaktiert, die Anschlüsse heißen Emitter, Basis und Kollektor. Der Transistor besitzt also zwei PN- Übergänge, an denen sich Sperrschichten ausbilden. Der Bipolartransistor wird hauptsächlich als Verstärker eingesetzt. Seine Funktionsweise ergibt sich aus der Polarität der Betriebsspannungen an Basis und Kollektor (der Emitter möge auf Massepotential liegen). Die Basis-Emitter-Diode wird mit Hilfe einer positiven Spannung U BE ( Spannung zwischen Basis und Emitter) in Durchlassrichtung betrieben, während auf Grund einer relativ großen ebenfalls positiven Spannung U CE der Basis- Kollektor-Übergang gesperrt bleibt. Die Spannungen werden dann positiv gezählt, wenn der im Index an erster Stelle stehende Anschluss positiv gegenüber dem an zweiter Stelle stehenden gepolt ist. Außerdem werden alle in den Transistor fließenden Ströme positiv gewertet und mit I E (Emitter-Strom), I B und I C bezeichnet. Aufgrund der Polung kommt es im konkreten Fall des npn- Transistors zur Überschwemmung des Basiszone mit Elektronen aus dem Emitter. Wegen der geometrischen Ausgestaltung können die meisten dieser Elektronen in die Sperrschicht zwischen Basis und Kollektor diffundieren. Sie werden dort durch das starke elektrische Feld zum Kollektor hin abgesaugt. Nur ein kleiner Bruchteil der Elektronen rekombiniert mit den Löchern der Basiszone und führt zu einem kleinen Strom I B (s. Bild). Das Verhältnis I C /I B wird Gleichstromverstärkung B genannt. Bei üblichen Transistoren beträgt B einige hundert. Die Stromsteuerkennlinie (siehe Bild unten) zeigt bei festem U CE die Abhängigkeit des Kollektorstromes I C von I B. Für genügend großes U CE wird sie nur wenig von U CE beeinflusst. In guter Näherung findet man eine Gerade, aus deren Steigung B folgt.

6 68 B ist der Quotient aus der Änderung des Kollektorstromes ΔI C zu der Änderung des Basisstromes ΔI B. Man kann also beim Bipolartransistor mit einem kleinen Basisstrom einen großen Kollektorstrom steuern. Damit die meisten der vom Emitter in die Basis injizierten Elektronen den Kollektor erreichen, ist ein gewisses elektrisches Feld oder eine bestimmte Mindestspannung U CE erforderlich. Vergrößert man U CE über diesen Wert hinaus, so steigt der Kollektorstrom nur noch unwesentlich, da schon alle zur Verfügung stehenden Elektronen abgesaugt werden. Im Ausgangs-Kennlinienfeld (s. Bild unten) wird I C über U CE bei festem I B aufgetragen.. Obiger Effekt macht sich hier in einer starken Abflachung der Kennlinie bemerkbar. Man spricht von Sättigung des Kollektorstromes Das Produkt U CE I C kennzeichnet die im Transistor umgesetzte Verlustleistung. Sie darf je nach Bauform des Transistors einen bestimmten Wert P D nicht überschreiten (100mW...100W). In der Ausgangskennlinie müssen somit die Betriebsbedingungen unterhalb der durch U CE I C = P D bestimmten Leistungshyperbel liegen, um eine Überhitzung und Zerstörung des Transistors zu vermeiden. Für Halbleiterbauelemente (Transistoren) besteht die Typenbezeichnungen aus 2 Buchstaben und 3 Ziffern oder 3 Buchstaben und 2 Ziffern. Der 1. Buchstabe kennzeichnet den Halbleiterwerkstoff, und zwar bedeuten: A Germanium, B Silizium, C Gallium - Arsenid... Der 2. Buchstabe kennzeichnet die vorgesehene Anwendung, und zwar bedeuten: A Diode, B NF- Transistor, C NF- Transistor für hohe Leistung, F HF- Transistor, L HF- Transistor für hohe Leistung, S Schalt- Transistor und Z Zener Diode.

7 69 Eine häufig verwendete Schaltung ist die sog. Emitterschaltung, bei welcher der Emitter gemeinsamer Anschluss von Ein- und Ausgang ist. Das Bild zeigt das üblicherweise verwendete Schaltsymbol des npn- Bipolartransistors mit den entsprechenden Anschlusskennzeichnungen. Der Emitter ist im Schaltsymbol durch einen Pfeil gekennzeichnet Der Kollektor ist über den Kollektorwiderstand R mit der Betriebsspannung U o verbunden. Die Betriebsspannung verteilt sich auf den Widerstand (Spannungsabfall R I C ) und auf den Transistor: U o = R I C + U CE U o - U CE oder I C = R In der Ausgangskennlinie I C (U CE ) ist dies aber eine abfallende Gerade, welche die Ordinate bei I C = U o /R und die Abszisse bei U CE = U o schneidet. Diese Gerade heißt auch Widerstandsgerade (der Lastkennlinie). Auf ihr liegen die mit den gewählten Größen für Betriebsspannung und Kollektorwiderstand möglichen Betriebszustände, die je nach Basisstrom eingenommen werden. Durch Umkehrung der Dotierungsreihenfolge gelangt man zum PNP-Transistor. Im Schaltsymbol ändert sich die Richtung des Emitterpfeiles. Beim Betrieb müssen alle Spannungen im Vergleich zum NPN-Typ umgepolt werden, wodurch sich auch alle Stromrichtungen umkehren. > 1. Die Stromsteuerkennlinie und das Ausgangskennlinienfeld eines PNP- Transistors (Versuch 8, BCY 78 X oder ähnlich) und eines NPN-Transistors (Versuch 28, BCY 59 X oder ähnlich) werden aufgenommen. 2. Die Gleichstromverstärkung B wird sowohl direkt gemessen und auch aus dem Ausgangskennlinienfeld mit Hilfe der Widerstandsgeraden bestimmt und miteinander verglichen. Transistor Typ messen bis U CE /V maximal messen bis I B /ma maximal BCY 78 PNP - U CE =7 V - I B =60µA BC 556 A PNP BC 557 B PNP BC 560 C PNP - U CE =7 V - U CE =7 V - U CE =7 V - I B =60µA - I B =60µA - I B =60µA BCY 58 X NPN BCY 183 NPN BCY 549 C NPN BCY 550 NPN + U CE =7 V + U CE =7 V + U CE =7 V + U CE =7 V + I B =70µA + I B =70µA + I B =70µA + I B =70µA

8 70 1. Die Stromsteuerkennlinie wird mit unten stehender Schaltung gemessen. Wichtig ist die richtige Polarität je nach Transistortyp NPN oder PNP und die Netzgeräte nur mit auf 0 gestellter Spannungsregelung einzuschalten! Zur Vermeidung von parasitären Schwingungen muss der Basiswiderstand möglichst eng mit dem Transistor verbunden werden. Die Strommessung muss vor dem Widerstand wie im Bild eingezeichnet erfolgen. Schaltung * Stabilisierte Netzgeräte * A,V: Digitalmultimeter, geeigneter Messbereich * R: entfällt bei Stromsteuer- Kennlinie * R: = 680 Ω bei Ausgangs- und Last- Kennlinien Schaltung * Stabilisierte Netzgeräte * A,V: Digitalmultimeter, geeigneter Messbereich * R: entfällt bei Stromsteuer- Kennlinie * R: = 680 Ω bei Ausgangs- und Last- Kennlinien U CE wird fest auf -1V (bzw. +1V bei npn) eingestellt und I B vorsichtig entsprechend den in der Tabelle angegebenen Werten variiert und dann jeweils I C abgelesen. Die richtige Polarität je nach Transistortyp + bei NPN oder - bei PNP. beachten U CE = -1V bzw. U CE = 1V Transistor-Typ: Klasse: NPN oder PNP -I B /µa bzw. I B /µa ( 70 ) -I C /ma bzw. I C /ma

9 71 2. Zur Aufnahme der Ausgangskennlinien wird ein Kollektorwiderstand von 680Ω in die obige Schaltung eingefügt (in der Schaltskizze gestrichelt eingezeichnet). Bei zwei verschiedenen Basisströmen wird nun I C in Abhängigkeit von U CE entsprechend Tabelle abgelesen. Die Einstellung von U CE geschieht über Variation der Betriebsspannung. Wichtig ist die richtige Polarität je nach Transistortyp + bei NPN oder - bei PNP. Da sich erst Temperaturgleichgewicht im Transistor einstellt, ändern sich zunächst I C und U CE nach Einstellen noch etwas. Diese Einstellzeit wird vor dem Ablesen abgewartet. -I B /µa bzw. I B /µa +/-U CE /V 0,25 0,5 0, /-I C /ma 30 +/-I C /ma 3. Transistor unter Last Stellen Sie nun die Betriebsspannung U o fest auf 12V ein. Messen Sie Kollektorspannung und -strom bei 2 verschiedenen Basisströmen gemäß Tabelle. Achten Sie auf richtige Polarität je nach Transistortyp + bei NPN oder - bei PNP. -I B =10µA bzw. +I B =10µA -I B =30µA bzw. +I B =30µA -U CE /V bzw. +U CE / V -I C /ma bzw. +I C /ma / \/ <=>? 1. Zeichnen Sie Stromsteuer- und Ausgangskennlinien wie in obigen Bild gezeigt in eine Grafik mit geeignetem Maßstab auf mm-papier. 2. Bestimmen Sie aus der Steigung der Stromsteuerkennlinie die Gleichstromverstärkung B = ΔI C / ΔI B 3. Bestimmen Sie aus der Ausgangskennlinien die Gleichstromverstärkung B (bei U=1V). 4 Zeichnen Sie in das Ausgangskennlinienfeld, die Widerstandsgerade der Last- Kennlinie, für R=680Ω und U o = 12V ein. Vergleichen Sie die Schnittpunkte dieser Geraden mit den Ausgangskennlinien bei 10 und 30µA mit den zum Schluss durchgeführten Messungen (Messung 3). 5. Welche Gleichstromverstärkung ergibt sich aus den zum Schluss gemessenen Werten (Messung 3) gemäß B = ΔI C / ΔI B?