8. Anwendungen von Dioden und was ist ein Transistor, version ...

Hartmut Gemmeke 

Forschungszentrum Karlsruhe, IPE 

hartmut.gemmeke@kit.de 

Tel.: 07247-82-5635 

Einführung in die Elektronik 

für Physiker 

8. Anwendungen von Dioden und was ist ein Transistor 

Einweg-Gleichrichtung 

Zweiweg-Gleichrichtung 

Villard- oder Greinacherschaltung 

Uni- und bipolare Halbleiter 

Wie funktioniert ein bipolarer Transistor und seine Grundschaltungen 

Messung von Kennlinien und Kenngrößen des Transistors 

Herstellung von Halbleiter-Bausteinen 

Einweggleichrichtung 

• Effektivität des Einweggleichrichters: 

Stromfluss durch R L für U > U k 

(Knickspannung der Diode) 

– kein Stromfluss für Phasenwinkel 

! = arcsin(U k /U 0 ) 

" nur maximal # - 2! Stromfluss in 

Periode 2 # 

" Nutzungsgrad 

< 0,5 " # 2$ % 

1# U ( 

' k * 

" & U0 ) 

! 

08.11.2009 Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 8 2

Einweggleichrichtung mit Glättungskondensator 

• Mit Glättungskondensator C 

$ = R L ! C >> T = 1/f 

– z.B.: f = 50Hz: T = 20ms 

$ = 100ms >> T " für R L = 100%, 

C = 1mF 

• Ausgangsspannung 

– = U 0 – U k – U BrSS /2 

V 

Vout 

Vin 

• Brummspannung U BrSS 

(periodische Abweichung von der 

Gleichspannung, „Spitze-Spitze“) 

10.0 

8.0 

6.0 

– U BrSS = &Q/C ' I a T /C 

= I a /(f C) 

= 1V für I = 0,05 A 

4.0 

2.0 

0.0 

• Maximale Sperrspannung 

U spmax für die Diode 

– U spmax = 2 U 0 - U k – U BrSS /2 

z.B.: U eff = 230 V 

=> U spmax ' 2(230()2 = 650 V 

-2.0 

-4.0 

-6.0 

-8.0 

-10.0 

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 

time 

mS 

08.11.2009 Hartmut Gemmeke, WS2009/2010, Einführung in die Elektronik, Vorlesung 8 3 

Vollweggleichrichtung (Graetzschaltung) 

• u e = U 0 cos(2# f t) 

– D 2(1) erdet und D 3(4) gibt 

positive Phase weiter auf den 

Kondensator, 

d.h. beide Phasen (+ und -) 

geben einen Beitrag zum 

Ausgangssignal, aber auch 

beide Dioden-Paare tragen zum 

Spannungsabfall durch die 

Diodenknickspannung bei. 

• Ausgangsspannung 

– = U 0 – 2U k – U BrSS /2 

• Brummspannung U BrSS 

– U BrSS = dQ/C = I a (T/2) /C 

= I a /(2 f C) 

• Maximale Sperrspannung 

U spmax für die Dioden 

Ua 

U0-2Uk 

Ue 

1 

2f 

D1 

D2 

D3 

D4 

Abwechselnd leiten die Diodenpaare D3, 

D2 bzw. D4, D1 

Ia = 0 

R L 

C 

Ua 

C=0 

t 

Ia 

uBrss 

– U spmax = U 0 - U k 


Vollweggleichrichtung (Graetzschaltung) II 

• Ersatzschaltung: 

• = |d/dI a | 

= |d(U BrSS /2)/dI a | 

= |d( I a /(4 f C))/dI a | 

= 1/(4 f C) 

• für kurzzeitige geringe Belastungen 

&t < T : Z a = U/I=&t I / C / I = &t / C 

• Rest-Welligkeit 

k W 

= max(U " ) 

a a 

= U /2 BrSS 



> 

> = I a 

/4 fC 

= 0,25# T 

R L 

# I a 

R L 

# C 

• Vorteile der Vollweg- gegenüber der Einweggleichrichtung: 

1. Faktor 2 höheren Nutzungsgrad durch Ausnutzung beider Phasen 

! 2. symmetrischere Belastung des Netzes 

3. Bei gleicher Größe des Siebkondensators Faktor 2 geringere Welligkeit 

4. Faktor 2 geringere Spannungsbelastung der Dioden 

• Nachteile 

Ue 

1. Bei niedrigen Spannungen größere Diodenverluste 

2. Mehr Bauteile 

D1 

D2 

D3 

D4 

U0 - 2U K 

Za 

R L 

C 

Ua 

Ua 

Ia 


Graetz-Schaltung mit Quellenwiderstand R i 

• Spannungsquelle hat endlichen Innenwiderstand R i , z.B. Transformator: 

• Wechselspannungsquelle Transformator: 

Nennspannung U N für Nennstrom I N und 

Leerlaufspannung U L 

– => Verlustfaktor k V = U L /U N > 1 und 

– Innenwiderstand R i = (U L - U N )/I N = (k V - 1) U N /I N 

– k V - 1 = (U L -U N )/U N ' 0.05 – 0.4, d.h. 5% - 40% 

– U a = (U L - U BrSS /2- 2 U k ) (1- (R i /2R L ) 0,5 ) 

– U BrSS = I a /(2C f) (1-(R i /2R L ) 0,25 ) 

(die letzten beiden Formeln 

sind Näherungen für R i

Villard- oder Greinacherschaltung 

U 0 

2U 0 

C2 

U 2 

Ziel: Spannungsverdopplung 

U k nicht berücksichtigt in Formeln 

U 1 D1 

C 1 

D 2 

U 3 = U a 

U 1 = U 0 sin 2! ft 

Beispiel: U 0 =10V, C 2 =C 1 

Unbelastet: 

U a = U 3 = 2 U 0 

Belastet: 

U BrSS = I a / (f C 1 ) 

Z a = (1/2C 1 + 1/C 2 )/f 

Za 

2U0 

Ua 


Kaskaden-, Villard- oder Greinacherschaltung n=2 

U 4 

U 0 2U 0 

C2 

C 2 

U 2 

U 3 

U 1 D1 

2 3 4 

U 5 = U a 

C 1 

C 1 

U 1 = U 0 sin 2! ft 2U 0 2U 0 

R L 

I a 

Ziel: Spannungsvervielfachung n=2 

Vervierfachung 

Unbelastet! 

U a = U 5 = 4 U 0 ! 

Belastet:!! 

U BrSS = 3I a / (f C 1 )! 

Z a = (3/C 1 + 5/C 2 )/f! 

Za 

2n U0 

Ua 


Anwendung Kaskadengenerator 

Hochstrom Protonenbeschleuniger mit U = 930kV mit n=3 Kaskadierung 

U a (I a =0) = 2nU 0 = 6U 0 , mit U 0 = 120*)2 kV-> U a ' 1 MeV 

Z a = ((2n 2 +1)/C 1 + (2n+1)(n+1)/C 2 )*n/(6f) 

U BrSS = n(n+1)I a / (2f C 1 ) 

* 3 

* 2 

* 1 

Realisiert im 

Forschungszentrum Karlsruhe 


Unipolare und Bipolare Halbleiter 

• Bipolare Halbleiter: Elektronen- und Löcher-Leitung 

– Bipolarer Transistor 

– Dioden 

• Unipolare Halbleiter: 

Nur eine Form von 

Ladungsträgern 

– Metall-Halbleiter Kontakt 

(1904 erfunden und 1938 

gedeutet von Schottky 

-> Schottky Kontakt) 

– Junction Field Effect 

Transistor (JFET, 1952 Shockley) 

– Metal semiconductor FET 

(MESFET, 1966 Mead) 

– Metal Oxide Semiconductor Diode 

(MOS-Diode) = Spezialfall von 

Metall-insulator diode (MIS-Diode) 

– Metal Oxide Semiconductor FET 

(MOSFET, 1960 Kahng) 

John Bardeen Erfunden 1947 

Walter H. Brattain Nobelpreis 1956 

William Shockley 


Der erste Transistor 1947 

Ein Spitzen- 

Transistor 

Emitter 

Kollektor 

Basis-Anschluss 

Germanium-Substrat 

1 cm 


Parallele Entwicklung des Transistors in Europa 


Was ist ein Transistor? 

Emitter 

Kollektor 

I E 

Im Normalbetrieb: 

Basis 

Basis-Emitterdiode in Durchfluss 

vorgespannt 

Majoritätsträger (Elektronen) aus dem Emitter 

werden in die Basis injiziert und dort nur 

teilweise durch die Löcher neutralisiert. ! 

Basis-Kollektordiode ist gesperrt" 

Der Hauptanteil diffundiert bis zur Grenze des 

Kollektors und wird dort abgesaugt 

gegenseitige Beeinflussung 

zweier pn-Übergänge 

(Basis ist sehr dünn), 

Durchgriff des elektrischen Feldes 

vom Kollektor in den Basisbereich, 

aber zwei Dioden machen keinen 

Transistor!!! 

I E = I B + I C 


Strombilanz im Transistor 

• Strombilanz: 

I E = I B + I C 

Verstärkung = Stromverstärkung (nicht leistungslos) 

• Großsignalverstärkung (integrale Verstärkung: A, B, C) 

die Kleinsignalverstärkungen (!, +, ,) bezeichnen die Verstärkungen differentiell um 

einen Arbeitspunkt 

A N 

= I C 

I E 

und 

B N 

= I C 

I 

= C 

= A N 

I B 

I E 

" I C 

1" A N 

C N 

= I E 

I B 

= 

I E 

1 

= 

I E 

" I C 

1" A N 

U BE 

B 

I C 

I B C 

U CE 

E 

! 

• Ziel A N '1 ( 100 -> A N = 0,99 

-> C N ' B N 


Grundschaltungen Bipolarer Transistoren 

Die gemeinsame Elektrode für Ein- und Ausgang bestimmen den Namen der Schaltung: 

I E = I B + I C 


Betriebszustände eines npn-Transistors 

• npn-Transistor 

U BE U CB Betriebszustand 

> 0 > 0 aktiv normal: Basis- 

Emitter Diode leitend, 

Basis-Kollektor Diode 

gesperrt 

> 0 < 0 gesättigt: beide 

Dioden leiten 

< 0 > 0 gesperrt: beide 

Dioden gesperrt 

< 0 < 0 inverser Betrieb: 

Funktion von Emitter 

und Kollektor 

vertauscht 

Polaritäten und Verteilung der 

Minoritätsladungsträger in einem npn-Transistor 

Entsprechendes gilt mit umgekehrten Vorzeichen der Spannungen bei einem pnp-Transistor 


Betriebszustände eines pnp-Transistors 

• pnp-Transistor 

U BE U CB Betriebszustand 

< 0 < 0 aktiv normal: Basis- 

Emitter Diode leitend, 

Basis-Kollektor Diode 

gesperrt 

< 0 > 0 gesättigt: beide 

Dioden leiten 

> 0 < 0 gesperrt: beide 

Dioden gesperrt 

> 0 > 0 inverser Betrieb: 

Funktion von Emitter 

und Kollektor 

vertauscht 

Polaritäten und Verteilung der 

Minoritätsladungsträger in einem pnp-Transistor 


Messung von Kennlinien und Kenngrößen 

• Kollektorschaltung: 

gemeinsame Elektrode für Ein- und 

Ausgang = Kollektor 

• Der Basiseingang verhält sich wie eine 

normale Diode, r B = Basis- 

Emitterwiderstand im Arbeitspunkt 

• Ausgangskennlinien I C (U CE ) 

R E 

U CE 

U B 

I B 

U C 

U E ! I E ' I C 

Leistungs 

grenze 


Messung von Transistorkennlinien 

Periodisch steigende und 

fallende Kollektor- 

Emitterspannung U CE 

dargestellt gegen den 

Emitterstrom I E ' I C , erzeugt 

durch den Spannungsabfall an 

einem Widerstand. 

Durch Umschaltung des 

Basisvorwiderstandes lassen 

sich zwei verschiedene 

Basisströme einstellen. 

Der Basisstrom lässt sich aus den Spannungsabfällen 

an den Vorwiderständen berechnen. Zusammen mit 

N*U T ' 40mV (siehe 9.5, 9.6) lässt sich dann der 

dynamische Basiswiderstand r B berechnen. 

Uy 

=U CE 

-I C 

I B> 

I B< 

Die Stromverstärkung + und der dynamische 

Kollektorwiderstand r C ergeben sich aus dem 

Oszillogramm. 

Ux 


Kristall-Wachstum und Epitaxie 

Grundmaterial 

Polikristalliner 

Halbleiter 

Si aus SiO 2 , GaAs aus Ga und As 

Destillation und Reduktion oder Synthese 

Einkristall ziehen aus der Schmelze 

Einkristall 

Wafer 

schleifen, sägen, polieren 

Epitaxie (epi: auf, taxis: arrangieren): 

Aufwuchs von dünnen Schichten aus 

der Dampf- oder flüssigen Phase 

oder mit Molekularstrahl und/oder 

Rekristallisation 

Ziel: kontrollierter Aufbau von dünnen 

dotierten Halbleiter-Schichten 


Technologische Varianten des Transistors

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