Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 03.06.2003 9. Vorlesung Inhalt: Rückblick 8. Vorlesung Der Bipolartransistor (Kapitel 5.1, 5.2) Übungsaufgaben

03.06.2003 Dipl.-Phys. S. Paprotta

Halbleiterelektronik I

9. Vorlesung

Inhalt:• Rückblick 8. Vorlesung• Der Bipolartransistor (Kapitel 5.1, 5.2)• Übungsaufgaben

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Wiederholung

Reaktion der RLZauf eine kleine Erhöhung der Spannung

Größe der Verarmungs-kapazität in Abhängigkeitder äußeren Spannung



Weiter 4.5

Berechnung der Verarmungskapazität Plattenkondensator-Näherung:

Divergiert, wenn V gegen V0 strebt.(Niedriginjektion V kleiner als V0)

Spannungsabhängige Kapazität – Varaktor



4.6 Die Diffusionskapazität• überwiegt in Flussrichtung• ist nur in Flussrichtung relevant



Weiter 4.6

Ausdruck für die Diffusionskapazität:



4.7 Das Kleinsignalmodell der Diode

Definition Kleinsignalwiderstand und –leitwert:



Weiter 4.7

Graphische Verdeutlichung von rd und gd

Was bedeutet Kleinsignal?

V < kT/q



Weiter 4.7

Es fließen zwei Ströme durchdie Diode:

Die beiden Kapazitätenentsprechen einer komplexen Impedanz:



4.8 Der LawinendurchbruchEine Diode sperrt nicht für beliebig hohe Spannungen!!!

Ab einer gewissen Spannung kommt es zum Durchbruch:

Der Durchbruch ist reversibel, solange die thermischeBelastung begrenzt wird.



Weiter 4.8



Weiter 4.8

Eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung:



Weiter 4.82. Der Zener-Durchbruch:

• tritt bei hochdotierten pn-Übergängen auf• Es kommt zum „Tunneln“

Durchbruch entstehtfrüher als beim Lawinendurchbruch.



5.1 Der BioplartransistorDen Bipolartransistor gibt zwei in Ausführungen:

Definition der Spannungen:VEB > 0VEB = -VBE

P+ N P

N+ P N

Emitter Basis Kollektor

Emitter Basis Kollektor

E

B

C

+

-VEB

IEIC

Nützliche Gleichungen:

IE = IB + IC

VEB +VBC + VCE = 0



Weiter 5.1Der Transistor wir anhand eines p+np-Transistors erklärt,n+pn funktioniert aber analog.

Eingangssignal: 2 Anschlüsse des BJTAusgangssignal: 2 Anschlüsse des BJT

Transistor hat nur 3 Anschlüsse: Ein Anschluss wird gemeinsam vom

Ausgangskreis und Eingangskreis benutzt

Basisschaltung

P+ N PC

B

E

BEingangsgrößen: VEB, IE

Ausgangsgrößen: VCB, IC

in out



Weiter 5.1

SättigungAktiv

InvertiertSperrbetrieb

Betriebs-art

Spannungspolarität

EB-Übergang CB-Übergang

Fluss

Sperr

Fluss

Fluss

FlussSperr

SperrSperr

Aktiv oder Normalbetrieb – wird meistens benutzt beiLinearen Signalverstärkern, OperationsverstärkernGrößte Signalverstärkung wird so erreicht!!

Betriebsmodi:



Weiter 5.1Warum funktioniert ein Bipolartransistor?

(Bild entnommen aus: Pierret, „Semiconductor Device Fundamentals“)

Die Basis ist feldfrei, Minoritäten bewegen sich durch Diffusion!

Verarmungszone Verarmungszone



Wann funktioniert ein BJT und wann nicht?

x x

Ladungsträger-Konzentration

Ladungsträger-Konzentration

pn0pn0

funktioniert funktioniert nichtx

pj

pp

Funktioniert nicht als BJT!!!!!

Weiter 5.1



Weiter 5.1Basisschaltung im Normalbetrieb:



Weiter 5.1

• p+n-Diode: Hauptstromtransport Löcher• Normalbetrieb: EB-Übergang in Flussrichtung• Transportmechanismus in der Basis – Diffusion (feldfrei)• Löcher werden am BC-Übergang abgesaugt und landen nicht in der Basis


Halbleiterelektronik IBanddiagramm im Normalbetrieb

Übung1: Zeichnen Sie das Banddiagramm eines p+np-Transistors im thermischen Gleichgewicht und im Sättigungsbetrieb. Zeichnen Sie zusätzlich die Konzentration der Minoritäten in der Basis ein.Vorbereitung für die Klausur (zu Hause): Zeichnen Sie diese Fälle auch für einen n+pn-Transistor

N

P

P+

(Bild entnommen aus: Pierret, „Semiconductor Device Fundamentals“)



Weiter 5.1

Menge der injizierten Ladungen wird durch das Gesetz desÜbergangs bestimmt:

Unter der Annahme, dass es kaum zu Rekombinatin in der Basiskommt, entsteht eine Linearer Löchergradient und der Emitter-strom bestimmt sich zu:



Weiter 5.1

• Transistorwirkung: großer Kollektorstrom wird durch kleine Eingangsspannung gesteuert.

• Es kommt zu einer Leistungsverstärkung.



Weiter 5.1

Kenngrößen und Mathematische Beschreibung:

Emitterwirkungsgrad: = IEp/IE = IEp/(IEp+IEn)

Basistransportfaktor: T = ICp /IEp =1-t/ p

Stromverstärkungsfaktorin Basisschaltung: = • T ; (0,99 –0,999)

Stromverstärkungsfaktor = / (1 - ) ; (100-1000)in Emitterschaltung:



Weiter 5.1Beschreibung der Ströme:



Weiter 5.1Ausgangskennlinienfeld:

-



Übung II:

Zeichnen Sie für einen p+np-Transistor im thermischenGleichgewicht das Banddiagramm, das Potenzial, das elektrische Feld, die Nettoladungen.

Gegeben ist ein BJT mit IEp = 1 mA, IEn = 0,01 mA, ICp = 0,98 mA, ICn = 1 µA.

Berechnen Sie: , T , , , IE, IB, IC, ICB0, IEC0

Sie halten alle Größen bis auf ICp fest. ICp = 0,995 mA welche Auswirkung

hat das auf ?Sie halten alle Größen bis auf IEn fest. IEn wird erhöht, welche Auswirkung

hat das auf ?



5.2 Verstärkung in Basisschaltung

Verstärkungsfaktor:

Av = Rc/re

Leistungsverstärkung und SpannungsverstärkungKeine Stromverstärkung!!

Rc

-



Weiter 5.2Kennlinienfeld mit Lastgerade:

Arbeitspunkte

-



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