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Universit¨at Osnabr¨uck Fachbereich Physik
Dr. Wolfgang Bodenberger
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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. 1956 erhielten sie daf¨ur den Nobelpreis. (John Bardeen erhielt 1972 einen zweiten Nobelpreis f¨ur die Entwicklung der BCS - Theorie der Supraleitung mit Cooper und Schriefer zusammen.) C K o lle k to r C C
n B a s is p
B B
B n
E
E m ite r E E n p n - T ra n s is to r - A u fb a u - F u n k tio n - S c h a lts y m b o l C C
C p B
B n
B
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E p n p - T ra n s is to r - A u fb a u - F u n k tio n - S c h a lts y m b o l
3.1 Der Fl¨achen-Transistor Ein Transistor besteht aus zwei Halbleiter-Diodenstrecken mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung, deren Sperrschichten jedoch sehr nahe beieinander liegen. Die gemeinsame Elektrode heißt Basis, die beiden a¨ ußeren Gebiete Kollektor bzw. Emitter. Sowohl die Dotierungs-Reihenfolge npn (meist bei Silizium als Grundmaterial) als auch die Folge pnp (meist bei Germanium) wird bei handels¨ublichen Transistoren angetroffen.
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In beiden F¨allen wird die Durchlaßrichtung der BasisEmitter-Diode durch einen Pfeil gekennzeichnet. Diese Kennzeichnung identifiziert eindeutig, ob es sich um einen npn- oder einen pnp-Transistor handelt. Bezeichnungen von Str¨omen und Spannungen. Str¨ome werden positiv gez¨ahlt, wenn sie in den Transistor hineinfließen. iC = Kollektorstrom iB = Basisstrom iE = Emitterstrom Wegen der G¨ultigkeit der Kontinuit¨atsgleichung gilt f¨ur die Summe der Str¨ome immer iC + iB + iE = 0 Spannungen und ihre Z¨ahlrichtung werden in der u¨ blichen Weise angegeben, z.B. ist uEC = ϕE - ϕC die Potentialdifferenz zwischen Emitter und Kollektor. Transistor - Grundschaltungen B a s is s c h a ltu n g
i
u E B E
u
C B
Alle Potentiale sind bezogen auf das Potential der Basis. Variable sind uEB , uCB ; iE und iC .
E m itte rb a s is s c h a ltu n g i u
iB
C
Alle Potentiale sind bezogen auf das Potential des Emitters Variable sind uCE , uBE ; iB , iC
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K o lle k to rb a s is s c h a ltu n g u i
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B C
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E
Alle Potentiale sind bezogen auf das Potential des Kollektors Variable sind uBC ,uEC ; iB , iE
E
3.11 Kennlinien des Fl¨achentransistors. Das Verhalten des Transistors in den drei Grundschaltungen wird durch die Verkn¨upfung von vier Variablen, 2 Spannungen und 2 Str¨omen definiert. In den beiden Kreisen kann man jeweils eine Variable von außen vorgeben, d.h. unabh¨angig variieren. Die beiden anderen Gr¨oßen sind dann durch die Transistoreigenschaften bestimmt.
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Welche zwei der vier Gr¨oßen als unabh¨angig und welche als abh¨angig angesehen werden, ist im Prinzip gleichg¨ultig. Es ist jedoch vern¨unftig, bei einer in Durchlaßrichtung betriebenen Diodenstrecke den Diodenstrom als unabh¨angige Variable zu betrachten, da der Arbeitspunkt hier im wesentlichen durch den Durchlaßstrom bestimmt ist..(bei einer idealen Diode ist in Durchlaßrichtung u¨ berhaupt 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 sinngem¨aß vern¨unftiger, jetzt die Spannung als unabh¨angige Variable einzuf¨uhren, da hier der Arbeitspunkt wesentlich durch die Spannung an der Diode festgelegt ist (bei einer idealen Diode ist in Sperrichtung u¨ berhaupt nur die Spannung variierbar, der Sperrstrom ist immer Null!). Man bezeichnet eine in Sperrichtung betriebene Diode daher auch als ein spannungsgesteuertes Element.
n p n - T ra n s is to r P o lu n g in D u rc h la ß ric h tu n g Entsprechend dieser Argumente werden beim Transistor die unabh¨angigen Variablen gew¨ahlt. Wird die entsprechende. Diodenstrecke im Normalfall in Durchlaßrichtung betrieben, w¨ahlt man den Strom als unabh¨angige Variable, im anderen Fall die Spannung. Funktionsweise eines Bipolar Transistors. Um die Arbeitsweise eine Transistors zu verstehen ist es notwendig sich den Konzentrationsverlauf der Majorit¨atstr¨ager in den drei Schichten zu veranschaulichen.
Wirkungsweise eines npn - Transistors. Zwischen Kollektor und Basis wird eine Spannung ange¨ legt, die den pn - Ubergang 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 l¨aßt 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 Majorit¨atstr¨ager.
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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 a¨ ußeren Stromkreis fließt ein Stom, der durch den Durchlaßstrom der Basis - Emitter - Diode gesteuert wird.
Die Abh¨angigkeit der beiden anderen Gr¨oßen von den als unabh¨angig definierten Variablen l¨aßt sich nicht durch einen geschlossenen analytischen Ausdruck angeben. Traditionsgem¨aß stellt man diese Zusammenh¨ange graphisch in Form von Kennlinienfeldern dar.
a) Kennlinien eines Transistors in Basisschaltung (npn). Variable sind uEB ,uCB ; iE , iC Im Normalfall wird die Basis Kollektordiode in Sperrrichtung und die Basis-Emitterdiode in Durchlaßrichtung betrieben (aktiver Bereich eines Transistors). Daher ist es vern¨unftig , iE und uCB als unabh¨angige Variable zu betrachten, die beiden anderen Gr¨oßen, uEB und iC als abh¨angig. Der Zusammenhang iC = f(uCB ,iE ); iE als Parameter wird als Ausgangskennlinienfeld bezeichnet, der Zusammenhang uEB = f(iE ,uCB ); uCB als Parameter, entsprechend als Eingangskennlinienfeld. Ausgangskennlinien in Basisschaltung.
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C B
- u C B
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iE u
C B
A u s g a n g s k e n n lin ie n fe ld C
Ist iE = 0, so fließt u¨ ber die Basis-Kollektor-Didde nur ein schwacher Sperrstrom iCE0 ; der wie bei einer normalen Diode von den wenigen Elektronen der p-Schicht und den wenigen L¨ochern der Kollektor-n-Schicht bestimmt ist, d.h. von Minorit¨atstr¨agerstr¨omen. Der Zusammenhang zwischen iC und uCB wird durch eine normale Diodenkennlinie im Sperrbereich beschrieben. iE ≤ 0 : Schickt man jetzt einen Strom iE in Durchlaßrichtung durch die Basis-Emitter-Diode ( iE ≤ 0, da per Konvention die Richtung in den Transistor hinein f¨ur alle Str¨ome als positive Stromrichtung gez¨ahlt.wird), so besteht der u¨ ber die Grenzschicht zwischen Emitter und Basis fließende Strom im wesentlichen aus Elektronen, die vom n-Gebiet des Emitters ins p-Gebiet der Basis her¨uberkommen. Die Basis ist so d¨unn, daß ein großer Teil dieser Elektronen bis zur Basis-Kollektor-Grenzschicht diffundiert, bevor es zur Rekombination mit den L¨ochern der p-Basis kommt. In dem an der Basis-Kollektor-Grenzschicht herrschenden Potentialgef¨alle werden die Elektronen dann sofort zum Kollektor hin abgesaugt. Der durch die p-Basis vom Emitter zum Kollektor wandernde Elektronenstrom ist praktisch ein reiner Diffusionsstrom, der durch das Dichtegef¨alle von nP -zwischen Emittergrenzschicht und Kollektogrenzschicht hervorgerufen wird. An der Grenze zum Kollektor ist nP nahezu gleich Null, da alle Elektronen, die dort auftauchen, sofort den Potentialberg zum Kollektor hinunterlaufen. Zum Emitter hin w¨achst nP im einfachsten Fall linear an. Man bezeichnet die Fl¨ache 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 u¨ ber die Basis zum Kollektor fließenden Elektronen erh¨oht sich der Kollektorstrom um einen Betrag, der proportional zu iE ist: ⎞ ⎛ e0 · uCB − (1) iC = iCE0 ⎝1 − e k · T ⎠ − α · iE Der Faktor α heißt Stromverst¨arkung. Er hat f¨ur handels¨ubliche Transistoren einen Wert nahe bei 1,
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0,9 ≤ α ≤ 0,997 und ist f¨ur Kollektorspannungen uCB ≥ o,5 Volt praktisch unabh¨angig von uCB . Die Kennlinien iC = f(uCB , iE ) sind daher in guter N¨aherung Diodenkennlinien, die jeweils um den Betrag −α· iE gegen die Kennlinie f¨ur iE = 0 verschoben sind. Bei großen Kollektorstr¨omen ist die Steigung der Kennlinien gr¨oßer als nach dem oben genannten Gesetz zu erwarten w¨are. Das liegt im wesentlichen daran, daß der Strom im Material des Transistors einen ohmschen Spannungsabfall hervorruft. 1
der Kennlinien hat die Dimension eines Leitwertes. rCB Man bezeichnet rCB als Kollektorwiderstand, oder Innenwiderstand des Kollektors.
Die Steigung
F¨ur Transistoren mittlerer Leistung ist rCB von der Gr¨oßenordnung einige MOhm. Da α f¨ur alle npn-Transistoren (gilt entsprechend auch f¨ur 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 Basis-Emitter-Diode wird im Normalfall (aktiver Bereich) in Durchlaßrichtung betrieben. Die Kennlinien
uEB = f(iE , uCB ) ; uCB als Parameter sind f¨ur Spannungen uCB ≥ o,5 Volt praktisch unabh¨angig von uCB , d.h. sie entarten zu einer einzigen (Dioden!)Kennlinie:
Die Steigung der Kennlinie ist stark abh¨angig von iE wie bei einer normalen Diode auch. Der dynamische Durchlaßwiderstand rE hat im normalen Betrieb des Transistors Werte zwischen 5 Ohm und 5o Ohm bei Transistoren mittlerer Leistung.
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Bi - Polar - Transistoren in Planartechnik 3.Aktive Bauelemente 3.2 Planartransistoren
P N P T ra n s is to r o h n e D iffu s io n s S p a n n u n g R a u m la d u n g s z o n e n . A n g le ic h u n g d e r F e r im E n e rg ie d ia g ra m m
S p a n n u n g a n d e n m i N iv e a u s .
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