Grundlagen - Transistor und Thyristor

Transistoren

Der Bipolartransistor

Der Kristall eines Bipolartransistors besteht aus 3 unterschiedlich dotierten Bereichen. Die drei Anschlüsse des Transistors heißen Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C). Ich möchte die Funktionsweise am Beispiel eines npn-Transistors erklären.
BipolartransistorZwischen den beiden n-dotierten Gebieten von Emitter und Kollektor befindet sich ein schmaler p-dotierter Bereich, die Basis. Legt man eine Spannung zwischen Emitter und Kollektor an (UCE), kann zunächst kein Strom fließen, da die Anordnung gleichzusetzen ist mit zwei gegensätzlich gepolten Halbleiterdioden. Einer der beiden pn-Übergänge ist immer in Sperrichtung geschaltet. Legt man jetzt eine positive Spannung an die Basis (UBE), fließt ein Basisstrom (IB) durch die in Durchlassrichtung geschaltete Emitter-Basis-Diode. Im Gegensatz zum Emitter ist der Basiskristall nur sehr schwach dotiert. Von den Elektronen aus dem Emitter können deshalb nur wenige mit den Defektelektronen im Basisbereich rekombinieren. Der schmale Basisbereich wird von Elektronen regelrecht überschwemmt und ein großer Teil gerät in den Einflussbereich des positiven Kollektors, der die Elektronen einsammelt. Es fließt jetzt ein Kollektorstrom (IC), der um einiges größer ist, als der Basisstrom. Die Höhe des Kollektorstromes ändert sich proportional zum Basisstrom. Bipolartransistoren können also zur Stromverstärkung eingesetzt werden.
Bipolartransistor Transistoren mit einem pnp-Kristall funktionieren im Prinzip genauso, nur mit umgekehrten Polaritäten. Im Schaltzeichen des Bipolartransistors zeigt der Pfeil an der Emitter-Basisdiode wieder die technische Stromrichtung an. Bei pnp-Transistoren zeigt er deshalb zur Basis hin, bei npn-Transistoren von der Basis weg.



Feldeffekttransistoren

Bei Bipolartransistoren muss zur Ansteuerung ein Basisstrom fließen. Man braucht also eine gewisse Eingangsleistung. Feldeffekttransistoren sind spannungsgesteuert und die Beeinflussung des Ausgangsstromes erfolgt durch ein elektrisches Feld, ähnlich wie beim Steuergitter der Elektronenröhre.

Der JFET
Sperrschicht-FeldeffekttransistorJFET steht für Junction-Field-Effect-Transistor (Sperrschicht-Feldeffekttransistor). Sehen wir uns die Funktion am Beispiel eines n-Kanal-Sperrschicht-FET an. Er besteht aus einem leitfähigen n-dotierten Kristall in den seitlich zwei p-dotierte Bereiche eingebracht werden. Legt man an die beiden Enden des n-Kristalls eine Spannung an, kann durch die Eigenleitung des Materials ein Strom fließen. Die beiden Elektroden nennt man Source (Quelle) und Drain (Senke). Die beiden p-dotierten Bereiche werden verbunden und auch als Anschluss herausgeführt, den man Gate (Tor) nennt. An den beiden pn-Übergängen entstehen Raumladungszonen ohne freie Ladungsträger. Dazwischen bleibt ein Kanal, durch den der Drainstrom fließen kann. Legt man an das Gate eine Spannung in Sperrichtung der pn-Übergänge, vergrößern sich die Raumladungszonen und der verbleibende Kanal verengt sich. Der Drainstrom lässt sich also mit der Gatespannung in der Stärke steuern. Nach dem gleichen Prinzip, nur mit umgekehrten Polaritäten und Dotierungen, funktioniert ein p-Kanal-Sperrschicht-FET.

Der IGFET
MOSFET selbstsperrendIm Gegensatz zum JFET ist beim IGFET die Gate-Elektrode isoliert vom Halbleiter angebracht (Insulated-Gate-Field-Effect-Transistor, also Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate). Da üblicherweise die Gate-Elektrode aus Metall ist, findet man auch die Bezeichnung MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) oder wenn ein Oxid als Isolator eingesetzt wird MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).
Die erste Abbildung zeigt einen selbstsperrenden n-Kanal IGFET. In einen p-dotierten Kristall werden zwei n-Gebiete eingebracht. Sie bilden Source und Drain. Über dem Bereich zwischen den Elektroden wird, durch eine dünne Isolationsschicht getrennt, die Gate-Elektrode aufgebracht. Auch das Substrat (Bulk) bekommt einen eigenen Anschluss, der aber häufig intern mit der Source verbunden ist und nicht herausgeführt wird. Legt man zwischen Source und Drain eine Spannung an, ist der pn-Übergang auf der Drainseite in Sperrichtung gepolt und es kann kein Strom fließen. Gate und Substrat bilden einen Kondensator. Wenn das Gate eine positive Spannung bekommt, wird dieser Kondensator aufgeladen, indem Elektronen vom negativen Substrat in den Bereich zwischen Source und Drain fließen. Durch die Ansammlung von Elektronen entsteht jetzt ein leitfähiger Kanal und es beginnt ein Drainstrom zu fließen, in Abhängigkeit von der Gatespannung. Auch hier gibt es wieder den entsprechenden Komplementärtyp mit einem n-dotierten Substrat.
MOSFET selbstleitendBei einem selbstleitenden IGFET sind Source und Drain durch einen n-dotierten Kanal miteinander verbunden. Lädt man das Gate negativ auf, werden die freien Elektronen unter dem Gate in Richtung des Substrates abgedrängt und es entsteht ein Bereich ohne freie Ladungsträger. Der Verbindungskanal zwischen Source und Drain wird dadurch eingeengt und der Stromfluss immer mehr behindert.
Da beim selbstsperrenden Typ der Verbindungskanal mit steigender Gatespannung mit Ladungsträgern angereichert wird, spricht man auch von einem Anreicherungstyp, beim selbstleitenden IGFET von einem Verarmungstyp, da die Gatespannung eine Verringerung der freien Ladungsträger bewirkt.

Feldeffekttransistoren Schaltbilder

Der Thyristor

ThyristorBeim Thyristor handelt es sich um einen Halbleiterschalter, der vorwiegend in der Leistungselektronik eingesetzt wird. Er besteht aus einem Halbleiterkristall mit der Schichtfolge p-n-p-n. Dabei sind die beiden inneren Bereiche geringer dotiert als die äußeren. Die äußeren Anschlüsse bezeichnet man analog zur Diode mit Anode und Kathode. Der dritte Anschluss (das Gate) ist mit einem der inneren Bereiche verbunden. Zwischen Kathode und Anode kann im Normalfall kein Strom fließen, da der mittlere pn-Übergang in Sperrichtung gepolt ist. Durch einen kurzen Impuls am Gate kann der gesamte Kanal durchlässig gemacht werden. Die Funktionsweise kann man am besten am Transistor-Ersatzschaltbild verstehen (siehe Abbildung).
Die Anordnung entspricht der Zusammenschaltung eines pnp- und eines npn-Transistors, bei denen die Basis mit dem Kollektor des jeweils anderen Transistors verbunden ist, wodurch eine Art Rückkopplung entsteht. Eine positive Gate-Spannung am unteren Transistor lässt einen Basisstrom fließen und der Transistor wird leitend. Es fließt also ein Kollektorstrom, der die obere Basisdiode ansteuert. Dadurch schaltet auch der obere Transistor durch und hält den Basisstrom des unteren Transistors auch ohne Gatespannung weiter aufrecht. Wenn der Thyristor einmal "gezündet" hat, bleibt er leitend. Erst durch Abschalten der Anodenspannung, bzw. Unterschreiten des sogenannten Haltestroms geht der Thyristor wieder in den Ausgangszustand zurück und kann nur durch einen erneuten Zündimpuls am Gate durchgeschaltet werden.

Triac

TriacDer Thyristor ist im Grunde genommen eine schaltbare Diode. Der Strom fließt nur in eine Richtung und bei Wechselspannungen würde der Thyristor nur eine Halbwelle durchschalten. Will man beide Halbwellen nutzen, müsste man zwei entgegengesetzt gepolte Thyristoren parallel schalten. Jeder von ihnen müsste über seinen eigenen Gate-Anschluss gesteuert werden. Um den Aufwand zu verringern, entwickelte man ein Bauelement, das im Prinzip einer Antiparallelschaltung von zwei Thyristoren entspricht, aber über ein gemeinsames Gate gezündet wird, den Triac. Die beiden äußeren Elektroden werden Anode 1 und Anode 2 genannt.

Diac

Ein Diac, auch Zweirichtungsdiode genannt, funktioniert ähnlich wie ein Triac, besitzt aber keine Gate-Elektrode. Die Zündung erfolgt, wenn die Durchbruchsspannung des sperrenden pn-Übergangs erreicht wird. Diese Betriebsart nennt man Überkopfzündung und ist beim Thyristor nicht erwünscht, auch wenn sie nicht zwangsläufig zur Zerstörung des Bauelements führen muss.



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