Modellbau und mehr
  Irgendwas muss den Strom regeln.
 

Bipolarer Transistor

Transistoren Normale Transistoren haben eine npn- oder pnp-Schichtenfolge und werden bipolare Transistoren genannt. Bipolare Transistoren bestehen aus Silizium. Sie gibt es auch in Germanium (veraltet) oder aus Mischkristallen, die nicht sehr häufig verbreitet sind.
Jeder bipolare Transistor besteht aus drei dünnen Halbleiterschichten, die übereinander gelegt sind. die mittlere Schicht ist sehr dünn im Vergleich zu den beiden anderen Schichten. Die Halbleiterschichten sind mit metallischen Anschlüssen versehen, die aus dem Gehäuse herausführen. Die Außenschichten des bipolaren Transistors werden Kollektor (C) und Emitter (E) genannt. Die mittlere Schicht hat die Bezeichnung Basis (B) und ist die Steuerelektrode oder auch der Steuereingang des Transistors.

NPN-Transistor PNP-Transistor
Aufbau eines TransistorsDer NPN-Transistor besteht aus zwei n-leitenden Schichten. Dazwischen liegt eine dünne p-leitende Schicht. Aufbau eines TransistorsDer PNP-Transistor besteht aus zwei p-leitenden Schichten. Dazwischen liegt eine dünne n-leitende Schicht.
Das Schaltzeichen mit den beiden gegeneinander geschalteten Dioden wird gerne verwendet um den Prinzipaufbau des Transistors darzustellen. Die Funktionsweise eines Transistors kann so in der Realität aber nicht nachgestellt werden. Der Grund liegt in dem veränderten Verhalten aufgrund der sehr dünnen mittleren Schicht des Transistors.

Spannungs- und Stromverteilung

Diese Schaltung soll nur die Strom- und Spannungsverläufe und ihre Beziehung zueinander darstellen. Grundsätzlich sollte im IB- und im IC-Stromkreis ein strombegrenzender Widerstand eingesetzt sein.
Bitte beachten: Hier gilt die technische Stromrichtung von Plus nach Minus.
Beim PNP-Transistor ist die Polarität der Spannungs- und Stromverteilung genau anders herum. Beim Einsatz ist lediglich auf die Polarität der Betriebsspannung zu achten. NPN-Transistoren werden für positive Spannungen verwendet. PNP-Transistoren werden für negative Spannungen verwendet.

UCE = Kollektor-Emitter-Spannung
UBE = Basis-Emitter-Spannung (Schwellwert)
IC = Kollektorstrom
IB = Basisstrom

Strom und Spannung am Transistor Strom und Spannung am Transistor

Funktionsweise eines Transistors (NPN)

Funktionsweise eines Transistors Bei der Funktionsweise des Transistors muss man die Stromrichtung beachten. Will man das physikalische Prinzip erklären, dann spricht man vom Elektronenstrom oder der physikalischen Stromrichtung (von Minus nach Plus). Sie wird in der folgenden Ausführung verwendet. In Schaltungen und mathematischen Berechnungen wird die technische Stromrichtung (von Plus nach Minus) verwendet.
Durch das Anlegen einer Spannung UBE von 0,7 V, ist die untere Diode (Prinzip) in Durchlassrichtung geschaltet. Die Elektronen gelangen in die p-Schicht und werden von dem Plus-Pol der Spannung UBE angezogen.
Da die p-Schicht sehr klein ist, wird nur ein geringer Teil der Elektronen angezogen.
Der größte Teil der Elektronen bewegt sich weiter in die obere Grenzschicht. Dadurch wird diese leitend und der Plus-Pol der Spannung UCE zieht die Elektronen an. Es fließt ein Kollektorstrom IC.
Bei üblichen Transistoren rutschen etwa 99% der Elektronen von Emitter zum Kollektor durch. In der Basisschicht bleiben etwa 1% der Elektronen hängen und fließen dort ab.

Eigenschaften des bipolaren NPN-Transistors

  1. Der Kollektorstrom IC fließt nur, wenn auch ein Basisstrom IB fließt. Wird der Basisstrom IB verändert, dann verändert sich auch der Kollektorstrom IC. Innerhalb des Transistors wirkt die Basisstromänderung wie eine Widerstandsänderung. Der Transistor wirkt bei einer Basisstromänderung wie ein elektrisch gesteuerter Widerstand.
  2. Der Kollektorstrom IC ist um ein vielfaches von 20 bis 10000 mal größer als der Basisstrom IB. Dieser Größenunterschied kommt von der Aufteilung des Elektronenflusses von Kollektor (C) und Basis (B). Diesen Größenunterschied nennt man Stromverstärkung B. Er lässt sich aus dem Verhältnis IC zu IB berechnen.
  3. Der Basisstrom IB fließt erst dann, wenn die Schwellspannung UBE an der Basis-Emitter-Strecke erreicht ist. Der Schwellwert ist abhängig vom Halbleitermaterial. Üblicherweise nimmt man Silizium-Transistoren, mit einem Schwellwert von 0,6 bis 0,7 V. Es gibt auch Germanium-Transistoren mit einem Schwellwert von 0,3 V.
    Mittels einer Hilfsspannung UBE kann der Schwellwert vorab eingestellt werden. Dieses Vorgehen wird als Arbeitspunkteinstellung bezeichnet. Um diese eingestellte Spannung kann nun der Basisstrom den Kollektorstrom steuern.
  4. Wenn kein Basisstrom IB fließt, dann sperrt der Transistor. Sein Widerstand in der Kollektor-Emitter-Strecke ist unendlich groß. Die Spannung am Kollektor-Emitter ist sehr groß. Fließt ein Basisstrom, dann wird der Transistor leitend. Sein Widerstand ist kleiner geworden. Damit ist auch die Spannung am Kollektor-Emitter kleiner. Genauer betrachtet führt eine Zunahme am Eingang (Basis) zu einer Abnahme am Ausgang (Kollektor-Emitter). Man nennt das auch invertierendes Verhalten. Diese Eigenschaft ist das Schaltverhalten des bipolaren Transistors und wird in der Elektronik sehr häufig angewendet (Transistor als Schalter).
  5. Wenn die Spannung UCE kleiner ist, als die Spannung UBE, dann befindet sich der bipolare Transistor in der Sättigung oder im Sättigungsbetrieb. Das passiert dann, wenn der Transistor durch den Basisstrom überflutet wird. Der Basisstrom ist dann so groß, dass die maximale Stromverstärkung schon längst erreicht ist und der Kollektorstrom nicht mehr weiter steigt.
    Generell hat das keine negativen Auswirkungen, solange der maximale Basisstrom nicht überschritten wird. Dabei wird der Transistor zerstört.
    Allerdings hat der Sättigungsbetrieb negative Auswirkungen auf das Schaltverhalten eines Transistors. Bei einem schnellen Schaltvorgang, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung UCE schnell wechseln muss. Dann muss der Transistor erst von der Ladungsträgerüberflutung freigeräumt werden. Das dauert länger, als wenn nur wenige Ladungsträger über die Basis abfließen. Diese Verzögerung macht sich bei hohen Schaltfrequenzen negativ bemerkbar. Dann sollte der Sättigungsbetrieb vermieden werden.
  6. Der bipolare Transistor vereint zwei Stromkreise in sich. Der Stromkreis mit der Spannung UBE wird als Steuerstromkreis bezeichnet. Der Stromkreis mit der Spannung UCE wird als Arbeits- oder Laststromkreis bezeichnet.

Bauformen

TO = Transistor Outline
SOT = Standard Outline for Transistors

TO-92 TO-126 TO-220 TO-18
TO-5 TO-3 TO-252 SOT-23
 



MOS-Feldeffekttransistor (MOS-FET)

Aufbau eines MOS-FETDie Bezeichnung MOS bedeutet Metal-Oxide-Semiconductor, was soviel bedeutet, wie Metall-Oxid-Halbleiterbauteil. Der MOS-FET ist auch als IG-FET bekannt. Diese Bezeichnung kommt von Insulated Gate und bedeutet isoliertes Gate. Das hängt mit dem Aufbau des MOS-FET zusammen.
Auf dem Bild ist die Grundstruktur eines MOS-FET (n-Kanal-Anreicherungstyp) dargestellt.
Dieser Feldeffekttransistor besteht aus einem p-leitenden Kristall, dem Substrat. In das Substrat sind zwei n-leitende Inseln eindotiert. Der Kristall ist mit Siliziumdioxid (SiO2) abgedeckt (Isolierschicht). Die n-leitenden Inseln sind aber noch freigelegt und über Kontakte nach außen geführt (S und D). Auf dem Siliziumdioxid ist eine Aluminiumschicht (Al) als Gate-Elektrode aufgedampft.

Funktionsweise

Funktionsweise eines MOS-FET(Anreicherungstyp) Diese Beschreibung des MOS-FET bezieht sich auf den Anreicherungstyp. Es gibt auch noch den Verarmungstyp.
Der MOS-FET befindet sich immer im Sperr-Zustand (deshalb selbstsperrend), wenn keine positive Spannung zwischen Gate- und Source-Anschluss anliegt.
Wird zwischen Gate und Source (Substrat bei n-MOS-FET) eine positive Spannung UGS angelegt, dann entsteht im Substrat ein elektrisches Feld. Die Elektronen im p-leitenden Substrat (viele Löcher, sehr wenige Elektronen) werden vom positiven Gate-Anschluss angezogen. Sie wandern bis unter das Siliziumdioxid (Isolierschicht).
Die Löcher wandern in entgegengesetzter Richtung. Die Zone zwischen den n-leitenden Inseln enthält überwiegend Elektronen als freie Ladungsträger. Zwischen Source- und Drain-Anschluss befindet sich nun eine n-leitende Brücke.
Die Leitfähigkeit dieser Brücke lässt sich durch die Gatespannung UGS steuern.
Die Vergrößerung der positiven Gatespannung führt zu einer Anreicherung der Brücke mit Elektronen. Die Brücke wird leitfähiger. Die Verringerung der positiven Gatespannung führt zu einer Verarmung der Brücke mit Elektronen. Die Brücke wird weniger leitfähig.
Dadurch das die Siliziumdioxid-Schicht isolierend zwischen Aluminium und Substrat wirkt, fließt kein Gatestrom IG. Zur Steuerung wird nur eine Gatespannung UGS benötigt. Die Steuerung des Stromes ID durch den MOS-FET erfolgt leistungslos.

Verarmungsprinzip

Der oben beschriebene MOS-FET ist ein Anreicherungstyp. Er ist selbstsperrend. Es gibt aber auch MOS-FETs als Verarmungstypen. Sie sind selbstleitend, weil sie schon nach angelegter Spannung UDS leitend sind. Das wird durch eine schwache n-Dotierung zwischen den n-leitenden Inseln (Source und Drain) erzeugt. Dieser MOS-FET sperrt nur vollständig, wenn die Gatespannung UGS negativer ist als die Spannung am Source-Anschluss.
Der selbstleitende MOS-FET wird durch eine negative, wie auch eine positive Gatespannung UGS gesteuert.

Übersicht der MOS-Feldeffekttransistoren

  n-Kanal
MOS-FET Typ Anreicherungstyp (selbstsperrend) Verarmungstyp (selbstleitend)
ID bei UDS positiv positiv
UGS (Steuerspannung) positiv positiv/negativ
Schaltzeichen Schaltzeichen MOS-FET N-Kanal Anreicherungstyp Schaltzeichen MOS-FET N-Kanal Verarmungstyp
Anwendung Leistungsverstärker Hochfrequenzverstärker,
digitale integrierte Schaltungen
  p-Kanal
MOS-FET Typ Anreicherungstyp (selbstsperrend) Verarmungstyp (selbstleitend)
ID bei UDS negativ negativ
UGS (Steuerspannung) negativ negativ/positiv
Schaltzeichen Schaltzeichen MOS-FET P-Kanal Anreicherungstyp Schaltzeichen MOS-FET P-Kanal Verarmungstyp
Anwendung Leistungsverstärker Hochfrequenzverstärker


Quelle: elektronik-kompendium
 
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