[H3] Bauelemente (Halbleitertechnik)

Grundlagen

Halbleiterwerkstoffe

Wir unterscheiden:

  1. Reine Halbleiter wie Si, Se und Ge haben kristallinen Atomaufbau
  2. Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid bestehen aus Verbindungen von 3- und 5-wertigen Atomen.

Chemische Verbindung der Atome - Wertigkeit

Reine Halbleiter sind 4-wertig, das heißt jedes Atom stellt seine vier Valenz-Elektronen ab, die mit einem Elektron eines Nachbaratoms eine Elektronen-Paarbindung eingehen. Jedes Si-Atom hat vier Nachbaratome.

Die Wertigkeit steht für die Gruppe im Periodensystem und für die Fähigkeit, Nachbaratome zu binden.

Gitterstruktur von Silizium

Halbleiterkristall

Reine Halbleiter sind sehr schlechte Leiter, weil sich im Halbleiterkristall keine freien Ladungsträger befinden. Durch Dotation oder Hitzeeinwirkung werden sie zu Leitern.

Strom im Halbleiter

Eigenleitung

Die Eigenleitung des Halbleiters entsteht hauptsächlich durch Erwärmung. An der Eigenleitung sind Löcher und Elektronen beteiligt. (siehe Halbleitergrundlagen)

Störstellenleitung

p-leitendes Material wird mit 3-wertigem Fremdatomen dotiert, n-leitendes Material dagegen mit 5-wertigen Fremdatomen.

Die Fremdatome bilden die Störstellen im Halbleiter und sorgen dafür, das im Kristall freie Ladungsträger zur Verfügung stehen.

Die Störstellenleitung ist gewünscht und normalerweise wesentlich größer als die Eigenleitung.

Bauteile ohne Steueranschluss

Sperrschicht (Diode)

Am Übergang von der n- zur p- Schicht bildet sich die sogenannte Sperrschicht ( = Raumladungszone mit einem elektrischen Feld E = UD / d ).

In der Sperrschicht kommt es durch Diffusion zu Ladungsverschiebungen, deshalb herrscht dort die Diffusionsspannung

  1. UD = 0,7 V bei Si,
  2. UD = 0,3 V bei Ge.
In der Kennlinie erkennt man diese UD als Schleusenspannung US

Bei enstsprechender Polung verändert sich die Sperrschicht und die Feldstärke in der Raumladungszone wird auf- oder abgebaut:

  • "+" an p-Schicht bedeutet, die Sperschicht wird abgebaut ( = niederohmig)
  • "-" an p-Schicht bedeutet, die Sperschicht wird aufgebaut ( = hochohmig)

    pn - übergang ohne äußere Spannung

    pn-Übergang ohne äußere Spannung

    Die freien Ladungsträger der n-Schicht, die sehr nahe an der p-Schicht liegen, füllen die dort befindlichen Löcher auf (= Rekombination). Durch diesen Ladungsausgleich entsteht eine sehr dünne und ladungsarme Zone. Die Größe dieser Zone oder der Sperrschicht hängt von der Temperatur und der Dotierung ab.

    Durch die Bewegung der freien Ladungsträger im starren Si-Gitter ohne äußere Spannung (= Diffusion) entstehen in der n-Schicht positive Ionen (5 Protonen bleiben im Kern zurück) und in der p-Schicht negative Ionen. Die Ladungen sind in der Sperrschicht verschoben. Man spricht von einer Raumladungszone.

    Die Schichten wirken geladene Kondensatorplatten mit einem dazwischenliegenden Isolator (= ladungsarme Zone oder Raumladungszone). Das Elektrische Feld im Inneren des Kristallgitters enspricht einem Spannungsunterschied von etwa 0,6V (= Schleusenspannung US der Diode).

    pn - übergang mit äußerer Spannung

    1. "+" an n - Schicht; "-" an p - Schicht

    Dadurch werden einerseits die freien Ladungsträger abgezogen und anderseits die Löcher vollständig aufgefüllt. Die Sperrschicht stabilisiert sich.

    pn-Übergang mit

    "-" an n - Schicht; "+" an p - Schicht

    Dadurch wird einerseits die n - Schicht mit freien Ladungsträgern überschwemmt und anderseits die p - Schicht mit Löchern vergrößert. Die Sperrschicht wird abgebaut.

    pn-Übergang mit

    Arbeitsweise von Halbleiterdioden

    Wir untersuchen die Diode sehr genau im Laborunterricht, so dass hier nur kurz zusammengefasst wird.:

    1. Die Diode ist ein elektronischer Schalter, der richtungsabhängig Strom fließen läßt oder sperrt.
    2. Die Diode besitzt keinen konstanten Bauteilewiderstand, man spricht von einem dynamischen Widerstand (gekrümmte U - I - Kennlinie).
    3. Eine leitende Diode kann den Strom nicht begrenzen, sie muss durch in Reihe geschaltene Widerstände geschützt werden.
    4. Eine Diode kann nur eine begrenzte Spannung sperren. (max. Sperrspannung ist Grenzwert)
    5. Der fließende Strom erhitzt die Sperrschicht und darf ein zulässiges Maß deshalb nicht übersteigen.

    Grenzdaten von Dioden

    Dioden-Datenblatt

    Bauarten von Halbleiterdioden

    Man unterscheidet:

    1. Flächen-
    2. Spitzen- und
    3. Leistungsdioden (Gleichrichter)

    zu 1.) Prinzip Plardiode

    Diese Darstellung zeigt eine mittels Diffusion hergestellte Flächendiode. Der p-n-übergang ist großflächig.

    Si-Planardioden werden für größere Ströme gebaut.

    Ein Problem stellt die Fläche bei schnelleren Schaltfrequenzen dar.

    zu 2.) prinzip Spitzendiode

    Auf eine Germaniumplatte wird eine Metallspitze geschweißt, deren Legierungsbestandteile in einer kleinen Zone um die Spitze Akzeptoren bilden.

    Der p-n-übergang ist daher sehr klein.

    Ge-Spitzendioden werden für NF-Technik (hohe Frequenzen) gebaut.

    zu 3.) Prinzip Leistungsdiode Silizium hat sehr gute Schalteigenschaften (steile Kennlinie über US = 0,7V)

    Damit hat die Diode auch bei großen Stromstärken (500A, 1000A), relativ geringe Verluste. Die Siliziumpille wird aus Kühlungsgründen sehr klein gehalten.

    Das Gehäuse von Leistungdioden muss die Wärme gut abführen und ist daher aus Metall (oft sind Gewinde integriert).

    Halbleiterdioden mit speziellen Eigenschaften

    Z - Dioden

    Sie sind besonders dotierte Si - Dioden, die in Sperrrichtung bei einer bestimmten Spannung (Zener-Spannung UZ) zu schalten beginnen.

    Sie werden zur Erzeugung von Referenzspannungen und zur Stabilisierung von Spannungen verwendet.

    Kapazitätsdioden

    Auch sie wird in Sperrrichtung betrieben. Dabei wird aber die Kapazität der Sperrschicht ausgenützt, die sich mit unterschiedlicher Spannung ebenfalls ändert.

    Sie werden in Empfangsstufen von Radios und Fernsehern statt der riesigen Drehkondensatoren eingesetzt.

    Schottky-Dioden (Hot Carrier - Dioden)

    Das sind Metall-Halbleiter-Dioden, die lediglich eine n-Schicht besitzen. Die Raumladungszone besitzt keine ionisierten Akzeptoratome. Das bringt einen sehr raschen übergang vom Sperrzustand in den Schaltzustand.

    Schottkydioden sind extrem schnelle Schalterdioden für die Mikrowellentechnologie.

    Zusammenfassung


    Dreischichtdiode

    Allgemein:

    Die Bezeichnung DIAC steht für Diode alternating current switch. Es handelt sich also um einen Wechselstromschalter.

    Das Symbol (rechts) verdeutlicht die Schaltfunktion, indem zwei antiparallel geschaltete Dioden dargestellt werden.

    Symbol 3-Schichtdiode

    Aufbau

    3-Schichtdiode

    Das Bauelement wird auch Zweirichtungsdiode oder Triggerdiode genannt. Die zwei Sperrschichten S1 und S2 sind gegensinnig gepolt.

    Die elektrischen Anschlüsse bilden die zwei Anoden A1 und A2 an den außen liegenden P-Schichten (vgl. Diode).

    Wirkungsweise

    Unabhängig von der Polung gilt: ein pn-übergang sperrt immer.

    Bevor die Kippspannung UB0 erreicht wird, fließt lediglich ein Reststrom (etwa 50µA). Nach dem Erreichen der Kippspannung (20V bis 50V) leitet der DIAC, bis die Spannung um Δ U ( = 5V bis 10V ) zurück geht.

    Bis zu einer Verlustleistung von 300mW sind periodische Spitzenströme bis 2A (etwa 30µs; 300Hz) zulässig.

    Kennlinie

    Die Kennlinie zeigt deutlich die Schaltschwelle:
    ( UB0 | IBR )

    Nach dem Schalten bleibt ein Spannungsabfall von
    10V bis 35V ( = UB0 - ΔU )
    am Bauteil erhalten, der über die Verlustleistung bemerkbar macht.

    Das Bauteil hat keine sehr guten Schaltereigenschaften.

    KL-Dreischichtdiode

    Verwendung

    Das Bauteil wird hauptsächlich zur Ansteuerung von Thyristoren oder TRIACs eingesetzt.

    Vierschichtdiode

    Allgemein:

    Sie ist ein nicht steuerbarer Thyristor mit genau festgelegter Durchbruchspannung in Vorwärtsrichtung. Man spricht auch von der rückwärts sperrenden Thyristordiode. Symbol der Vierschichtdiode

    Aufbau

    4-Schichtdiode

    Die Vierschichtdiode besitzt drei PN-übergänge. So verhindern entweder zwei oder eine Sperrschicht die Stromleitung.

    Wirkt an der Anode eine positive Spannung (Halbwelle) gegenüber der Kathode, ist nur eine Sperrschicht wirksam. Diese kann überwunden werden.

    Wirkungsweise

    Das Bauelement läßt den Strom nur in einer Richtung ( A = "+"; K = "-") durch. Die Vierschichtdiode hat eine Sperrrichtung (Reversebetrieb wie eine Diode oder ein Thyristor).

    In Durchlassrichtung kann durch ein sogenanntes überkopfzünden über der Kippspannung UB0 ( = 5V bis 20V) das Bauteil leitend werden.

    Kennlinie

    Die Kennlinie zeigt ein deutliches Schaltverhalten in der Durchlassrichtung. Nach der Kippspannung geht der Spannungsabfall des Bauelementes auf die Schleusenspnnung (0,7V) einer Diode zurück.

    Das Bauteil hat sehr gute Schaltereigenschaften.

    KL-Vierschichtdiode

    Verwendung

    zur Stromimpulserzeugung oder als Triggerdiode für Thyristoren.

  • Bauteile mit Steueranschluss

    Fünfschichtdioden

    Allgemein:

    Sie ist eigentlich eine Antiparallelschaltung von zwei Thyristordioden. Symbol der 5-Schichtdiode

    Aufbau

    5-Schichtdiode

    Die Fünfschichtdiode besitzt 2 x drei PN-übergänge (in Gegenrichtung gegedacht). So verhindern entweder zwei oder eine Sperrschicht die Stromleitung je Halbwelle.

    Wirkt an der Anode 1 eine positive Spannung (Halbwelle) gegenüber der Anode 2, ist nur eine Sperrschicht wirksam. Diese kann überwunden werden. Das selbe gilt für die umgekehrte Stromrichtung

    Wirkungsweise

    Kurz gesagt: Die Wirkung lässt sich aus der Wirkungsweise der Vierschichtdiode ableiten. Die Stromrichtung ist egal.

    Kennlinie

    Die Kennlinie zeigt das Schaltverhalten in beiden Richtungen. KL-Fünfschichtdiode

    Verwendung

    bis 3A als kontaktlose Schalter und zur Ansteuerung von TRIAC's.

    Transistoren

    Bipolarer Transistor

    Allgemein

    Die Bezeichnung Transistor steht für Transmitted Resistor ( = übertragener Widerstand). Seit seiner Erfindung 1948 in Amerika hat es eine Unzahl von Weiterentwicklungen gegeben.

    Grundsätzlich unterscheiden wir:

    1. Dreischicht-Varianten (Sie besitzen zwei pn-Übergänge = Bipolare-Transistoren und
    2. Zweischicht-Varianten (Sie besitzen einen pn-Übergang = Unipolare- oder Feldeffekt-Transistoren

    Aufbau

    npn_Transistor Schichtenfolge

    Das Bauelement besteht aus einem Halbleiterkristall, das unterschiedlich dotiert wurde.

    So ist es möglich, zwei Schichtenfolgen zu erzeugen:

    1. pnp-Transistoren und
    2. npn- -Transistoren (Bild links)

    Die Arbeitsweise des Transistors ist in beiden Fällen die selbe, es muss nur die Polung der Spannung vertauscht werden.

    Die Anschlussbezeichnung bedeutet:
    1. C = Kollektor (Sammler der freien Ladungsträger)
    2. B = Basis (Steueranschluss)
    3. E = Emitter (Aussender der freien Ladungsträger)
    Symbol für npn-Transistor
    npn-Transistor
    Symbol für pnp-Transistor
    pnp-Transistor

    Die Wirkungsrichtung wird im Symbol verdeutlicht. Der Pfeil gibt die technische Stromrichtung am Emitter an.

    Wirkungsweise

    Wirkungsprinzip des Bipolaren Transistors

    Liegt nur die Spannung UCE an, ist die Kollektror-Basis-Diode in Sperrrichtung gepolt. Es fließt lediglich ein winziger Reststrom.

    Wird auch die Spannung um UB angelegt, fließen - vom Emitter kommend - freie Elektronen in die Basiszone. Weil diese Zone sehr dünn und schwach dotiert ist, rekombinieren nur sehr wenige Elektronen.

    Die meisten (über 95%) der Elektronen gelangen so zum Kollektor.

    Prinzip der Stromsteuerung am Transistor

    Von außen betrachtet, steuert ein kleiner Basisstrom IB einen großen Kollektorstrom IC.

    Oder:
    Der Basisstrom verstellt die Größe des Widerstandes zwischen Kollektor und Emitter (RCE).

    Kennlinie

    UB = 0,7V

    Die Eingangsseite entspricht einer normalen Basis-Emitter-DiodeDiode.
    (Basisstrom IB getrieben von der Basisspannung UB)
    Dem entsprechend sieht die Eingangskennlinie wie eine normale Diodenkennlinie aus (nicht mehr dargestellt)

     

    Kennlinie des Bipolaren Transistors

    Die Stromsteuerkennlinie zeigt die Stromverstärkung B des Transistors. Wir unterscheiden:
    statische Stromverstärkung a) die Gleichstromverstärkung und
    dynamische Stromverstärkung b) die Wechselstromverstärkung
    Ausgangswiderstand

    Auf der Ausgangsseite ist der Widerstand zwischen Kollektor und Emitter RCE entscheidend. Hier fließt der Kollektorstrom IC, der ab dem Sättigungsbereich praktisch nicht mehr von der treibenden Spannung UCE abhängt.

    Je größer RCE ist, desto kleiner ist der Einfluss von UCE.

    Verwendung

    als Verstärker

    Sind im Schalterbetrieb eigentlich nur zwei Extreme interessant, möchte man im Verstärkerbetrieb den ganzen sogenannten Aussteuerbereich ausnützen. Ein kleines Wechselstromsignal am Eingang soll in ein verstärktes Ausgangssignal umgewandelt werden. Die Praxis wird im Laborunterricht vermittelt.

    An dieser Stelle konzentrieren wir uns auf die Grundschaltungen der Transistorverstärker und ihre wesentlichen Eigenschaften:

    Grundschaltungen

    Den Namen für die Schaltung gibt der jeweils gemeinsame Anschluss:

    Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung
    Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung

    Zusammenstellung der Eigenschaften

    Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung
    Eingangswiderstand in Ω mittel
    400 - 2k
    groß
    200k - 500k
    klein
    50 - 200
    Ausgangswiderstand in Ω groß
    10k - 100k
    klein
    100 - 500
    groß
    500k - 2M
    Stromverstärkung groß
    10 - 100
    groß
    10 - 100
    <1
    Spannungsverstärkung groß
    10 - 100
    <1 groß
    10 - 100
    Leistungsverstärkung sehr groß
    1.000 - 10.000
    mittel
    10 - 100
    groß
    100 - 1.000
    Verwendung NF + HF NF HF

    Unipolarer Transistor

    Allgemein

    Sie werden auch Feldeffekt-Transistoren genannt (engl. Field Effect Transistor oder kurz FET's).

    FET's haben den Vorteil, dass sie mit sehr kleinen Steuerleistungen arbeiten können.

    Aufbau

    Schichten des Unipolar Transistors

    Der n-Kanal liegt zwischen dem Substrat (p-Silizium) und einer dünnen p-Schicht, an der das Gate angeschlossen ist. An den Enden des Kanals liegen stark n-dotierte Inseln, mit den Anschlüssen Source und Drain.

    Der Metallkontakt des Gate und des Bodens (Substrat) sind elektrisch verbunden, besitzen also gleiches Potential.

    Die Anschlussbezeichnung kann mit der des Bipolaren Transistors verglichen werden:

    • D = Drain (Sammler der freien Ladungsträger) - C
    • G = Gate (Steueranschluss) - B
    • S = Source (Aussender der freien Ladungsträger) - S

    Bei symmetrischen Bauteilen können S- und D-Anschluss ohne Weiteres vertauscht werden.

    Wirkungsweise

    Kennlinie

    Symbol n-Kanal-FET

    Der Feldeffekt liegt darin, dass der Leitungsquerschnitt des n-Kanals durch ein elektrisches Feld der Gate-Source-Spannung verändert werden kann. Durch die negativ gepolte UGS wird der Kanal mehr und mehr abgeschnürt. Der Widerstand rDS zwischen Drain und Source nimmt zu.

    Die Erzeugung eines elektrischen Feldes benötigt aber keinen elektrischen Strom, deshalb ist der Eingangswiderstand eines FET sehr groß.

    Kennlinie des n-Kanal-FET
    UP < 5V (beispielhaft)

    Die Ausgangsseite (Drainstrom ID) wird mit der -UGS gesteuert. Erreicht sie den typenabhängigen Wert UP (pinch-off-voltage), so wird der Kanal restlos abgeschnürt und ID = 0.

    Vorwärtssteilheit des n-Kanal-FET a) die Übertragungskennlinie liefert die sogenannte Vorwärtssteilheit S in Siemens.
    Ausgangswiderstand eines FET b) die Ausgangskennlinie liefert den Ausgangswiderstand rDS in Ω.

    MOS - FET

    Damit die sehr guten Schalteigenschaften der Feldeffekttransistoren auch im Leistungsbereich (ID = 5 A .... 60 A) genützt werden können, muss der n-Kanal umgestaltet werden. Beim oben dargestellten Planartypen liegt er sehr nahe an der Oberfläche. Die Stromverteilung ist ebenfalls sehr flach, d. h. der Querschnitt ist sehr klein.

    Zur Querschnittsvergrößerung wird der Kanal vertikal gebildet (VMOS), der Drain-Anschluss liegt unten. Das Gate ist vollkommen in Silizium-Oxyd eingebettet. Si-On ist ein perfekter Isolator (Insulated Gate Typ). Dadurch wird die Feldsteuerung über das Gate praktisch stromlos möglich.

    Von daher läßt sich die Bezeichnung Metall Oxyd Semicondactor ableiten.

    Aufbau

    MOS-FET

    Durch die Parallelschaltung mehrer Kanäle in der links gezeigten Weise, kann die Schaltleistung erhöht werden. Die verschieden dotierte Siliziumtablette (n und n+) wird durch doppelte Diffusion erzeugt.

    Einige Hersteller verwenden deshalb verschiedene Bezeichnungen für dieses Bauteil:

    • DMOS-Leistungstransistor
    • SIPMOS- (Fa. Siemens)
    • TMOS- (Fa. Motorola)

    Zusammenstellung

    Es gibt verschiedene Arten, die sich hauptsächlich durch die Polung der Steuerspannung unterscheiden:

    1. Sperrschicht-FET (J-FET) ....siehe 2.2
      1. p-Kanal-FET
      2. n-Kanal-FET
    2. Isolierschicht-FET (IG-FET) ....siehe 3.2
      1. Verarmungstyp
        1. p-Kanal-FET
        2. n-Kanal-FET
      2. Anreicherungstyp
        1. p-Kanal-FET
        2. n-Kanal-FET

    In der folgenden Tabelle werden die verschiedenen FET-Symbole mit den Übertragungskennlinien gegenübergestellt:

    FET-Familienfoto

    Gegenüberstellung

    Transistor als Schalter

    Transistoren werden in der Digitaltechnik (Elektronik, Computertechnik....) und auch in der Leistungselektronik (SPS, CNC ...) als kontaktfreie Schalter verwendet. Der Vorteil liegt auf der Hand. Problematisch ist allerdings, dass eine Abschaltung keine galvanische Trennung bedeutet.

    Schalten bipolarer Transistor als Schalter unipolarer Transisitor als Schalter
    der Transistor wird angesteuert der bipolare mit IB der unipolare mit UGS
    der Ausgangswiderstand wird sehr klein RCE rDS
    Sperren die Transistoren werden nicht angesteuert
    der Ausgangswiderstand wird sehr hochohmig RCE = einige Kilo-Ohm rDS = einige Mega-Ohm
    die Ausgangsspannung wird sehr groß UQ = US (in der Digitaltechnik ist das einfach der logische Zustand "1")