Bipolartransistor- npn

Transkript

1 Transistor gesteuertes Bauelement (transfer resistor) durch eine angelegte Spannung oder elektrischen Stromsteuerbarer elektrischer Widerstand zum Schalten oder Verstärken von elektrischen Signalen bipolar beide Ladungsträgerarten (Elektronen und Löcher) tragen zur Leitung bei Bipolartransistor wie 2 Dioden zusammen in einem Kristall (aber so eng benachbart, dass sie sich gegenseitig beeinflussen) der Emitter ist sehr hoch dotiert (wesentlich stärker als die Basis), die Basis ist sehr schmal die Basis-Emitter-Diode wird in Durchlassrichtung betrieben, die Basis-Kollektor- Diode in Sperrrichtung Emitter N N Kollektor-Anschluss E V N C 3,5V Kontakt Basis 36 B 1,5V 37 Die Basis-Emitter-Diode wird in Durchlassrichtung betrieben. Der Emitter ist sehr hoch dotiert (wesentlich stärker als die Basis), d.h. der B-E-Strom besteht ganz überwiegend aus der Ladungsträgerart des Emitters (Elektronen bei npn). die Basis ist sehr schmal die vom Emitter kommenden Ladungsträger rekombinieren nur zum geringen Teil im Basisgebiet Die meisten dieser Ladungsträger (in die Basis injizierte Minoritäts- Ladungsträger) diffundieren bis zur Basis-Kollektor-Sperrschicht, wo sie von der Feldstärke ergriffen werden hoher Sperrstrom Die vom Emitter kommenden Ladungsträger rekombinieren nur zum geringen Teil im Basisgebiet. Der effektive Basisstrom I B besteht nur aus diesem (geringen) Anteil (plus den wenigen Löchern, die ins Emitter-Gebiet gelangen). Die meisten Ladungsträger werden in der Basis-Kollektor-Sperrschicht von der Sperr-Feldstärke ergriffen der Kollektorstrom I C ist ein Vielfaches des Basisstroms I C = β I B (β Stromverstärkung, β= 2.. 1) E V N N C 3,5V E V N N C 3,5V B 1,5V 38 B 1,5V 39 1

2 Bipolartransistor als Schalter (bzw. Negations-Gatter) Als eigentlicher Schalter dient die Kollektor-Emitter- Strecke der Schalteingang ist die Basis. (Emitter-Schaltung) Bipolartransistor in lanartechnologie lanartechnologie für integrierte Schaltkreise der Kollektor wird auch noch nach oben herausgeführt Schalter (bzw. Negations-Gatter): U > 2,5V (log. 1) I B fließt, Transistor leitet U CE < 1V (log. ) U <,7V (log. ) Quelle des Bildes: I B =, Transistor sperrt Wikipedia Bipolartransistor U CE > 4V (log. 1) 41 4 Bipolartransistor TTL-Gatter NAND als TTL-Schaltkreis Tpische Werte: 1 = 4 kω, 2 = 1.6 kω, 3 = 1 kω, 4 = 125 Ω Aufbau eines MOS-FET MOS Metal-Oide-Semiconductor (MIS Metal-Isolator-Semic.) FET Feldeffekttransisitor (ein elektrisches Feld bewirkt den Effekt) Source Metall-Elektrode (ol-si) Isolation, SiO 2 (Oide) Normal- und Inversbetrieb von T1, Gegentaktendstufe T3, T4, Hubdiode D

3 Source und Source sind eigentlich vertauschbar als Source bezeichnet man die Elektrode, die die Ladungsträger des Kanals aussendet Wird zwischen und Source eine Spannung U DS gelegt, so kann trotzdem kein Strom fließen: entweder ist der pn-übergang zwischen und gesperrt ( an D) oder der pn-übergang zwischen Source und ( an S). Einen Transistor-Effekt wie bei npn gibt es nicht kein Basis -Strom 44 Wird an und Source eine Spannung U DS gelegt,so kann trotzdem kein Strom fließen das ändert sich, wenn an das eine (positive) Spannung gelegt wird. MOS-Kondensator: V p- - Elektronen als Minoritätsladungsträger 1V Verarmung 4V Inversion, es hat sich ein n-kanal gebildet 45 Source an Ladungsträgern verarmte Schicht um Source, Kanal und (schematisch) Es hat sich bei U GB (=U GS ) > U th ein n-kanal gebildet. p- n-kanal-mosfet (und anders herum, dann U GB < ) U th Schwellspannung (ca. 1,5V je nach Bauform) Wird jetzt an und Source eine Spannung U DS gelegt, so kann ein Strom fließen. Unser MOSFET kann als Schalterarbeiten. 46 Der n-kanal MOSFET wirkt wie ein Schalter: Eingangsspannung niedrig (U < 1,5V) Transistor gesperrt (Schalter offen) Eingangsspannung hoch (U > 2,5V) Transistor leitend (Schalter geschlossen) Leistungslose Steuerung: isoliertes I G =, = 47 3

4 1 2 Der n-kanal MOSFET wirkt wie ein Negator: U < 1,5V = Transistor gesperrt,u 5V, =1 U > 2,5V =1 Transistor leitend, U V, = Durch arallelschalten von 2 Transistoren erhält man ein NO 1 = 2 = =1, ansonsten (mind. ein Schalter zu) = Durch eihenschaltung (Achtung ) erreicht man ein NAND Nachteil: Strom durch und die Transistoren, Leistungsverbrauch 48 Ausweg: C-MOS (ComplementarMOS aus n-kanal und p-kanal) 49 Unipolartransistor, CMOS Unipolartransistor, CMOS C-MOS(ComplementarMOS aus n-kanal und p-kanal) C-MOS(ComplementarMOS aus n-kanal und p-kanal) p-kanal pull up wenn U E < 2V n-kanal pull down wenn U E > 1,5V S p-kan D p-kan D n-kan S n-kan und Source sind eigentlich vertauschbar. Meist sind aber Source und () verbunden. Als Source bezeichnet man die Elektrode, die die Ladungsträger des Kanals aussendet. Beim p-kanal sind das Löcher, also liegt Source am ol (an U DD ). verbotener Bereich: U E = 1,5V 2V besser: 1V 2,5V Da immer (außer im verbotenen Bereich) ein Transistor gesperrt ist, fließt praktisch kein Strom und es entsteht kaum Verlustleistung. Hohe Taktrate - häufigeres Umschalten - höhere Verlustleistung. 5 n-kanal U GS > U th 1,5V Kanal p-kanal negativ U GS-p < U th-p -3V Kanal U GS = U G -U S = U E -5V < -3V U E < 2V 51 4

5 Unipolartransistor, CMOS Unipolartransistor, CMOS C-MOS(ComplementarMOS aus n-kanal und p-kanal) C-MOS(Complementar MOS aus n-kanal und p-kanal) NAND Gatter: U E > 1,5V pull down pull-up, Y=1: A= B= pull-down, Y=: A=1 B=1 Kurzschluss - verboten!! U E < 2V pull up verbotener Bereich: U E = 1,5V 2V besser: 1V 2,5V A B Y NAND Ausgangskennlinie = f (U DS ) bei U GS = const. (arameter) Source Für U GS = const. Wächst zunächst linear mit U DS (I = U/), U DS = U GS - U th U GS = 5V U GS = 4V U GS = 3V U GS = 2V 5V U DS dann aber immer schwächer und für U DS > U GS U th gar nicht mehr (bzw. nur ganz wenig) Grund: Einschnürung des Kanals, Abschnürungbei Es hatte sich bei U GB (=U GS ) > U th ein n-kanal gebildet. Mit wachsendem U DS schnürt der Kanal sich auf der -Seite ein. Grund: die Spannung U DS fällt über der Länge des Kanals ab: = (Source): U K =, =L/2: U K U DS /2, =L (): U K = U DS U GS < 1,5V U DS U GS U th 54 U GS = U GK () U K (), U GK () wird zum hin immer kleiner 55 5

6 S G U GS U GK D U K () U GS U th und U DS < U GS -U th Kanal U GS < U th : = (keinkanal) U GS U th (und U DS < U = U GS - U th ): =K ((U GS -U th ) U DS - ½U DS2 ) U GS = U GK () U K (), U GK () >! U th U K () wird zum hin (d.h. mit wachsendem ) immer größer, entsprechend wird U GK () immer kleiner, der Kanal wird dort dünner. Wenn U GK () unter U th absinkt ist der Kanal völlig abgeschnürt! U K (L) = U DS, U GK (L) = U GS - U DS > U th, U DS < U GS -U th Kanal 56 K Steilheit, U Abschnür-(inch-off) Spannung U GS U th und U DS U GS -U th Kanal abgeschnürt der Strom wächst nicht weiter, setzen U DS = U GS -U th oben ein: =½ K (U GS - U th ) 2 unabhängig von U DS! 57 U GS U th und U DS U GS -U th Kanal abgeschnürt der Strom wächst nicht weiter: =½ K (U GS -U th ) 2 Aber warum kann überhaupt ein Strom fließen, wenn der Kanal doch abgeschnürt ist? Einfache Antwort: Würde kein Strom fließen, würde keine Spannung über dem Kanal abfallen und er wäre nicht mehr abgeschnürt. hsikalische Antwort: Das ist wie am Kollektor eines npn-transistors: die ganze Spannung U DS -U fällt über dem abgeschnürten Stück ab hohe Feldstärke. Elektronen aus dem Kanal, die in den Einfluss der Feldstärke kommen, werden zum 5V U gezogen, der Strom fließt also weiter. DS quadratische Funktion: = K ((U GS -U th ) U DS - ½ U DS2 ) U DS = U GS - U th unabhängig von U DS : = ½ K (U GS - U th ) 2 U GS = 5V U GS = 4V U GS = 3V U GS = 2V 6

7 Herleitung: =K ((U GS -U th ) U DS - ½U DS2 ) G = I / A = κ E = e n µ E (s. S. 22) I n = e n µ n A E A = W h (Weite Höhe des Kanals) I n = W µ n σ() E() σ= e n h - (Flächen-)Ladungsdichte Q = C U, σ= Q/A = C/A U = c U σ() = c o (U GS -U th -U K ()) I n = W µ n c o (U GS -U th - U K ()) du K /d Herleitung =K ((U GS - U th ) U DS - ½U DS2 ) I n = W µ n c o (U GS -U th - U K ()) du K /d I n L = W µ n c o ((U GS -U th ) U K (L) -½ U K2 (L)) keine Abschnürung - U K (L) = U DS = W/L µ n c o ((U GS -U th ) U DS -½ U DS2 ) K = W/L µ n c o Abschnürung- U K (L ) = U = U GS U th =½ W/L µ n c o (U GS -U th ) 2 L L (da L < L wächst mit steigendem U DS leicht an) 6 61 K = W/L µ n c o Steilheit Enthält Weite und Länge des Kanals in weiten Grenzen durch die Bauform beeinflussbar. Im p-kanal: K = W/L µ p c o (µ p < µ n ) I MAX = 5V / Abschnürung: =½ W/L µ n c o (U GS -U th ) 2 (da L < L wächst mit steigendem U DS leicht an) U th U GS U DS = U GS - U th U GS = 5V U GS = 4V U = U GS < U th : = (kein Kanal) U GS U th U GS sei nur wenig größer alsu th ( noch klein) wie groß ist jetzt U DS = U? U DS = 5V U = 5V 5V > U GS -U th U GS = 3V U GS = 2V 5V 62 der Kanal ist also schon abgeschnürt, es gilt: =½ K (U GS -U th )