Wir unterscheiden:
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. |
Halbleiterkristall |
Reine Halbleiter sind sehr schlechte Leiter, weil sich im Halbleiterkristall keine freien Ladungsträger befinden. Durch Dotation oder Hitzeeinwirkung werden sie zu Leitern. |
Die Eigenleitung des Halbleiters entsteht hauptsächlich durch Erwärmung. An der Eigenleitung sind Löcher und Elektronen beteiligt. (siehe Halbleitergrundlagen)
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.
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
Bei enstsprechender Polung verändert sich die Sperrschicht und die Feldstärke in der Raumladungszone wird auf- oder abgebaut:
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).
Dadurch werden einerseits die freien Ladungsträger abgezogen und anderseits die Löcher vollständig aufgefüllt. Die Sperrschicht stabilisiert sich.
Dadurch wird einerseits die n - Schicht mit freien Ladungsträgern überschwemmt und anderseits die p - Schicht mit Löchern vergrößert. Die Sperrschicht wird abgebaut.
Wir untersuchen die Diode sehr genau im Laborunterricht, so dass hier nur kurz zusammengefasst wird.:
Man unterscheidet:
zu 1.) | 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. |
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zu 2.) | 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. |
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zu 3.) | Silizium hat sehr gute Schalteigenschaften (steile Kennlinie über 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). |
Sie sind besonders dotierte Si - Dioden, die in Sperrrichtung bei einer bestimmten Spannung (Zener-Spannung
Sie werden zur Erzeugung von Referenzspannungen und zur Stabilisierung von Spannungen verwendet.
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.
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.
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. |
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). |
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.
Die Kennlinie zeigt deutlich die Schaltschwelle: Nach dem Schalten bleibt ein Spannungsabfall von Das Bauteil hat keine sehr guten Schaltereigenschaften. |
Das Bauteil wird hauptsächlich zur Ansteuerung von Thyristoren oder TRIACs eingesetzt.
Sie ist ein nicht steuerbarer Thyristor mit genau festgelegter Durchbruchspannung in Vorwärtsrichtung. Man spricht auch von der rückwärts sperrenden Thyristordiode. |
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. |
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.
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. |
zur Stromimpulserzeugung oder als Triggerdiode für Thyristoren.
Sie ist eigentlich eine Antiparallelschaltung von zwei Thyristordioden. |
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 |
Kurz gesagt: Die Wirkung lässt sich aus der Wirkungsweise der Vierschichtdiode ableiten. Die Stromrichtung ist egal.
Die Kennlinie zeigt das Schaltverhalten in beiden Richtungen. |
bis 3A als kontaktlose Schalter und zur Ansteuerung von TRIAC's.
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:
Das Bauelement besteht aus einem Halbleiterkristall, das unterschiedlich dotiert wurde. So ist es möglich, zwei Schichtenfolgen zu erzeugen:
Die Arbeitsweise des Transistors ist in beiden Fällen die selbe, es muss nur die Polung der Spannung vertauscht werden. |
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Die Anschlussbezeichnung bedeutet:
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Die Wirkungsrichtung wird im Symbol verdeutlicht. Der Pfeil gibt die |
Liegt nur die Spannung Wird auch die Spannung um Die meisten (über 95%) der Elektronen gelangen so zum Kollektor. |
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Von außen betrachtet, steuert ein kleiner Basisstrom Oder: |
Die Eingangsseite entspricht einer normalen
Basis-Emitter-DiodeDiode. |
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Die Stromsteuerkennlinie zeigt die Stromverstärkung |
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a) die Gleichstromverstärkung und | |
b) die Wechselstromverstärkung | |
Auf der Je größer |
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
Den Namen für die Schaltung gibt der jeweils gemeinsame Anschluss:
Emitterschaltung | Kollektorschaltung | Basisschaltung |
---|---|---|
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 |
Sie werden auch Feldeffekt-Transistoren genannt (engl.
FET's haben den Vorteil, dass sie mit sehr kleinen Steuerleistungen arbeiten können.
Der n-Kanal liegt zwischen dem Substrat (p-Silizium) und einer dünnen p-Schicht, an der das 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:
Bei symmetrischen Bauteilen können S- und D-Anschluss ohne Weiteres vertauscht werden. |
Der Die Erzeugung eines elektrischen Feldes benötigt aber keinen elektrischen Strom, deshalb ist der Eingangswiderstand eines FET sehr groß. |
UP < 5V (beispielhaft) |
Die |
a) die Übertragungskennlinie liefert die sogenannte Vorwärtssteilheit |
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b) die Ausgangskennlinie liefert den Ausgangswiderstand |
Damit die sehr guten Schalteigenschaften der Feldeffekttransistoren auch im Leistungsbereich (
Zur Querschnittsvergrößerung wird der Kanal vertikal gebildet (
Von daher läßt sich die Bezeichnung
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:
|
Es gibt verschiedene Arten, die sich hauptsächlich durch die Polung der Steuerspannung unterscheiden:
In der folgenden Tabelle werden die verschiedenen FET-Symbole mit den Übertragungskennlinien gegenübergestellt:
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.
der Transistor wird angesteuert | der bipolare mit |
der unipolare mit |
der Ausgangswiderstand wird sehr klein | ||
Sperren | die Transistoren werden nicht angesteuert | |
der Ausgangswiderstand wird sehr hochohmig | ||
die Ausgangsspannung wird sehr groß |