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Der bipolare Transistor
9
Der bipolare Transistor
Der bipolare Transistor ist ein Halbleiter-Bauelement, bei dem mit einem kleinen Steuerstrom ein großer Hauptstrom gesteuert wird.
9.1
Aufbau und Herstellungsverfahren
Der bipolare Transistor ist ein Bauelement, in dem innerhalb eines Einkristalls drei abwechselnd p- und n-dotierte Halbleiterzonen mit zwei pn-Übergängen aufeinander folgen. Entsprechend der Zonenfolge liegt entweder ein npn- oder ein pnp-Transistor vor. Abbildung 9-1 Schichtenfolge des Transistors npn-Transistor B pnp-Transistor E n p n C E p
B n p C
Jede der drei Zonen ist mit einem äußeren Anschluss versehen. Diese Anschlüsse tragen die Bezeichnungen: - E = Emitter (äußere Zone) - B = Basis (mittlere Zone) - C = Kollektor (äußere Zone) Zur Herstellung von Transistoren wurden/werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt: - Spitzen-Legierungstechnik (historisch) [auf einen Halbleiterkristall (Basis) wurden zwei Metallspitzen (Emitter und Kollektor) auflegiert] - Legierungstechnik (historisch) [in eine dünne Halbleiterscheibe (Basis) wurde von beiden Seiten Dotierungsmaterial eingeschmolzen (Emitter und Kollektor)] - Diffusionstechnik [bei hoher Temperatur diffundieren Atome der Dotierungselemente aus einer Dampfatmosphäre in eine Halbleiterscheibe ein] - Ionenimplantation [Donator- bzw. Akzeptorionen werden im elektrischen Feld beschleunigt und in den Halbleiterkristall hineingeschossen] - Epitaxie [auf eine Halbleiterscheibe wächst bei hoher Temperatur eine dotierte Halbleiterschicht aus der Dampfphase auf] Epitaxialtransistor, ICs ICs, FET Diffusionstransistor, ICs, FET Legierungstransistor Spitzentransistor
105
Der bipolare Transistor Der prinzipielle Aufbau soll am Beispiel eines modernen npn-Transistors, der als Teil eines integrierten Schaltkreises in planarer Epitaxialtechnik hergestellt ist, gezeigt werden. Abbildung 9-2 Aufbau eines Planar-Epitaxial-npn-Transistors
In Abbildung 9-1 gezeichneter Ausschnitt
C (d) p
E n++ (f) p (b)
B (e)
(c)
Epitaxie burried layer
p
n n++
p-Substrat (a)
Auf eine p-dotierte Halbleiterscheibe (a) (Substrat; Dicke z.B. 0,2 mm) lässt man eine dünne n-dotierte Epitaxiezone aufwachsen (c) (Dicke z.B. 10µm). Für die Herstellung von integrierten Schaltungen aus mehreren Funktionselementen kann die Epitaxiezone durch Eindiffundieren von bis in das Substrat reichenden p-dotierten Wänden (d) in einzelne Teilbereiche (Wannen) unterteilt werden. Zur Herstellung eines Transistors wird in eine solche Wanne eine p-dotierte Zone (e) eindiffundiert. Diese p-Zone stellt später die Basis, die verbleibende Epitaxiezone innerhalb der Wanne den Kollektor des Transistors dar. In die pdotierte Basiszone wird eine hochdotierte n-Zone (f) eindiffundiert, die den Emitter des Transistors bildet. Der Kristall wird nach außen mit einer isolierenden Oxidschicht versehen. Durch Aussparungen in dieser Oxidschicht werden die Kollektor-, Basis- und Emitterzonen mit äußeren Anschlüssen versehen. Vor dem Aufbringen der Epitaxiezone wird in das Substrat unter die später entstehende Epitaxiewanne eine hochdotierte n-Zone (b) (burried layer) eindiffundiert, die für einen geringen Bahnwiderstand der Kollektorzone (Widerstand bis zum Kollektoranschluss) sorgt. Die einzelnen Wannen innerhalb der Epitaxiezone (d.h. die einzelnen Funktionselemente eines integrierten Bauelementes) werden gegeneinander und gegenüber dem Substrat durch Sperrpolung des dazwischenliegenden pn-Übergangs isoliert. Alle Funktionselemente (z.B. der Transistor) befinden sich daher in der dünnen Epitaxiezone; das Substrat (mit Ausnahme der zum Kollektor gehörenden burried layer) dient lediglich als mechanischer Träger. Für eine hohe Stromverstärkung des Transistors (Verhältnis des gesteuerten zum steuernden Strom) müssen folgende technologischen und konstruktiven Merkmale vorliegen: - hohe Majoritätsträgerkonzentration in der Emitter- und geringe Majoritätsträgerkonzentration in der Basiszone (durch entsprechende Dotierungen) - sehr geringe Dicke der Basiszone.
106
Der bipolare Transistor
9.2
Funktionsweise
Zum Verständnis der Funktionsweise des Transistors ist die Kenntnis der in den Abschnitten 1 und 2 behandelten Halbleiterphysik erforderlich. Es empfiehlt sich daher, diese Abschnitte nochmals zu studieren. 9.2.1 Der Transistoreffekt
Im Betrieb als Verstärker wird der Transistor grundsätzlich mit Sperrpolung des KollektorBasis-pn-Übergangs und mit Flusspolung des Basis-Emitter-pn-Überganges betrieben. Die Funktion des Transistors wird im Folgenden schrittweise am Beispiel des npn-Transistors erläutert. Die Schritte 1 und 2 zeigen den isolierten Betrieb von jeweils nur einem der beiden pn-Übergänge. In Schritt 3 wird die Funktion des gesamten Transistors dargelegt. * Schritt 1: - Sperrspannung am Kollektor-Basis-pn-Übergang - Emitter-Anschluss offen (nicht angeschlossen)
Die interne Diffusionsspannung UD und die von außen angelegte Sperrspannung UCB verursachen eine ausgedehnte Raumladungszone am Kollektor-Basis-pn-Übergang, sie stellen eine Potentialbarriere gegen die Diffusion von Majoritätsträgern dar. Es ist kein Majoritätsträgerstrom über den pn-Übergang möglich. Die Sperrspannung bildet jedoch keine Barriere für Minoritätsträger. Alle Minoritätsträger, die in den Einflussbereich der Kollektor-Basis-Raumladungszone (RZ) geraten, werden vielmehr von der Sperrspannung durch diesen Übergang hindurch gezogen. Die Minoritätsträgerdichte an den Grenzen der Raumladungszone geht daher gegen Null. Es tritt ein Sperrstrom auf, der von der Anzahl der in der Raumladungszone durch Paarbildung entstehenden und der Anzahl der von außen zum pn-Übergang diffundierenden Minoritätsträger bestimmt wird und weitgehend unabhängig von der Größe der anliegenden Sperrspannung ist. - + B Abbildung 9-3 Minoritätsträgerstrom über den Kollektor-Basis-Übergang E C n RZ p RZ n UCB
Paarbildung
Der Kollektor-Basis-Sperrstrom bei offenem Emitter wird mit ICB0 bezeichnet. Wegen der geringen Konzentration von Minoritätsträgern ist dieser Sperrsättigungsstrom sehr klein. Da er von Minoritätsträgern aus Paarbildung verursacht wird, ist er stark temperaturabhängig. Wegen des offenen Emitteranschlusses ist der emitterseitige pn-Übergang bei Schritt 1 nicht an der Funktion beteiligt.
107
Der bipolare Transistor * Schritt 2: - Flussspannung am Basis-Emitter-pn-Übergang - Kollektor-Anschluss offen (nicht angeschlossen)
Die außen angelegte Flussspannung UBE wirkt der internen Diffusionsspannung UD entgegen und baut die Potentialbarriere über dem Basis-Emitter-pn-Übergang ab. Dem Konzentrationsgefälle folgend diffundieren daher Majoritätsträger über den pnÜbergang: - Elektronen diffundieren von der Emitterzone in die Basiszone (Strom In). - Löcher diffundieren von der Basiszone in die Emitterzone (Strom Ip). Da die Dotierung der Emitterzone sehr viel größer ist als die Dotierung der Basiszone, ist der Elektronenstrom In von der Emitter- zur Basiszone sehr viel größer als der Löcherstrom Ip von der Basis- in die Emitterzone. Die Löcher aus dem Strom Ip rekombinieren innerhalb der Emitterzone alsbald mit den dortigen Majoritätsträgern, mit den Elektronen. Die Elektronen aus dem Strom In rekombinieren in der Basiszone mit den dortigen Majoritätsträgern, mit den Löchern. Wegen des größeren Stromes In und wegen der im Vergleich zum Emitter geringeren Majoritätsträgerdichte in der Basiszone ist die mittlere Diffusionslänge der Elektronen in der Basis bis zur Rekombination vergleichsweise groß. Die absolute Größe der Ströme In und Ip lässt sich durch die Größe der angelegten Flussspannung UBE steuern (pn-Übergang in Flusspolung). Das gegenseitige Größenverhältnis der Majoritätsträgerströme In und Ip wird dabei durch die Dotierung von Emitter- und Basiszone bestimmt. - + B U
BE
Abbildung 9-4 Majoritätsträgerströme über den Basis-Emitter-Übergang E n
Ip
Rekombination
In p RZ RZ n
C
Wegen des offenen Kollektoranschlusses ist der kollektorseitige pn-Übergang bei Schritt 2 nicht an der Funktion beteiligt. * Schritt 3: - Sperrspannung am Kollektor-Basis-Übergang - Flussspannung am Basis-Emitter-Übergang
Es fließen folgende Ströme: - Sperrstrom ICB0 am Kollektor-Basis-pn-Übergang (entsprechend Schritt 1), - Löcherstrom Ip (sog. Nebenstrom) von der Basiszone in die Emitterzone (rekombiniert in der Emitterzone mit Elektronen), - Elektronenstrom In von der Emitterzone in die Basiszone. Die in die Basiszone eindiffundierten Elektronen breiten sich in der Basiszone gleichmäßig in alle Richtungen aus.
108
Der bipolare Transistor Da der Weg zum kollektorseitigen pn-Übergang sehr kurz ist, erreichen die meisten Elektronen diesen pn-Übergang. Da die Elektronen in der Basiszone von der Art her Minoritätsträger sind, werden sie von der am Kollektor-Basis-Übergang anliegenden Sperrspannung zur Kollektorseite abgesaugt (Hauptstrom). Nur ein kleiner Teil der Elektronen aus dem Strom In rekombiniert in der Basiszone (Rekombinationsstrom) und erreicht den kollektorseitigen pn-Übergang nicht. - + - + B UBE UCB Abbildung 9-5 Ströme im Transistor im Verstärkerbetrieb E
Nebenstrom CB-Sperrstrom RekombinationsStrom Hauptstrom
C
n
p
n
RZ RZ Die Ströme an den äußeren Anschlüssen setzen sich folgendermaßen zusammen: Emitterstrom IE Hauptstrom + Nebenstrom + Rekombinationsstrom Transistor-Effekt: Durch eine Durchlassspannung an der Basis-Emitterdiode wird ein großer Elektronenstrom In von der Emitter- in die Basiszone ausgelöst. Der größte Teil dieser Elektronen wird von der Sperrspannung am Kollektor-Basis-Übergang zum Kollektor abgesaugt (Hauptstrom), nur ein kleiner Teil rekombiniert mit Löchern in der Basiszone (Rekombinationsstrom). Am Basisanschluss fließt nur der von der Flussspannung verursachte, sehr viel kleinere Löcherstrom Ip (Nebenstrom) sowie der Rekombinationsstrom. Mit einem kleinen Steuerstrom von der Basis zum Emitter (Basisstrom) wird daher ein großer Strom vom Emitter zum Kollektor (Kollektorstrom) gesteuert. Damit der Hauptstrom von der Emitter- zur Basis- und dann zur Kollektorzone sehr viel größer ist als der Nebenstrom, muss die Emitterdotierung sehr viel größer sein als die Basisdotierung. Damit der Hauptstrom zum Kollektor sehr viel größer ist als der Rekombinationsstrom, muss die Basisdotierung niedrig und die Basisdicke gering sein. Wegen der hohen Emitterdotierung ist die Durchbruchspannung der Basis-Emitter-Strecke relativ gering. Damit die Durchbruchspannung der Kollektor-Basis-Strecke höher ist, wird die Kollektordotierung deutlich niedriger als die des Emitters gewählt. Basisstrom IB Nebenstrom + Rekombinationsstrom - Sperrstrom ICB0 Kollektorstrom IC Hauptstrom + Sperrstrom ICB0
109
Der bipolare Transistor 9.2.2 Strömungsmechanismen im Transistor
U DBE
Abbildung 9-6 Interner Potentialverlauf im Transistor
UBE
U DCB
Potentialverlauf ohne äußere Spannung Potentialverlauf mit äußeren Spannungen
UCB
E
RZ1
B
RZ2
C
Abbildung 9-6 zeigt, dass innerhalb der Emitter-, Basis- und Kollektorzonen des Transistors kein Potentialgefälle auftritt. Ein Potentialgefälle liegt nur vor innerhalb der Raumladungszonen zwischen Emitter und Basis sowie zwischen Basis und Kollektor. Am Kollektorstrom sind hauptsächlich Elektronen aus der Emitterzone beteiligt. Die Elektronenbewegung durch die Raumladungszone (RZ1) zwischen Emitter- und Basiszone erfolgt aufgrund des Konzentrationssprunges zwischen den beiden Zonen als reiner Diffusionsstrom. Der Strom durch diese Raumladungszone kann fließen, da die von der Diffusionsspannung UD gebildete Potentialbarriere durch die außen angelegte Flussspannung UBE reduziert ist. Die Sperrspannung an der kollektorseitigen Raumladungszone (RZ2) saugt alle durch die Basiszone kommenden Elektronen zur Kollektorzone ab. Innerhalb dieser Raumladungszone liegt ein Feldstrom vor. Innerhalb der Basiszone (B) sind die Elektronen Minoritätsträger. Außer den aus dem Emitter eindiffundierten Elektronen sind kaum weitere vorhanden. Weil innerhalb der Basiszone kein Potentialgefälle vorliegt, kann nur ein Diffusionsstrom aufgrund eines Konzentrationsgefälles dn/dx fließen. Die Konzentration n p B ( x ) der Elektronen am emitterseitigen Ende der Basiszone (x = 0) wird von der Spannung UBE bestimmt: k T mit UT = 26 mV (für T = 300 K) U BE e n p B (0) = n p B0 exp und n p = Minoritätsträgerkonzentration in UT B0
der Basis im stromlosen Zustand
Die Konzentration der Elektronen am kollektorseitigen Ende der Basiszone (x = WB) wird von der Spannung UBC bestimmt: n p B ( WB ) = n p B0 exp U BC 0 UT (mit UBC < 0)
Liegt am Transistor eine Kollektor-Basis-Sperrspannung an, so saugt diese -unabhängig von ihrer Größe- alle Minoritätsträger am kollektorseitigen Ende der Basiszone ab. Die Minoritätsträgerkonzentration am kollektorseitigen Ende der Basiszone ist dann immer etwa Null. Bei vernachlässigbarer Rekombination in der Basiszone ist das Konzentrationsgefälle der Elektronen entlang des Weges konstant (dn/dx konstant).
110
Der bipolare Transistor
Innerhalb der Basiszone stellt sich daher ein dreieckförmiger Konzentrationsverlauf der Elektronen (Minoritätsträger) ein, wie er in Abbildung 9-7 dargestellt ist. n pB
Abbildung 9-7 Diffusionsdreieck (linearer Maßstab)
E
B
C
RZ
RZ
0 WB x Die Elektronen diffundieren ihrem Konzentrationsgefälle folgend durch die Basiszone. Der Strom durch die Basiszone ist proportional zum Konzentrationsgefälle und entspricht weitgehend dem Kollektorstrom, der sich damit angeben lässt:
IC = D nB e A n p B ( 0) WB = UT µn e A n pB 0 e U BE WB
UT
(mit D n B = UT µn = Diffusionskonstante; A = Basisquerschnittsfläche) Auch innerhalb der Emitterzone (E) und innerhalb der Kollektorzone (C) erfolgt die Elektronenbewegung als Diffusionsstrom. Das hierzu erforderliche Konzentrationsgefälle fällt jedoch angesichts der dort vorliegenden sehr hohen Elektronenkonzentration (Majoritätsträgerkonzentration) nicht ins Auge.
9.2.3 Einfluss der Kollektor-Basis-Spannung auf den Kollektorstrom
Bei konstanter Basisweite ist das Konzentrationsgefälle der Minoritätsträger innerhalb der Basiszone und damit die Größe des Kollektorstromes in erster Näherung nur abhängig von der Basis-Emitter-Spannung und weitgehend unabhängig von der Kollektor-Basis-Spannung. Eine gewisse Abhängigkeit des Kollektorstromes von der Kollektor-Basis-Spannung tritt jedoch auf, weil diese Einfluss auf die Sperrschichtweite WS des kollektorseitigen pn-Übergangs im Transistor und damit auf die Basisweite WB hat. Bei gleicher Minoritätsträgerkonzentration am emitterseitigen Ende der Basiszone führt eine Verkürzung der Basisweite zu einer Vergrößerung des Konzentrationsgefälles der Minoritätsträger in der Basis und damit zu einer Erhöhung des Kollektorstromes (Man spricht von ,,Basisbreitenmodulation" bzw. vom sog. ,,Earlyeffekt"). npB WS2 = f(UCB2) Abbildung 9-8 WS1 = f(UCB1) Einfluss der (dn /dx)1 I1 Kollektor-Basis-Spannung auf das Diffusionsdreieck (Early-Effekt) (UCB2 >> UCB1)
0 (dn /dx)2 I2
WB2 WB1
x
Liegt an der Kollektor-Basis-Strecke eine Flussspannung an, so können die Minoritätsträger aus der Basis nicht zum Kollektor abgesaugt werden und der Kollektorstrom sinkt stark ab.
111
Der bipolare Transistor
9.3
Schaltzeichen - Richtungspfeile für Ströme und Spannungen
In Stromlaufplänen werden folgende Schaltzeichen für den bipolaren Transistor verwendet:
Abbildung 9-9 Schaltzeichen des bipolaren Transistors
npn-Transistor
C
pnp-Transistor
C
B E
B E
Vereinbarungsgemäß zeigen die Richtungspfeile aller drei Klemmenströme zum Transistor. Die Richtungspfeile der drei Klemmenspannungen können frei gewählt werden und entsprechen der Reihenfolge der Indices. IC
Abbildung 9-10 Richtung von Strömen und Spannungen am Transistor
UCB UCE IB UBE
IE Für die Ströme und Spannungen am Transistor gelten demnach folgende Gleichungen: * Knotengleichung: * Maschengleichung: IE + IB + IC = 0 UCE = UCB + UBE
9.4
Transistor-Grundschaltungen
Der Transistor verbindet immer einen steuernden mit einem gesteuerten Stromkreis. Da sowohl für die Verbindung mit dem steuernden, wie auch für die Verbindung mit dem gesteuerten Stromkreis jeweils zwei Klemmen erforderlich sind, der Transistor jedoch nur drei Anschlüsse besitzt, muss einer der Transistoranschlüsse sowohl dem steuernden Eingangs- als auch dem gesteuerten Ausgangskreis zugeordnet werden. Hierfür sind drei Varianten möglich: Die Basisschaltung, die Emitterschaltung und die Kollektorschaltung.
9.4.1 Basisschaltung 9.4.1.1 Prinzipschaltung
RE
IE
IC
RC
Abbildung 9-11 Transistor in Basisschaltung
US1
UEB
UCB
US2
Bei der Basisschaltung wird der Transistor am Emitter gesteuert (Eingangsstrom IE), das Ausgangssignal wird am Kollektor abgegriffen (Ausgangsstrom IC).
112
Der bipolare Transistor 9.4.1.2 Eingangskennlinie
Die Eingangskennlinie IE = f(UEB) ist die Kennlinie der Emitter-Basis-Diode in Flusspolung.
Abbildung 9-12 Eingangskennlinie in Basisschaltung
-IE
-UEB
0
9.4.1.3
Ausgangskennlinie
1V
Bei der Basisschaltung ist der Kollektorstrom eine Funktion des (eingeprägten) Emitterstromes. Hierbei tritt der Earlyeffekt (siehe Abschnitt 9.2.3) nicht in Erscheinung. Eine Auswirkung der Kollektor-Basis-Sperrspannung auf den Kollektorstrom tritt praktisch nicht auf. Aus diesem Grunde sind die Ausgangskennlinien IC = f(UCB) mit IE als Parameter im 1. Quadranten annähernd horizontale Linien (annähernd parallel zur UCB-Achse). IC
Abbildung 9-13 Ausgangskennlinien in Basisschaltung
-IE
0
UCB
Wird die Kollektor-Basis-Spannung 0 oder gar negativ (Flusspolung statt Sperrpolung des CB-Übergangs) dann können die Minoritätsträger aus der Basis nicht mehr vollständig abgesaugt werden und der Kollektorstrom sinkt steil ab (2. Quadrant in Abbildung 9-13).
9.4.1.4 Übertragungskennlinien
Eine Übertragungskennlinie zeigt grafisch die Abhängigkeit einer Ausgangsgröße von einer Eingangsgröße. Da sich IC und IE nur um den kleinen Strom IB unterscheiden, ist die Übertragungskennlinie IC = f(IE) (Stromsteuerkennlinie) in erster Näherung eine vom Ursprung ausgehende Gerade.
Abbildung 9-14 Stromsteuerkennlinie in Basisschaltung
IC
-IE Der Kollektorstrom lässt sich auch als Funktion der Emitter-Basis-Spannung darstellen (IC = f(UEB); Spannungssteuerkennlinie). Da IC und IE annähernd gleich sind, ähnelt diese Übertragungskennlinie der Eingangskennlinie in Basisschaltung.
113
Der bipolare Transistor 9.4.1.5 Stromverstärkung
In der Basisschaltung ist der Emitterstrom der Eingangsstrom des Transistors, der Kollektorstrom der Ausgangsstrom. IE
Abbildung 9-15 Stromaufteilungsschema für die Basisschaltung
A IE ICB0 -IB
-IC
(1 - A) IE
Der Emitterstrom teilt sich auf - in einen größeren Anteil - einen kleineren Anteil AIE (1-A) IE
in Richtung Kollektor (Hauptstrom) und in Richtung Basis (Neben- und Rekombinationsstrom)
Zusätzlich zu diesen Strömen fließt noch der Kollektor-Basis-Sperrstrom ICB0. Das Verhältnis des steuerbaren Anteils des Ausgangsstromes zum steuerbaren Anteil des Eingangsstromes stellt die Stromverstärkung des Transistors dar. Die Stromverstärkung A (=Alpha) des Transistors in Basisschaltung beträgt somit: Stromverstärkung A = A= steuerbarer Anteil von - I C steuerbarer Anteil von I E
- I C + I CB0 IE A - IC 1 IE
Mit ICB0 << IC ergibt sich näherungsweise
Reale Werte der Stromverstärkung A liegen im Bereich 0,95 A 0,999 Die Stromverstärkung A ist weitgehend unabhängig von der Größe von Emitter- und Kollektorstrom, d.h. die Stromverstärkung A eines Transistors ist konstant. Für kleine Änderungen von Emitter- und Kollektorstrom verwendet man die di Wechselstromverstärkung = - C . Für die meisten Anwendungen gilt A. di E
9.4.2 Emitterschaltung 9.4.2.1 Prinzipschaltung
RB
IB
IC
RC
Abbildung 9-16 Transistor in Emitterschaltung
US1
UBE
UCE
US2
Bei der Emitterschaltung wird der Transistor an der Basis gesteuert (Eingangsstrom IB), das Ausgangssignal wird am Kollektor abgegriffen (Ausgangsstrom IC).
114
Der bipolare Transistor 9.4.2.2 Eingangskennlinie
Die Eingangskennlinie IB = f(UBE) ist die Kennlinie der Basis-Emitter-Diode in Flusspolung. IB
Abbildung 9-17 Eingangskennlinie in Emitterschaltung
UBE
9.4.2.3 Ausgangskennlinie
0 1V
Die Ausgangskennlinie stellt die Abhängigkeit des Kollektorstromes von der KollektorEmitter-Spannung UCE z.B. bei konstantem Basisstrom IB dar Normalbetrieb (UCE UBE) Der Kollektorstrom ist in erster Näherung nur eine Funktion des Basisstromes (bzw. der Basis-Emitter-Spannung). Aus diesem Grunde sind die Ausgangskennlinien IC = f(UCE) annähernd horizontale Linien (annähernd parallel zur UCE-Achse) mit IB bzw. (selten) UBE als Parameter. UCB = 0 I
C
Abbildung 9-18 Ausgangskennlinien in Emitterschaltung
IB
UCE Bei genauer Betrachtung ist festzustellen, dass die Ausgangskennlinien in Emitterschaltung nicht genau parallel zur Spannungsachse verlaufen. Sie steigen vielmehr wegen des ,,Earlyeffekts" (siehe Abschnitt 9.2.3) mit zunehmender Kollektor-Emitter -Spannung leicht an. Die Steigung ist so, als gingen alle Ausgangskennlinien von einem gemeinsamen Punkt auf der Spannungsachse aus. Der Spannungswert dieses gemeinsamen Schnittpunktes ist die Earlyspannung UA. Die Earlyspannung liegt bei npn-Transistoren zwischen 80 V und 200 V, bei pnp-Transistoren zwischen 40 V und 150 V. IC Abbildung 9-19 IB Earlyspannung
UCE -UA Ist die Earlyspannung eines Transistors bekannt, so lässt sich die Steigung der einzelnen Ausgangskennlinien abschätzen; umgekehrt lässt sich die Earlyspannung aus der Steigung der einzelnen Ausgangskennlinien ermitteln.
115
Der bipolare Transistor
Sättigungsbetrieb (UCE < UBE) Die Kollektor-Emitter-Spannung ist die Summe aus Kollektor-Basis- und Basis-EmitterSpannung. Sinkt die Kollektor-Emitter-Spannung unter die Basis-Emitter-Spannung, so wird der Kollektor-Basis-Übergang in Flusspolung statt in Sperrpolung betrieben (UCB < 0). Dann können die Minoritätsträger aus der Basis nicht mehr vollständig abgesaugt werden und der Kollektorstrom sinkt steil ab. Der Transistor arbeitet in der Sättigung. In der Abbildung 9-18 ist die Grenze UCB = 0 zwischen Sättigungsbereich und normal aktivem Bereich (UCB > 0) eingezeichnet.
9.4.2.4 Übertragungskennlinien
Die Übertragungskennlinie IC = f(IB) (Stromsteuerkennlinie) ist näherungsweise eine vom Ursprung ausgehende Gerade
Abbildung 9-20 Übertragungskennlinien in Emitterschaltung
IC
UCE = 10V UCE = 6V
IB Der Kollektorstrom lässt sich auch als Funktion der Basis-Emitter-Spannung darstellen (IC = f(UBE); Spannungssteuerkennlinie). Da IC und -IE annähernd gleich sind, entspricht der Verlauf dieser Übertragungskennlinie ungefähr dem der Eingangskennlinie in Basisschaltung. Wegen der bestehenden Abhängigkeit sollte bei den Übertragungskennlinien jeweils angegeben werden, für welche Kollektor-Emitter-Spannung sie gelten.
9.4.2.5 Stromverstärkung B
IC IC-ICB0
Abbildung 9-21 Stromaufteilungsschema für die Emitterschaltung
ICB0 IB
IB+ICB0 -IE Das Verhältnis der steuerbaren Anteile von Kollektorstrom und Basisstrom wird als Stromverstärkung B (= Beta) des Transistors in Emitterschaltung bezeichnet. Stromverstärkung B = steuerbarer Anteilvon I C steuerbarer AnteilvonI B
116
Der bipolare Transistor
B=
I C - I CB0 I B + I CB0
Meist sind IB und IC sehr viel größer als ICB0. Dann gilt für die Stromverstärkung in Emitterschaltung näherungsweise: I B C IB Werte der Stromverstärkung B liegen im Bereich (20) . . . 100 B 200 . . . (1000) Die Stromverstärkung B besitzt eine geringe Abhängigkeit von der Größe des Kollektorstromes. Sie steigt zunächst mit IC, bleibt dann über ein bis zwei Größenordnungen von IC annähernd konstant und sinkt bei noch höheren Stromwerten wieder ab (siehe z.B. Kennlinie B = f(IC) in Abschnitt 12.8.1). Die Stromverstärkung B hat einen positiven Temperaturkoeffizienten von ca. 0,66 %/K. Für kleine Änderungen von Basis- und Kollektorstrom verwendet man die di Wechselstromverstärkung = C . Für die meisten Anwendungen gilt B. di B Im englischsprachigen Raum wird die Gleichstromverstärkung nicht mit B sondern meist mit HFE und die Wechselstromverstärkung nicht mit sondern mit hfe bezeichnet. Leider werden die Regeln für Groß- und Kleinschreibung hier sehr unterschiedlich gehandhabt (z.B. Hfe oder hFE). (Zu den sog. h-Parametern siehe Anhang B, Abschnitte B.2.1 und B.2.3).
9.4.3 Kollektorschaltung 9.4.3.1 Prinzipschaltung
UBE (a) US1 IB UBC
IE
RE
Abbildung 9-22 Transistor in Kollektorschaltung
UEC
US2
(b)
äquivalente Schaltung IB -IE RE UQ US2
US1
*
UI
UBE
Wie bei der Emitterschaltung wird an der Basis gesteuert (Eingangsstrom IB). Das Ausgangssignal wird jedoch nicht am Kollektor sondern am Emitter abgegriffen (Ausgangsstrom IE).
117
Der bipolare Transistor 9.4.3.2 Kennlinien
Für die Kollektorschaltung werden die Kennlinien des Transistors in Emitterschaltung verwendet.
9.4.3.3 Strom- und Spannungsverstärkung
Für die Kollektorschaltung des Transistors ist keine eigene Stromverstärkung definiert. Mit -IE = IC + IB BIB + IB = (B+1) IB ergibt sich eine Stromverstärkung von (B+1). Die Ausgangsspannung des Transistors in Kollektorschaltung (siehe Abbildung 9-22a) beträgt: UCE = UCB + UBE Da Ein- und Ausgangssignale meist auf Masse und nicht auf das Versorgungspotential bezogen werden (siehe Abbildung 9-22b), gilt: UCE = US2 -UQ UCB = US2 - UI Daraus ergibt sich: UQ = UI - UBE
Da sich die Basis-Emitterspannung des leitenden Transistors (Durchlassspannung der BEDiode) nicht oder nur in engen Grenzen ändert, folgt die Ausgangsspannung der Eingangsspannung etwa im Verhältnis 1:1. Die Spannungsverstärkung der Kollektorschaltung beträgt daher AU 1
9.4.4 Umrechnung der Stromverstärkungen
Mit
A
IC IC = - IE IC + IB
und
I B C IB
ergeben sich zwischen den Stromverstärkungen in Basis- und Emitterschaltung folgende Umrechnungsgleichungen:
A B 1+ B
und
B
A 1- A
9.5
Darlington- oder Super-Beta-Schaltung
Die Stromverstärkung eines Transistors in Emitter- oder Kollektorschaltung lässt sich weiter vergrößern mit der sog. Darlington-Schaltung (auch Super-Beta-Schaltung genannt). Bei der Darlington-Schaltung werden zwei Transistoren so hintereinander geschaltet, dass sich ihre Stromverstärkungen multiplizieren. Die Darlington-Schaltung lässt sich mit gleichartigen oder mit komplementären Transistoren aufbauen.
118
Der bipolare Transistor Abbildung 9-23: Darlington-Schaltung mit gleichartigen Transistoren Iges
mit komplementären Transistoren Iges
IB1 T1 IB1 T2 Iges Berechnung der Gesamt-Stromverstärkung:
B ges = I C1 + I C2 I = B1 + C2 I B1 I B1
I C2 = B 2 I B2 = B 2 (B1 + 1) I B1
T2 T1 Iges
Bges =
- I E1 - I C2 I = B1 + 1 - C2 I B1 I B1
I C2 = B 2 I B2 = -B 2 I C1 = -B 2 B1 I B1
Mit wird
Mit Wird
B ges = B 1 + B 2 + B 1 B 2
B ges = B1 + 1 + B1 B 2
In beiden Fällen gilt also näherungsweise und analog für Wechselsignale
Bges B1 B 2
ges 1 2
9.6
Daten von Transistoren
Ausgewählte Daten verschiedener Transistoren
BC107 A/B/C BC 140 6/10/16 2N6621 2N3055 BC517
Tabelle 9-1
npn-Typ Grenzwerte
Kollektor-Basis-Sperrspannung Emitter-Basis-Sperrspannung Kollektorstrom Verlustleistung Sperrschichttemperatur Typische Kennwerte Stromverstärkung Transitfrequenz(3) Reststrom (25 °C) Wärmewiderstand (Sperrschicht-Umgebung)
UCB0 UEB0 IC Ptot j
50 V 5V 100 mA 300 mW 175 °C
80 V 7V 1A 3,7 W(1) 175 °C
25 V 2,5 V 25 mA 200 mW 150 °C
100V 7V 15 A 115 W(2) 200 °C
40 V 10 V 400 mA 625 mW 150 °C
B fT ICES Rth
170 / 290 63 / 100 / / 500 160 150 MHz 50 MHz
> 25 1,9 GHz
20 - 60 1 MHz
> 30 000 Darlington 220 MHz <100 nA
< 15 nA < 100 nA < 50 nA 500 K/W 200 K/W 400 K/W 1,5 K/W(4)
200 K/W
(1) (2) (3) (4)
Mit Kühlkörper Mit Kühlung auf Gehäusetemperatur G 25 °C Frequenz bei der die Stromverstärkung = 1 wird. Innerer Wärmewiderstand Rth/J-G
119
Der bipolare Transistor
9.7 Übungsaufgaben zu Aufbau und Funktionsweise des bipolaren Transistors
9.7.1 Transistorphysik
(a) Warum muss die Dotierung des Emitters sehr viel höher sein als die Dotierung der Basis ? (b) Warum soll die Dicke der Basisschicht möglichst gering sein ? (c) Warum wählt man die Dotierung des Kollektors deutlich geringer als die des Emitters ? (d) Was versteht man unter dem Transistoreffekt ? (e) Was versteht man unter dem Diffusionsdreieck ? (f) Wie groß ist die Minoritätsträgerdichte am emitterseitigen und am kollektorseitigen Ende der Basiszone ? (Silizium-npn-Transistor; Basisdotierung: ND = 1015 cm-3 + NA = 1017 cm-3 (Basis in Kollektorzone eindiffundiert) ni = 1010 cm-3; UT = 26 mV; UBE = 0,52 V; UCE = 10 V) (g) Wodurch entsteht der Kollektor-Basis-Reststrom ICB0 ?
9.7.2 Transistoreigenschaften
(a) Erkläre den Earlyeffekt. Wie wirkt er sich in den Transistorkennlinien aus ? (b) Wie unterscheiden sich die Transistor-Ausgangskennlinien für Emitter- und Basisschaltung ? (c) Ein Transistor hat folgende Dotierungen: - Kollektor: ND = 1015 cm-3 - Basis: ND = 1015 cm-3 + NA = 1016 cm-3 (Basis in Kollektorzone eindiffundiert) - Emitter: NA = 1016 cm-3 + ND = 21018 cm-3 (Emitter in Basiszone eindiffundiert) In Emitterschaltung hat hat er die Daten: B = 100; UCEmax = 300 V. Schätzen Sie die Daten B* und UCEmax* für inversen Betrieb (Kollektor und Emitter vertauscht). Begründung angeben. (d) Warum sinkt die Stromverstärkung des Transistors bei Sättigung ? (e) Wie groß ist IC bei Emitterschaltung für IB = 0 (ICB0 nicht vernachlässigen) ? (f) Was versteht man unter der (in den Datenblättern angegebenen) Transitfrequenz?
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