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")