Versuch: Diode, Transistor, Thyristorhawww/docs/Data/getmb/Versuch_V5_2007.… · Diode,...

Elektrotechnisches Praktikum

für Maschinenbauer

Ort:

Denickestraße 22

Raum-Nr.: 0051 (direkt über der Mensa)

Versuch:

"Diode, Transistor, Thyristor"

Technische Universität Hamburg-Harburg Institut für Hochfrequenztechnik

Prof. Dr.-Ing. A. Jacob

Diode, Transistor, Thyristor

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Diode, Transistor, Thyristor In diesem Versuch sollen 3 Halbleiter-Bauelemente in ihrer Wirkungsweise und ihren wich-tigsten Anwendungen untersucht werden, die jeweils der Grundtyp einer Klasse von Bauele-menten sind. Die Diode ist ein Zweischicht-Halbleiter und dient zur Gleichrichtung von Wechselsignalen (z.B. Leistungsgleichrichter in der Starkstromtechnik oder Empfänger von Signalen in der Nachrichtentechnik). Der Transistor weist 3 Schichten auf und dient haupt-

sächlich zur Verstärkung (von Gleichstrom bis zu Wechselströmen von 910 Hz), aber auch als Schalter oder Generator. Der Thyristor schließlich ist ein Vierschicht-Element, das als Schalter für Signale hoher Leistung vielseitige Verwendung findet (z.B. in Reglern wie der Thyristor-Zündung beim Otto-Motor). Die Funktion aller 3 Bauelemente beruht auf dem Me-chanismus der Stromleitung in den sogenannten "Halbleitern".

1. Metall, Halbleiter, Isolator Die Festkörper teilt man hinsichtlich der Stromleitung in diese 3 Gruppen ein. Wesentliches Merkmal ist die spezifische Leitfähigkeit σ , die bei Isolierstoffen extrem niedrig ist (z.B.

222 mm/Sm10− bei Bernstein oder 218 mm/Sm10− bei Mineralöl), während sie bei Metallen

um viele Größenordnungen höher liegt (z.B. bei Kupfer mit 2mm/Sm56 ). Dazwischen lie-

gen die als Halbleiter bezeichneten Materialien, deren Leitfähigkeit durch unten noch bespro-chene Maßnahmen über mehrere Größenordnungen gezielt eingestellt werden kann. Dabei kennt man Element-Halbleiter wie Germanium oder Silizium und Verbindungs-Halbleiter wie Gallium-Arsenid.

1.1 Metallische Stromleitung Etwa ein Elektron je Atom nimmt am Leitungsvorgang (= Ladungstransport) teil. Dabei gibt

es etwa 2310 Atome je cm 3 . Die Elektronen bewegen sich frei und ungeordnet ("Wimmelbe-wegung", sogenanntes "Elektronengas") zwischen den unbeweglichen Atomrümpfen des Kris-tallgitters. Legt man ein elektrisches Feld durch eine Potentialdifferenz an, so bildet sich eine Vorzugsrichtung heraus: Es fließt ein Elektronenstrom.

1.2 Eigenleitung in Isolatoren und Halbleitern Bei Isolatoren sind fast alle Elektronen an "ihr" Atom gebunden, d.h. ortsfest. Dieser Zustand ist über weite Bereiche von Einflussgrößen wie Temperatur oder elektrisches Feld nicht zu verändern. Die Leitfähigkeit ist praktisch Null. Der Unterschied zu Halbleitern ist nicht prinzipieller sondern nur gradueller Natur. Bei sehr tiefen Temperaturen ist auch deren Leitfähigkeit sehr gering. Sie nimmt aber mit der Tempe-ratur stark zu. Den Transportvorgang kann man sich am Beispiel der Element-Halbleiter Ge oder Si folgendermaßen veranschaulichen: Beide Elemente besitzen 4 Valenzelektronen: sie sind vierwertig. Sie kristallisieren im Dia-mantgitter, bei dem jedes Atom über jeweils eine "Brücke" aus 2 Elektronen an 4 Nachbar-atome gebunden ist. Das ist schematisch in der Ebene in Bild 1 dargestellt. Die Bindung ist vollständig beim absoluten Temperaturnullpunkt (Bild 1), der Halbleiter ist ein idealer Isola-tor. Durch Erwärmung (Energiezufuhr) werden zunehmend mehr Elektronen aus den Bindun-


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gen befreit und damit beweglich. Das hat aber nun eine eigentümliche Konsequenz: Wenn das Elektron seinen Platz verlässt (z.B. wegen eines angelegten elektrischen Feldes), hinterlässt es im Gitter ein Loch = Defektelektron = positive Überschussladung. Es hat sich damit ein La-dungsträgerpaar gebildet: Generation. Natürlich kann eine positive Überschussladung auch durch ein anderes freies Elektron kompensiert werden, das den Platz des Loches im Gitter einnimmt. Ein Ladungsträgerpaar verschwindet damit: Rekombination. Beide Prozesse stehen miteinander im Gleichgewicht, sodass im stationären Zustand eine bestimmte Anzahl von Elektron-Loch-Paaren für den Leitungsvorgang zur Verfügung stehen. Diese Zahl wächst über der Temperatur.

Bild 1: Ebene Darstellung eines Si-Kristalls

In Bild 2 ist ein Leitungsvorgang schematisch dargestellt. Ein Elektron verlässt seinen Gitter-platz und bewegt sich frei (1). Das entstandene Loch wird nach einer gewissen Zeit von einem Valenzelektron eines Nachbaratoms aufgefüllt (2), wobei allerdings ein neues Loch entsteht (3). Diese Vorgänge können sich fortpflanzen, der Halbleiterkristall zeigt die sogenannte "Ei-genleitung" unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes. Eigentümliches Merkmal ist, dass beide Ladungsträgersorten additiv zum Ladungstransport beitragen: Der Elektronenstrom bewirkt eine Wanderung negativer Ladung, der Löcherstrom eine scheinbare Wanderung posi-tiver Ladung. Dabei bewegen sich nicht die "ionisierten" Gitteratome, sondern es wandert der Ionisierungszustand. Für einen äußeren Beobachter stellt sich das als eine Bewegung positiver Ladung dar, die dem Elektronenstrom überlagert ist.

Bild 2: Eigenleitung im Ge-Kristall

Elektrische Leitung aufgrund der Paarbildung von Ladungsträgern nennt man Eigenleitung. An ihr sind damit stets gleich viele Elektronen wie Löcher beteiligt. Die Ladungsträgerdichte, d.i. die Anzahl der Ladungsträger pro Volumeneinheit, ist gleich der Eigenleitungsdichte. Sie

beträgt bei Ge (Si) bei Zimmertemperatur ( )310313 cm105,1cm104,2 −− ⋅⋅ , sodass z.B. von den 22104,4 ⋅ Ge-Atomen je 3cm− nur von etwa jedem 910 -ten Atom ein freies Elektron zur Ver-

fügung gestellt wird. (Man vergleiche mit Metallen: Jedes Atom stellt im Mittel etwa ein Elektron zur Verfügung.) Der Eigenleitungseffekt ist folglich sehr gering und konnte auch erst


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beobachtet werden, als man Halbleiterkristalle höchster Reinheit herstellen konnte. Verunrei-nigungen überdecken nämlich diesen Effekt, wie im folgenden veranschaulicht werden soll.

1.3 Störstellenleitung in Halbleitern Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann um viele Größenordnungen dadurch gesteigert werden, dass man das Material durch die Zugabe von Fremdatomen "verunreinigt". Das nennt man Dotieren. Dabei werden entweder fünfwertige Atome wie z.B. Antimon oder dreiwertige wie z.B. Indium in das Wirtsgitter eingebaut. Technisch geschieht das beispielsweise durch Legie-ren oder Eindiffundieren des Dotierstoffes. Es soll zunächst der Leitungsvorgang infolge Dotierung mit fünfwertigen Störstellen betrach-tet werden (Bild 3). Ein Valenzelektron des Störatoms bleibt ohne Bindung im Kristallgitter und steht daher als freier Ladungsträger zur Verfügung. Eine solche Störstelle bezeichnet man daher als Donator. Das Donatoratom wird, nachdem es sein Elektron abgegeben hat, zu einem positiv geladenen Ion. Den mit Donatoren dotierten Halbleiter nennt man einen n-Leiter. Ein

typischer Wert sind 1610 Donatoratome je 3cm , sodass zur Störstellenleitung wesentlich mehr Elektronen zur Verfügung stehen, als zur Eigenleitung. Andererseits entspricht dieser Dotie-

rungsgrad einem Fremdatom auf etwa 610 Atomen des Wirtsmaterials. Die Reinheitsanforde-rungen an den Halbleiterkristall sind also nach wie vor extrem hoch.

Bild 3: Störstellenleitung im Si-Kristall durch Dotieren mit Sb

In Bild 4 wird der Leitungsvorgang infolge Dotierung mit dreiwertigen Störstellen skizziert. Dem Fremdatom fehlt dann jeweils ein Valenzelektron, um die Bindungen zu den benachbar-ten Atomen abzusättigen. In diese Bindungslücke kann dann aus einer vollständigen Bindung (bei geringer Energiezufuhr z.B. durch Erwärmung) ein Bindungselektron nachrücken, wo-durch dort ein Loch entsteht. Eine solche Störstelle bezeichnet man dann als Akzeptor. Das Akzep- toratom wird zu einem negativ geladenen Ion. Das Loch kann im Kristallverband ge-nauso wandern, wie es schon bei der Eigenleitung beschrieben wurde. Man bezeichnet das Halbleitermaterial jetzt als p-Leiter. (Mit n und p werden in der Literatur gewöhnlich Elektro-nen und Löcher bezeichnet.)

Bild 4: Störstellenleitung im Si-Kristall durch Dotieren mit In


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Auch bei dotierten Halbleitern entstehen und verschwinden dauernd zusätzliche Ladungsträ-gerpaare, die zur Eigenleitfähigkeit führen. Sie wird jedoch durch die Störstellen-Leitfähigkeit meist um viele Größenordnungen übertroffen. Andererseits sind aber durch den Prozess der Generation in einem z.B. n-dotierten Halbleiter auch frei Löcher enthalten, wie in einem p-dotierten Halbleier auch freie Elektronen enthalten sind. Die gesamte Leitfähigkeit setzt sich daher aus einem Anteil infolge der freien Elektronen und einem anderen infolge der freien Löcher zusammen. Man bezeichnet die Ladungsträger, die durch die Dotierung im Halbleiter vorhanden sind, als Majoritätsträger, die freien Ladungsträger mit entgegengesetztem Vor-zeichen als Minoritätsträger. Bei nicht zu großen Strömen gilt

2inpn =⋅ .

Darin bedeuten n und p die Dichten der Elektronen und Löcher sowie in die im Abschnitt 1.2

eingeführte Eigenleitungsdichte. Während in einem undotierten Halbleiter pn = gilt (wa-

rum?), hat man in einem dotierten Halbleiter nur ein Hundertstel so viel Minoritätsträger wie Majoritätsträger, wenn man mit in10 Fremdatomen dotiert.

2. pn-Übergang Ein pn-Übergang ist ein Gebiet, in dem ein p-Leiter und ein n-Leiter flächig aneinandergren-zen. Er kann z.B. durch einen Diffusionsprozess erzeugt werden. Es wird im folgenden ge-zeigt, dass die Strom-Spannungs-Kennlinie des pn-Überganges einen Sperr- und einen Durch-lassbereich aufweist: Es entsteht eine Diode.

2.1 pn-Übergang ohne äußere Spannung Am pn-Übergang treten große Konzentrationsgradienten der freien Ladungsträger auf, die auf der einen Seite Majoritätsträger, auf der anderen aber Minoritätsträger sind. Aufgrund ihrer thermischen Wimmelbewegung dringen dann Elektronen aus dem n-Leiter in den p-Leiter und umgekehrt Löcher aus dem p-Leiter in den n-Leiter ein. Das ist in Bild 5 skizziert. Dieser Vorgang heißt Diffusion. Dadurch entsteht eine Grenzschicht, in der die Dichten der freibe-weglichen Ladungsträger etwa so groß sind, wie die Eigenleitungsdichte. Diese Grenzschicht ist folglich sehr hochohmig. Ihre Weite stellt sich in einem Gleichgewichtsprozess ein: Durch das Verarmen der Grenzschicht an freibeweglichen Ladungsträgern bildet sich dort eine Raumladung aus, da auf der n-Seite positive Ionen, auf der p-Seite negative Ionen im Über-schuss vorhanden sind. Die Raumladung hat eine elektrische Feldstärke zur Folge, die von der n-Zone (dem Ort der positiven Überschussladung durch Donatorionen) zur p-Zone zeigt. Das elektrische Feld in der Grenzschicht wirkt der Diffusion der Majoritätsträger über den pn-Übergang entgegen. Im Gleichgewicht sind Diffusionswirkung und Feldwirkung gleich groß, wodurch die Ausdehnung der Grenzschicht festgelegt ist. Sie liegt in der Größenord-nung Mikrometer, die elektrische Feldstärke im Bereich einiger kV/cm.


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Bild 5: Ausbildung der Grenzschicht G beim pn-Übergang

Das elektrische Feld ist mit einer Potentialdifferenz verbunden. Die gesamte, an der Grenz-schicht auftretende Potentialdifferenz wird Diffusionsspannung DU genannt. Sie hängt vom

Dotierungsgrad beiderseits der Grenzschicht, von der Temperatur und von der Halbleiterart ab. Bei Ge beträgt −~UD 0.3 bis 0.4 V, bei Si ist −~UD 0.5 bis 0.6 V.

2.2 pn-Übergang mit äußerer Spannung in Sperrrichtung Als Ausgangspunkt zeigt Bild 6a nochmals den pn-Übergang ohne äußere Spannung. Legt man nun an den Kristall eine Spannung U so an, dass der Pluspol der Spannungsquelle mit der n-Zone, der Minuspol mit der p-Zone verbunden ist, so stellen sich die in Bild 6b skizzierten Verhältnisse ein. Die äußere Spannung U hat den gleichen Richtungssinn wie die Diffusions-spannung DU . Hierdurch werden bewegliche Ladungsträger von den Rändern der Grenz-

schicht abgezogen.

Bild 6a: pn-Übergang ohne äußere Spannung

Bild 6b: pn-Übergang mit Spannung in Sperrrichtung

Die Raumladungszonen verbreitern sich, bis durch die sie erzeugte Potentialdifferenz gleich der Spannung ( )DUU + ist. Im äußeren Stromkreis fließt nur der kleine Sperrstrom SI . Er

entsteht durch die in der Grenzschicht in geringer Anzahl vorhandenen Minoritätsträger, die im Gegensatz zu den Majoritätsträgern vom elektrischen Feld in der Grenzschicht über den pn-Übergang hinwegbewegt werden.


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Es fließen also Löcher aus der n-Zone hinüber in die p-Zone. Dieser Sperrstrom ist von der Sättigungsspannung nahezu unabhängig. Die Sperrstromdichte beträgt bei Raumtemperatur

für Ge etwa 2cm/mA2.0 , für Si etwa 2cm/mA002.0 .

(Da die Minoritätsträgerdichte stark temperaturabhängig ist, darf der Kristall nicht zu sehr er-wärmt werden, damit der pn-Übergang die Sperreigenschaft nicht verliert. Bei Si beträgt die Grenztemperatur 200° C. Bei dieser Temperatur ist die Sperrstromdichte gegenüber ihrem

Wert bei Raumtemperatur um etwa einen Faktor 410 angestiegen. Das ist dennoch ein kleiner Wert, wenn man bedenkt (Abschnitt 2.3), dass im Durchlassbereich die Stromdichte bis zu

2cm/mA1000 beträgt.)

2.3 pn-Übergang mit äußerer Spannung in Durchlassrich-tung

Polt man die äußere Spannungsquelle so, dass ihr Pluspol mit der p-Zone verbunden ist, so spielen sich folgende Vorgänge ab (Bild 6c): Die Richtung der äußeren Spannung U ist entge-gengesetzt zu derjenigen der Diffusionsspannung DU . Dadurch werden frei bewegliche La-

dungsträger in die Grenzschicht hineingetrieben, sodass die Raumladung teilweise abgebaut wird. Die Grenzschicht wird dann schmaler. Folglich werden auch die elektrische Feldstärke und damit die Potentialdifferenz geringer. Bei DUU = ist die Grenzschicht vollständig abge-

baut. Aus der n-Zone werden nun Elektronen, aus der p-Zone Löcher von der äußeren Span-nung über den pn-Übergang getrieben und rekombinieren beiderseits des Überganges. In der p-Zone fließt dabei ein Löcherstrom, in der n-Zone ein Elektronenstrom (Bild 6d).

Bild 6c: pn-Übergang mit Spannung in Durchlassrichtung

Bild 6d: pn-Übergang mit Spannung und Stromfluss in Durchlassrichtung

Nach dem Abbau der Grenzschicht besitzt der Halbleiter nur noch den geringen Bahnwider-stand, sodass die Stromstärke im wesentlichen durch den äußeren Widerstand R bestimmt wird. Dieses Verhalten spiegelt die Diodenkennlinie von Bild 7 wider. Sie wird durch die Gleichung

( )( )[ ] mV26U,1nU/UexpII TTS =−=


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beschrieben, in der SI den in Abschnitt 2.2 eingeführten Sperrstrom und TU die sogenannte

"Temperaturspannung" bedeuten. Sie ist proportional zur absoluten Temperatur und hat bei Raumtemperatur den in der Gleichung angegebenen Zahlenwert. Die Größe "n" ist der Ideali-tätsfaktor, mit dem man Effekte beschreibt, die in dieser einfachen Darstellung nicht berück-sichtigt worden sind. Für ihn gilt 2n1 << .

Bild 7: Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode (Maßstäbe unterschiedlich!)

Für Spannungen, die größer sind als die Diffusionsspannung, steigt der Strom sehr stark (im Idealfall exponentiell) an. Im Sperrbereich ist ebenfalls ein steiler Stromanstieg jenseits der sogenannten Durchbruchspannung zu beobachten. Er ist in den Erklärungen des Abschnittes 2.2 noch nicht enthalten. Die starke Zunahme des Sperrstromes liegt entweder daran, dass in-folge des hohen elektrischen Feldes Elektronen unmittelbar aus den Gitteratomen herausgelöst werden, oder dass die Elektronen infolge ihrer hohen Geschwindigkeit mit Gitteratomen zu-sammenstoßen und dabei weitere Ladungsträger aus ihren Bindungen herausschlagen, sodass der Strom lawinenartig anwächst.

3. Der Transistor Der Transistor ist ein Dreischicht-Element mit der Schichtenfolge npn oder pnp. Sein prinzi-pieller Aufbau, die schematische Aufeinanderfolge der Schichten sowie die Schaltzeichen sind in Bild 8 dargestellt. Man kann diese Anordnung als Zusammenschaltung von zwei pn-Dioden betrachten, die eine gemeinsame Schicht haben. Sie wird Basis (B) genannt und ist stets extrem dünn (Größenordnung Mikrometer). Die beiden übrigbleibenden, gleichartig do-tierten Schichten heißen Emitter (E) und Kollektor (C).

Bild 8: Prinzipieller Aufbau eines Flächentransistors


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3.1 Betrieb mit leerlaufender Basis Im folgenden soll der npn-Transistor betrachtet werden. Die Verhältnisse am pnp-Transistor sind die gleichen, wenn man den Richtungssinn sämtlicher Spannungen und Ströme umkehrt. Zwischen Kollektor (C) und Emitter (E) wird eine ideale Spannungsquelle U so angeschlos-sen, dass der Pluspol mit dem Kollektor verbunden ist (Bild 9). Der Basisanschluss bleibt zu-nächst offen, sodass der Transistor hinsichtlich dieser Klemme leerläuft. Durch die Polarität der äußeren Spannungsquelle ist der rechte pn-Übergang (B-C) im Sperrzustand, der linke (B-E) im Durchlasszustand. Dabei bildet sich eine breite Raumladungszone zwischen Kollek-tor und Basis mit einer hohen Potentialdifferenz aus, die ungefähr der äußeren Spannung ent-spricht. (Über dem anderen, in Durchlassrichtung gepolten Übergang kann ja nach Bild 7 nur ein geringer Teil der äußeren Spannung abfallen.) Die einzelnen Schichten im Transistor wer-den so dotiert, dass diese Raumladungszone stark unsymmetrisch ist. Soll sie sich z.B. haupt-sächlich in die Basiszone und nur unwesentlich in die Kollektorzone ausdehnen, dann muss man die Basis schwach im Vergleich zum Kollektor dotieren. Da nahezu die gesamte Quell-spannung U an der hochohmigen C-B-Grenzschicht abfällt, reicht die Spannung an der B-E-Diode nicht aus, um die Diffusionsspannung aufzuheben und die schmale, ebenfalls un-symmetrische Grenzschicht B-E abzubauen. Im äußeren Stromkreis fließt daher nur der sehr kleine Sperrstrom CEI , der Transistor sperrt.

Bild 9: Transistorbetrieb mit leerlaufender Basis

3.2 Betrieb des Transistors mit Basisstrom Wie Bild 10 zeigt, wird nun eine zusätzliche Spannungsquelle BU angeschlossen, deren Mi-

nuspol am Emitter liegt. In der sogenannten Emitter-Schaltung erhält der Emitter (durch eine Erdung) das Bezugspotential 0 V. Durch diese Spannungsquelle wird die Raumladung in der Basis-Emitter-Grenzschicht abgebaut, sodass die dort liegende Potentialdifferenz geringer wird. Hierdurch können vermehrt Elektronen aus dem n-dotierten Emittergebiet in das Basis-gebiet eindringen. Da die Basis verhältnismäßig schwach dotiert ist, rekombinieren dort nur sehr wenige dieser Elektronen.


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Bild 10: Transistorbetrieb mit Basisstrom

Stattdessen durchläuft sie die dünne Basisschicht und geraten in das elektrische Feld der Raumladung C-B. Durch dieses Feld werden sie vom Kollektor abgesaugt, "gesammelt", und fließen als Kollektorstrom CI ab. Von der Quelle BU müssen dabei nur die durch Rekombi-

nation in der Basisschicht verschwindenden Löcher ersetzt werden. Dadurch fließt ein sehr kleiner Basisstrom CB II << , der dem Elektronenstrom durch die Basis und damit CI etwa

proportional ist. Es tritt also eine Stromverstärkung auf. Diesen Vorgang, bei dem ein kleiner Basisstrom steuernd auf den großen Kollektorstrom einwirkt, nennt man Transistoreffekt. Genauso wie die Diodenkennlinie kann man auch den Zusammenhang zwischen Strömen und Spannungen am Transistor berechnen. Dabei gibt es nun aber insgesamt vier Variable. Be-trachtet man das Schaltbild von Bild 10, dann kann man die linke Schleife als Eingang, die rechte aber als Ausgang des (verstärkenden) Transistors auffassen. Für diesen Stromverstärker ist die Beziehung zwischen Strom und Spannung am Ausgang besonders interessant. Wenn man sie darstellt, tritt eine Eingangsgröße, z.B. der Basisstrom, als Parameter auf. Anstelle ei-ner einzelnen Kennlinie wie bei der Diode erhält man nun ein Kennlinienfeld für unterschied-liche Werte des Parameters. Es ist in Bild 11 skizziert.

Bild 11: Ausgangs-Kennlinienfeld eines Transistors in Emitterschaltung


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Abschließend soll noch erwähnt werden, dass man anstelle des Emitters auch die Basis oder den Kollektor auf Bezugspotential legen kann. Man erhält dann die sogenannte Basisschaltung oder Kollektorschaltung. Beide unterscheiden sich in ihren Eigenschaften deutlich von der bisher besprochenen Emitterschaltung. Auf diese Weise hat man eine hohe Flexibilität, um mit Transistoren vorgegebene Schaltungsfunktionen realisieren zu können.

4. Der Thyristor Dieses Bauelement weist die Schichtenfolge pnpn auf. Historisch bedingt nennt man die äuße-re p-Schicht Anode, die äußere n-Schicht Kathode. In dieser Schaltung wird der Thyristor auch als "Thyristor-Diode" bezeichnet. Wenn man an einer der inneren Schichten eine Steuer-elektrode anbringt, spricht man von der Thyristor-Triode. Diese Bauelemente haben in der Leistungelektronik eine außerordentlich große Bedeutung. Sie werden z.B. als gesteuerte Gleichrichter zur Drehzahl- und Leistungsregelung von Gleichstrom- und Drehstrom-Motoren eingesetzt. Weiter findet man sie in geregelten Gleichstrom-Versorgungsanlagen, Batterie-Ladegeräten, Lichtregelungsschaltungen, bei der Steuerung von elektrischen Heizanlagen und bei der Zündung von Otto-Motoren. Dabei können elektrische Leistungen bis zu einigen 100 kW je Bauelement geschaltet werden. Es soll zunächst die Thyristor-Diode behandelt werden. Die mathematische Behandlung ihrer Kennliniengleichung ist recht schwierig, sodass wir uns hier darauf beschränken wollen, die Strom-Spannungs-Charakteristik von Bild 12 plausibel zu machen. Für Polung in Sperrrich-tung ist die Anode negativ gegenüber der Kathode K vorgespannt. Nun sperren die beiden äu-ßeren pn-Übergänge, der mittlere Übergang ist dagegen leitend. (Das hochgestellte Zeichen + an der Halbleiterschicht deutet an, dass die Dotierung besonders stark ist.) Es fließt nun ein Sperrstrom durch das Bauelement, der durch die Sperrströme der äußeren pn-Übergänge be-stimmt wird. Wird die Sperrspannung weiter bis in die Nähe der Durchbruchspannung erhöht, beginnt schließlich der Lawinendurchbruch in den äußeren Übergängen und der Sperrstrom steigt steil an. Der Sperrbereich unterscheidet sich dadurch in seiner Strom-Spannungs-Charakteristik nicht grundsätzlich von dem Sperrbereich einer Diode.

Bild 12: Prinzipieller Aufbau, Kennlinie und Schaltzeichen der Thyristor-Diode

Nun betrachten wir den Fall, dass eine positive Spannung an die Anode gelegt wird. Dann wird der mittlere pn-Übergang in Sperrrichtung betrieben, während die beiden äußeren Über-gänge leitend sind. Die angelegte Spannung U fällt folglich fast vollständig am mittleren pn-


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Übergang ab. Durch diesen fließt ein sehr geringer Sperrstrom, der im allgemeinen kleiner als 10 µA ist. Wird die angelegte Spannung weiter erhöht, so gelangt man schließlich in die Nähe der Durchbruchspannung des mittleren Überganges. Durch den Durchbruchvorgang werden in der Sperrschicht nun Elektron-Loch-Paare erzeugt, die diese vorher hochohmige Schicht plötzlich leitend machen. Damit bricht der Spannungsabfall über dem Thyristor zusammen: Das gesamte Bauelement wird niederohmig. Damit ergibt sich eine Strom-Spannungs-Charakteristik, die derjenigen eines einzelnen pn-Überganges ähnelt. Der Strom steigt steil (exponentiell) über der Spannung an. Das Bauelement ist also, nachdem es einmal über die sogenannte Schwellspannung hinweg ausgesteuert wurde, vom Sperr- in den Durchlass-Zustand gebracht worden. Daraus ergibt sich die Hauptanwendung des Thyristors als Schalter. Die Thyristor-Triode unterscheidet sich von der Thyristor-Diode nur dadurch, dass an einer der beiden inneren Zonen ein zusätzlicher Kontakt angebracht ist, die sogenannte Steuerelekt-rode. Sie wird benutzt, um bei Polung in Durchlassrichtung Ladungsträger in die Sperrschicht des mittleren pn-Überganges zu injizieren. Damit ersetzt dieser Steuerstrom die sonst an die-ser Stelle infolge des Lawinendurchbruches erzeugten Ladungsträger. Die Schwellspannung muss nun nicht mehr gleich der Durchbruchspannung des mittleren Überganges sein. Je nach Größe des injizierten Stromes schaltet der Thyristor bereits bei niedrigeren positiven Span-nungen vom Sperr- in den Durchlass-Zustand. Das spiegelt sich in der Kennlinie wider, die in Bild 13 skizziert ist. Die Thyristor-Triode ist ein steuerbarer Schalter.

Bild 13: Kennlinie und Schaltzeichen der Thyristor-Triode

Versuchsbeschreibung: Diode, Transistor, Thyristor

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Versuchsbeschreibung Nomenklatur: Sinusförmige Wechselgrößen

( ) ( ) ( )ϕ+ω⋅⋅=ϕ+ω⋅= tsinU2tsinutu eff

:u Amplitude effU : Effektivwert

Allgemeine Wechselgröße

:u max Maximalwert von ( )tu

Gleichgröße U

Versuch 5a: Diode und Einweggleichrichter Versuchsaufbau:

Abbildung 1:

Die Abbildung 1 zeigt die Schaltung für diesen Versuchsteil. Der Transformator T transfor-

miert die primärseitig anliegende Netzspannung von V2202u N ⋅= auf V15uT ≈ herunter.

Zum Schutz des Transformators gegen eventuelle Kurzschlüsse in der nachfolgenden Schal-tung ist die Sicherung Si2 eingebaut. Mögliche Wicklungskurzschlüsse im Transformator würden zu einem erhöhten primärseitigen Eingangsstrom führen. Eine Überhitzung des Trafos (Brandgefahr) soll durch die Sicherung Si1 verhindert werden. Wie Abbildung 2b zeigt, ist die nachgeschaltete Diode D während des größten Teils der posi-tiven Halbwelle von Tu leitend. In diesem Versuch wird dabei die idealisiere Diodenkennli-

nie aus Abbildung 2a benutzt.


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Abbildung 2a

Abbildung 2b

Der maximale Diodenstrom ergibt sich zu ( ) MDTmaxd R/Uui −= . DU ist die maximale Dio-

denspannung in Durchlassrichtung (≈ Diffusionsspannung). Die negative Halbwelle von Tu

sperrt die Diode. In Sperrrichtung hat der maximale Spannungsabfall an der Diode den Betrag

Tu .

Die Kennlinie der Diode kann auf dem Oszilloskop abgebildet werden, wenn du zur X-

Ablenkung und ( )dMaa iRuu ⋅= zur Y-Ablenkung des Elektronenstrahls benutzt wird. Der

Elektrolyt-Kondensator bleibt hierbei unbenutzt. Durch die Parallelschaltung eines Kondensators zum Lastwiderstand MR entsteht aus der bis-

her benutzten Schaltung ein Einweggleichrichter. Er hat die Aufgabe, eine Wechselspannung


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in eine Gleichspannung umzuwandeln. Der Kondensator dient zur Glättung der Ausgangs-spannung. Er wird bis zur Spannung

( ) ( ) ( ) DMiTMimaxcMimaxa UR/RuR/RuR/Ru −== (1)

aufgeladen, während D im leitenden Zustand ist. Sobald ( )tuT unter die Kondensatorspan-

nung maxcu fällt, sperrt die Diode. Der Kondensator beginnt nun, sich mit exponentieller Zeit-

abhängigkeit zu entladen (Zeitkonstante: LLM C;CR ⋅=τ : Kondensatorkapazität). Der Ent-

lade-Vorgang wird abgebrochen, sobald während der nächsten positiven Halbwelle von Tu

( ) ( )tutu cT =≥ (2)

wird. LC wird dann erneut auf maxcu aufgeladen. Tu ist vom Verhältnis Mi R/R abhängig

( iR = ohmscher Innenwiderstand der Sekundärwicklung des Transformators). Tu wird für

∞→MR maximal und entspricht dann der Leerlauf-Spannung des Transformators

( )∞→MT Ru . MR wird i.A. so gewählt, dass iM RR >> ist.

Für die maximale Sperrspannung an der Diode gilt:

( ) ( ) ( ) ( ) DMiTMTcMTMimaxs UR/RuRuT4

3uRuR/Ru −+∞→<

+∞→=

(3)

Um die Möglichkeit ∞→MR bei der Schaltungsauslegung zu berücksichtigen, sollte jedoch

mit

( ) ( ) DMTMmaxs URu2Ru −∞→⋅=∞→ (4)

gerechnet werden.

Abbildung 3

Die Welligkeit von au wird Brummspannung genannt (Abbildung 3).

Die Brummspannung BrU ist von der Kapazität LC des Ladekondensators, vom Wert des

Widerstandes MR und von der Frequenz der Spannung ( )tu N (hier: 50 Hz) abhängig. Die

Abhängigkeit von MR ist deshalb besonders wichtig, weil dieser Widerstand als Ersatzwider-

stand für eine dem Einweggleichrichter folgende Schaltung gelten kann. Die Brummspannung ist damit lastabhängig.


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Messaufgaben 1. MR ist auf Ωk1 abzugleichen. Die Kennlinie der Diode für den Einweggleichrichter ist

zu oszillographieren und zu skizzieren. 2. In der Schaltung des Einweggleichrichters sind die Spannungsverläufe ( )tuT , ( )tu d und

( )tu a zu oszillographieren und phasenrichtig untereinander zu skizzieren. LC soll dabei

zunächst nicht angeschlossen sein. 3. Wie 2. jedoch mit angeschlossenem LC .

4. Die Spannungsverläufe aus 2. und 3. sind zu interpretieren. 5. Der Widerstand MR soll so eingestellt werden, dass die Brummspannung V1UBr = be-

trägt. Wie groß ist dann MR ? Wie groß ist der Strom durch MR ? ( LC ist angeschlossen).

Versuch 5b: Brückengleichrichter Versuchsaufbau:

Abbildung 4

Der Brückengleichrichter nutzt im Gegensatz zum Einweggleichrichter jede Halbwelle von

Tu zum Nachladen des Ladekondensators LC : Während des größten Teils der positiven

Halbwelle von Tu sind die Dioden D1 und D3 leitend, während des größten Teils der negati-

ven Halbwelle die Dioden D2 und D4. Bei leerlaufendem Ausgang ist die maximale Aus-gangsspannung

( ) ( ) ( ) DMTMmaxcMmaxa U2RuRuRu ⋅−∞→=∞→=∞→ (5)

Bei Belastung des Ausgangs liefert eine Näherungsrechung (vergleiche [1]).

( ) ( ) ( )

⋅−⋅∞→==

M

iMmaxaMimaxcMimaxa

R2

R1RuR/RuR/Ru

(6)


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Die maximale Sperrspannung ist für jede Diode mit

( ) ( ) DMTMmaxs URuRu −∞→=∞→ (7)

nur etwa halb so groß wie beim Einweggleichrichter. Für die Brummspannung gilt nähe-rungsweise (nach [2])

LMN

a

BrCRf

uu

⋅⋅⋅π= ( Nf : Netzfrequenz)

(8)

mit der mittleren Ausgangsspannung

( ) BrMmaxaa U2

1Ruu −∞→=

(9)

( )

LMN

MmaxaBr

CRf2

1Ru

u⋅⋅⋅π+

∞→=

(10)

Literatur [1] U. Tietze, Ch. Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechnik", Springer-Verlag 1980, S. 366. [2] H. Tholl: "Bauelemente der Halbleiterelektronik, Teil 1", Teubner-Verlag, 1976, S. 50.

Messaufgaben 6. Oszillographieren Sie die Spannungsverläufe ( )tuT und ( ) ( )tutu 4d1d − und skizzieren

Sie diese phasenrichtig untereinander. 7. Erklären Sie die Wirkungsweise des Brückengleichrichters anhand der Diagramme aus

Messaufgabe 6. 8. Berechnen und messen Sie die Brummspannung des Brückengleichrichters bei einer Be-

lastung wie im Versuchsteil "Einweggleichrichter". ( )( )F220C,V6.0U,Hz50f,V16Ru LDNMT µ====∞→ . Ist ein Unterschied

zum Einweggleichrichter feststellbar?


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Versuch 5c: Thyristor-Schalter Versuchsaufbau:

Abbildung 5 Die Abbildung 5 zeigt den Thyristor in seiner Anwendung als Leistungsschalter. Durch Ein-schalten eines sehr kleinen Gate-Stroms Gi kann ein relativ großer Anodenstrom Ai durch

den Lastwiderstand LR zum Fließen gebracht werden:

Die Thyristor-Schaltung befindet sich nach dem Einschalten der Versorgungsspannung QU

im Arbeitspunkt 1A (Abbildung 6). Dabei soll zunächst noch kein Gate-Strom fließen. In die-

sem Zustand fließt nur der (vernachlässigbar kleine) Anodenstrom 1Ai durch den Lastwider-

stand. Fast die gesamte Versorgungsspannung QU liegt am Thyristor an ( )QAK Uu = . Nach

dem Einschalten eines hinreichend große Gate-Stroms besitzen die Arbeitsgerade und die Thyristor-Kennlinie nur noch den Schnittpunkt 2A . Es fließt nun der relative große Anoden-

strom 2Ai durch den Lastwiderstand. Fast die gesamte Versorgungsspannung fällt am Lastwi-

derstand ab ( )0uAK ≈ . Der Arbeitspunkt 2A bleibt auch nach dem Abschalten des Gate-

Stroms erhalten. Um in den Arbeitspunkt 1A zurückzugelangen, ist es notwendig, die Versor-

gungsspannung QU kurzzeitig abzuschalten.

Abbildung 6


18

Messaufgaben 9. Messen Sie den Strom durch den Lastwiderstand LR vor und nach dem Zünden des Thy-

ristors durch einen Gate-Strom. 10. Wie groß ist der zum Zünden notwendige Gate-Strom?

Versuch 5d: Transistor-Schalter Versuchsaufbau:

Abbildung 7

In der Schaltung der Abbildung 7 dient ein Transistor zum Einschalten des Stroms durch eine Glühlampe (= Lastwiderstand LR ).


19

Abbildung 8

Wie der Abbildung 8 zu entnehmen ist, verändert sich die Lage des Arbeitspunktes der Schal-tung von 1A nach 2A wenn ein entsprechend großer Basisstrom Bi eingeschaltet wird. Diese

Änderung kann durch Abschalten des Basisstroms rückgängig gemacht werden. Die Arbeits-gerade ist durch

( ) 0Uui QCEc == und

( ) LQCEc R/U0ui ==

(11)

festgelegt. Bei jeder Änderung der Ströme oder Spannungen am Transistor werden Raumladungen in den Grenzschichten zwischen Emitter und Basis bzw. Basis und Kollektor auf- oder abgebaut. Da dieser Auf- oder Abbau eine gewissen Zeit benötigt, kann der Kollektorstrom nicht unmittel-bar nach dem Einschalten des Basisstroms seinen stationären Wert (bestimmt durch 2A ) an-

nehmen. Entsprechendes gilt für das Ausschalten des Basisstroms. Der Transistor reagiert demnach träge, wie alle anderen elektronischen Bauelemente auch. Dies führt dazu, dass eine Grenzfrequenz existiert, oberhalb der der Ausgangsstrom des Transistors (hier: ci ) nicht mehr

in der Lage ist, dem Eingangsstrom des Transistors (hier: Bi ) zu folgen.

Um zu verhindern, dass im Bereich der Transistor-Grenzfrequenz auch der Ausgangsstrom der Transistor-Schaltung (hier: ci ) nicht mehr dem Eingangsstrom der Transistorschaltung

(hier: Si ) folgen kann, bedarf es besonderer schaltungstechnischer Maßnahmen. Die einfach-

ste Maßnahme ist die Parallelschaltung eines Kondensators SC zum Basiswiderstand BR .

Wie die Abbildung 9 zeigt, verursacht der Kondensator SC im Einschalt-Moment eine Über-

höhung des Basisstroms Bi und sorgt dadurch für eine schnellere "Überschwemmung" der

Emitter-Basis-Grenzschicht mit Ladungsträgern. Im Ausschalt-Moment wird die Stromrich-tung von Bi sogar kurzzeitig umgekehrt, wodurch verstärkt Ladungsträger aus der Emitter-

Basis-Grenzschicht "abgesaugt" werden.


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Abbildung 9

Messaufgaben 11. Oszillographieren und skizzieren Sie ( )tuS und ( )tu L phasenrichtig untereinander (An-

steuerung des Transistor-Schalters mit einem Rechteck-Generator). Bestimmen Sie eint

und aust . Wie groß ist die maximal mögliche Schaltfrequenz? Diese Messaufgabe soll

ohne SC durchgeführt werden.

12. Wie 11. jedoch mit SC .


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Versuch 5e: Transistor-Verstärker Versuchsaufbau:

Abbildung 10

Das Hauptanwendungsgebiet des Transistors ist die Kleinsignalverstärkung in der Nachrich-tentechnik. Unter "kleinen" Signalen versteht man Signale, die den Transistor nur in näherungsweise line-aren Bereichen seines Kennlinienfeldes aussteuern. Wenn die Emitter-Basis-Diode des Tran-sistors mit einem kräftigeren Signal ( )tUBE über einen nichtlinearen Bereich ausgesteuert

wird, ist das Ausgangssignal ( )tUCE verzerrt (Abbildung 11). Eine spektrale Zerlegung des

Ausgangssignals würde zeigen, das es aus Schwingungen mit verschiedenen Frequenzen zu-sammengesetzt ist. Der störende Anteil an Schwingungen jenseits der Frequenz des Eingangs-signals wird i.A. durch die Angabe des "Klirrfaktors" gekennzeichnet.


22

Abbildung 11

Die Abbildung 10 zeigt einen Transistor in Emitterschaltung als Kleinsignal-Verstärker. Der Spannungsteiler aus den Widerständen 1BR,R und 2BR dient zur Einstellung der Basisspan-

nung im Arbeitspunkt. Durch den Widerstand ER wird der gewählte Arbeitspunkt gegen

Temperaturänderungen stabilisiert: Für den Emitterstrom durch die Emitter-Basis-Diode gilt in Durchlassrichtung gemäß der Gleichung auf Seite 8

.U

uexp~i

T

BEE

(12)

Damit ist Ei wegen T~UT temperaturabhängig. Weil Bi und Ci mit Ei verknüpft sind, hat

eine Temperaturänderung auch Einfluss auf den Kollektorstrom Ci . Der Arbeitspunkt der

Schaltung würde sich deshalb ohne Gegenmaßnahmen bei einer Temperaturänderung ver-schieben. Durch den Widerstand ER wird nun erreicht, dass der Emitterstrom wegen

( )BEB

E

B

E

BEB

E

EE uumit

R

u

R

Uu

R

ui >>≈

−==

(13)

praktisch durch ER bestimmt wird und nicht mehr durch BEu . Für die Wechselsignale wird

ER durch den Kondensator EC überbrückt.

Die Kondensatoren eC und aC verhindern, dass sich die Gleichspannungen in dieser Transis-

torstufe auf die vorangehende oder nachfolgende Schaltung auswirken.


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Abbildung 12 Die Abbildung 12 zeigt das vollständige Kennlinienfeld des in diesem Versuch benutzten Transistors. Die Aussteuerung des Transistors durch die Basis-Emitter-Spannung BEu bzw.

durch den Basisstrom Bi ist eingezeichnet.


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Messaufgaben 13. Bestimmen Sie aus Abbildung 12 mit dem eingezeichneten Arbeitspunkt die Kleinsignal-

Spannungsverstärkung

e

au

u

uV =

14. Oszillographieren Sie ( )tu a und ( )tu e . Bestimmen Sie daraus uV . R soll dabei den auf

dem Schaltbrett markierten Wert besitzen. 15. Durch Änderung von R soll der Arbeitspunkt der Schaltung verschoben werden. Beo-

bachten Sie das Verhalten von ( )tu a .

Versuch: Diode, Transistor, Thyristorhawww/docs/Data/getmb/Versuch_V5_2007.… · Diode,...

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