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

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

2 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Wiederholung Reaktion der RLZ auf eine kleine Erhöhung der Spannung Größe der Verarmungs- kapazität in Abhängigkeit der äußeren Spannung

3 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 4.5 Berechnung der Verarmungskapazität Plattenkondensator-Näherung: Divergiert, wenn V gegen V 0 strebt. (Niedriginjektion V kleiner als V 0 ) Spannungsabhängige Kapazität – Varaktor

4 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Die Diffusionskapazität überwiegt in Flussrichtung ist nur in Flussrichtung relevant

5 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 4.6 Ausdruck für die Diffusionskapazität:

6 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Das Kleinsignalmodell der Diode Definition Kleinsignalwiderstand und –leitwert:

7 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 4.7 Graphische Verdeutlichung von r d und g d Was bedeutet Kleinsignal? V < kT/q

8 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 4.7 Es fließen zwei Ströme durch die Diode: Die beiden Kapazitäten entsprechen einer komplexen Impedanz:

9 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Der Lawinendurchbruch Eine Diode sperrt nicht für beliebig hohe Spannungen!!! Ab einer gewissen Spannung kommt es zum Durchbruch: Der Durchbruch ist reversibel, solange die thermische Belastung begrenzt wird.

10 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 4.8

11 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 4.8 Eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung:

12 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter Der Zener-Durchbruch: tritt bei hochdotierten pn-Übergängen auf Es kommt zum Tunneln Durchbruch entsteht früher als beim Lawinendurchbruch.

13 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Der Bioplartransistor Den Bipolartransistor gibt zwei in Ausführungen: Definition der Spannungen: V EB > 0 V EB = -V BE P+P+ NP N+N+ PN E mitter B asis K ollektor E mitter B asis K ollektor E B C + -V EB IEIE ICIC Nützliche Gleichungen: I E = I B + I C V EB +V BC + V CE = 0

14 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 5.1 Der Transistor wir anhand eines p + np-Transistors erklärt, n + pn funktioniert aber analog. Eingangssignal: 2 Anschlüsse des BJT Ausgangssignal: 2 Anschlüsse des BJT Transistor hat nur 3 Anschlüsse: Ein Anschluss wird gemeinsam vom Ausgangskreis und Eingangskreis benutzt Basisschaltung P+P+ NP C B E B Eingangsgrößen: V EB, I E Ausgangsgrößen: V CB, I C inout

15 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 5.1 Sättigung Aktiv Invertiert Sperrbetrieb Betriebs- art Spannungspolarität EB-Übergang CB-Übergang Fluss Sperr Fluss Sperr Aktiv oder Normalbetrieb – wird meistens benutzt bei Linearen Signalverstärkern, Operationsverstärkern Größte Signalverstärkung wird so erreicht!! Betriebsmodi:

16 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 5.1 Warum funktioniert ein Bipolartransistor? (Bild entnommen aus: Pierret, Semiconductor Device Fundamentals) Die Basis ist feldfrei, Minoritäten bewegen sich durch Diffusion! Verarmungszone

17 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Wann funktioniert ein BJT und wann nicht? xx Ladungsträger- Konzentration Ladungsträger- Konzentration p n0 funktioniert funktioniert nicht Funktioniert nicht als BJT!!!!! Weiter 5.1

18 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 5.1 Basisschaltung im Normalbetrieb:

19 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I 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

20 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Banddiagramm 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+P+ (Bild entnommen aus: Pierret, Semiconductor Device Fundamentals)

21 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 5.1 Menge der injizierten Ladungen wird durch das Gesetz des Übergangs bestimmt: Unter der Annahme, dass es kaum zu Rekombinatin in der Basis kommt, entsteht eine Linearer Löchergradient und der Emitter- strom bestimmt sich zu:

22 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 5.1 Transistorwirkung: großer Kollektorstrom wird durch kleine Eingangsspannung gesteuert. Es kommt zu einer Leistungsverstärkung.

23 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 5.1 Kenngrößen und Mathematische Beschreibung: Emitterwirkungsgrad: = I Ep /I E = I Ep /(I Ep +I En ) Basistransportfaktor: T = I Cp /I Ep =1- t / p Stromverstärkungsfaktor in Basisschaltung: = T ; (0,99 –0,999) Stromverstärkungsfaktor = / (1 - ) ; ( ) in Emitterschaltung:

24 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 5.1 Beschreibung der Ströme:

25 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 5.1 Ausgangskennlinienfeld: -

26 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Übung II: Zeichnen Sie für einen p + np-Transistor im thermischen Gleichgewicht das Banddiagramm, das Potenzial, das elektrische Feld, die Nettoladungen. Gegeben ist ein BJT mit I Ep = 1 mA, I En = 0,01 mA, I Cp = 0,98 mA, I Cn = 1 µA. Berechnen Sie:, T,,, I E, I B, I C, I CB0, I EC0 Sie halten alle Größen bis auf I Cp fest. I Cp = 0,995 mA welche Auswirkung hat das auf ? Sie halten alle Größen bis auf I En fest. I En wird erhöht, welche Auswirkung hat das auf ?

27 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Verstärkung in Basisschaltung Verstärkungsfaktor: A v = R c /r e Leistungsverstärkung und Spannungsverstärkung Keine Stromverstärkung!! RcRc -

28 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Weiter 5.2 Kennlinienfeld mit Lastgerade: Arbeitspunkte -

29 Dipl.-Phys. S. Paprotta Halbleiterelektronik I Übungen


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