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SRT-Transistoren

[FK/EMT]

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:

Dreischicht-Varianten (Sie besitzen zwei pn-Übergänge = Bipolare-Transistoren und
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

Wirkungsprinzip des Bipolaren Transistors

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

Wird auch die Spannung um U_B 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 I_B einen großen Kollektorstrom I_C.

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

Kennlinie

U_B = 0,7V	Die Eingangsseite entspricht einer normalen Basis-Emitter-DiodeDiode. (Basisstrom I_B getrieben von der Basisspannung U_B) 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 R_CE entscheidend. Hier fließt der Kollektorstrom I_C, der ab dem Sättigungsbereich praktisch nicht mehr von der treibenden Spannung U_CE abhängt. Je größer R_CE ist, desto kleiner ist der Einfluss von U_CE.

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 U_GS wird der Kanal mehr und mehr abgeschnürt. Der Widerstand r_DS zwischen Drain und Source nimmt zu.

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


U_P < 5V (beispielhaft)	Die Ausgangsseite (Drainstrom I_D) wird mit der -U_GS gesteuert. Erreicht sie den typenabhängigen Wert U_P (pinch-off-voltage), so wird der Kanal restlos abgeschnürt und I_D = 0.
	a) die Übertragungskennlinie liefert die sogenannte Vorwärtssteilheit S in Siemens.
	b) die Ausgangskennlinie liefert den Ausgangswiderstand r_DS 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:

Sperrschicht-FET (J-FET) ....siehe 2.2
1. p-Kanal-FET
2. n-Kanal-FET
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
der Transistor wird angesteuert	der bipolare mit I_B	der unipolare mit U_GS
der Ausgangswiderstand wird sehr klein	R_CE	r_DS
Sperren	die Transistoren werden nicht angesteuert
der Ausgangswiderstand wird sehr hochohmig	R_CE = einige Kilo-Ohm	r_DS = einige Mega-Ohm
die Ausgangsspannung wird sehr groß	U_Q = U_S (in der Digitaltechnik ist das einfach der logische Zustand "1")