Halbleiter


Stand: 2004-03

Thomas Mertin
Netzwerk- und Elektrotechnik

D-41334 Nettetal

Bipolare Transistoren

Transistor (Transfer = übertragen, Resistor = Widerstand)
Bipolar (Bi = zwei -> zwei unterschiedlich, gepolte pn-Übergänge)

Man unterscheidet:
a) pnp -Transistoren
b) npn - Transistoren

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1. Prinzipieller Aufbau

E = Emitter (injiziert Ladungsträger in die Basiszone)
B = Basis
C = Kollektor (Collecta, lat. = Sammlung, sammelt die vom Emitter ausgesandte Ladungsträger ein

Die drei Schichten sind unterschiedlich stark dotiert. Das mittlere Gebiet ist sehr dünn und schwach dotiert.


Schaltzeichen: pnp- Transistor

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2. Wirkungsweise des Transistors

Injektion am unsymmetrischen Übergang

Die Wirkungsweise des Transistors wird durch die Basiszone bestimmt. Wie bereits ausgeführt, zeichnet sich diese durch eine geringe Breite aus und ist sehr schwach dotiert. Beim pnp - Transistor ist das Emittergebiet hoch NA (Anzahl Akzeptoren) dotiert und die Basis schwach ND (Anzahl Donatoren) dotiert.

Das Raumladungsgebiet wird unsymmetrisch. Die Löcher diffundieren, bis der Gleichgewichtszustand hergestellt ist, vom p-Gebiet her durch den Übergang. Wegen der hohen Löcherkonzentration bleibt nur eine geringe Anzahl negativer Ionen zurück, d.h. geringe Breite der Raumladungszone im p-Gebiet. Damit sich ein elektrisch neutraler Gleichgewichtszustand einstellt, muß eine der Löcherzahl entsprechende Zahl von Elektronen aus den n-Gebiet in das p-Gebiet hinüberwandern. Da die Konzentration der Donatoren im n-Gebiet sehr gering ist, bleibt eine breite Schicht von positiven Ionen. Das Raumladungsgebiet erstreckt sich also weiter auf die Seite niedriger Störstellenkonzentration.

Unsymmetrischer Übergang in Flußrichtung

Die Löcher aus dem p-Gebiet wandern über den Übergang. Da sie nur wenig Elektronen treffen, können sie ein weites Stück zurücklegen, bevor sie rekombinieren. Umgekehrt gelangen Elektronen ins p-Gebiet. Da sie eine hohe Löcherkonzentration antreffen, verschwinden sie durch Rekombination, ehe sie weit vordringen können. Beim Übergang selbst ist der Strom ein reiner Löcherstrom.

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3. Funktionsprinzip des Transistors

Ohne angelegte Spannung:

Entstehung von Sperrschichten durch Ladungsträgerdiffusion zwischen Emitter und Basis sowie zwischen Basis und Kollektor.

Wird UEB angelegt, dann wird die Sperrschicht zwischen Emitter und Kollektor bis auf einen geringen Rest abgebaut.
=> geringe Spannungsschwelle

Nach Anlegen der Spannung UBC verbreitet sich die Sperrschicht zwischen Kollektor und Basis.
=> große Spannungsschwelle

Potentialverlauf

Die vom Emitter emittierten Löcher werden durch den in Durchlaßrichtung vorgespannten Emitter-Basis Übergang in die Basiszone injiziert. Es entsteht eine hohe Injektionswirkung, da die Basis schwach dotiert ist.
Die Löcher, die das schwach dotierte Basisgebiet durchqueren, werden von starken elektrischen Feld in der Sperrschicht über den Basis-Kollektor Übergang in das rechte p-Gebiet gezogen. Das elektrische Feld beschleunigt somit die vom Emitter gekommenen positiven Ladungsträger, die als Kollektorstrom zur Elektrode abfließen. Der vom Emitter injizierte Löcherstrom wird in der Basiszone geschwächt.
Durch die schwache Dotierung verschwindet nur ein geringer Teil durch Rekombination. Damit nur wenige Löcher verschwinden, muß die Basisdicke kleiner als die Diffusionslänge gemacht werden. Ein Teil der injizierten Löcher diffundieren selbst zum Basisanschluß. Diese Löcher rufen den Basisstrom hervor.

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4. Kennlinienfelder des Transsistors

Emitterschaltung

Als Eingangswerte gelten: -UBE, IB
Als Ausgangswerte gelten: -UCE. IB

a) Eingangskennlinie -UBE = f(IB) bei -UCE = konstant
b) Ausgangskennlinie IC = f(-UCE) bei IB = konstant

Steigert man -UCE auf einige 1/10V nimmt IC rasch hohe Werte an. Bei etwa 0,5-1V tritt bereits eine Sättigung auf. Eine Steigerung von -UCE bewirkt nur noch eine geringe Zunahme von IC.

Grund: Wenn -UCE steigt erweitert sich das Raumladungsgebiet in der Basiszone, d.h. die wirksame Basisbreite wird kleiner. es gehen weniger Löcher aus der Emitterzone in der Basiszone verloren.
=> Stromanstieg von IC



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