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.	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 = U_D / d ).

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

1. U_D = 0,7 V bei Si,
2. U_D = 0,3 V bei Ge.

In der Kennlinie erkennt man diese U_D als Schleusenspannung U_S

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

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 U_S 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.

"-" 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.

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

Bauarten von Halbleiterdioden

Man unterscheidet:

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

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.
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.
zu 3.)		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 U_Z) 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

Halbleiter

• Kristall
• Si | Ge = 4-wertig (jedes Atom hat vier Nachbaratome)
• in reiner Form = temperaturabhängiger Isolator
• Dotierung
• Fremdatome = Störstellen werden in Kristallgitter eingebaut
• Wertigkeit
• n-Schicht
• Störstelle: P = 5-wertig
• p-Schicht
• Störstelle: Al = 3-wertig
• p-n-übergang
• ohne angelegte Spannung
• Raumladungszone durch Diffusion
• mit angelegter Spannung
• (+) an Kathode
• Pluspol saugt e^- ab
• Sperrschicht wird ausgebaut
• Diode sperrt
• (-) an Kathode
• Minuspol überschwemmt Sperrschicht mit  e^-
• Sperrschicht wird abgebaut
• Diode leitet

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.

Aufbau

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 U_B0 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.

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.

Aufbau

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 U_B0 ( = 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.

Verwendung

zur Stromimpulserzeugung oder als Triggerdiode für Thyristoren.

Bauteile mit Steueranschluss

Fünfschichtdioden

Allgemein:

Sie ist eigentlich eine Antiparallelschaltung von zwei Thyristordioden.

Aufbau

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.

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

	Das Bauelement besteht aus einem Halbleiterkristall, das unterschiedlich dotiert wurde. So ist es möglich, zwei Schichtenfolgen zu erzeugen: pnp-Transistoren und 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: C = Kollektor (Sammler der freien Ladungsträger) B = Basis (Steueranschluss) E = Emitter (Aussender der freien Ladungsträger)
npn-Transistor pnp-Transistor	Die Wirkungsrichtung wird im Symbol verdeutlicht. Der Pfeil gibt die technische Stromrichtung am Emitter an.

Wirkungsweise

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

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

	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

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.

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.
	a) die Übertragungskennlinie liefert die sogenannte Vorwärtssteilheit S in Siemens.
	b) die Ausgangskennlinie liefert den Ausgangswiderstand rDS in Ω.

MOS - FET

Damit die sehr guten Schalteigenschaften der Feldeffekttransistoren auch im Leistungsbereich (I_D = 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-O_n 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

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:

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
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")