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Abbildung 13: Bipolartransistor: Ladungs- und Bändermodell, Schaltschema.
Im einzelnen ist die Funktion wie folgt zu verstehen: Elektronen haben im Halbleitermaterial eine freie Weglänge l.
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron rekombiniert, d.h. dass ein
Strom in die Basis fliesst, ist gegeben durch Die Übertragungsfunktion eines bipolaren Transistor wird durch den Eingangsstrom IB, die Eingangsspannung UBE, den Ausgangsstrom IC und die Spannung zwischen Kollektor und Emitter UCE bestimmt. Abbildung 16 zeigt das Kennlinienfeld eines solchen Transistors.
Die folgenden Effekte treten dabei auf: Es gibt eine stromabhängige Stromverstärkung Im Ausgangskennlinienfeld gibt es anstelle einer Sättigung einen leichten Anstieg durch den Early-Effekt. Er entsteht, weil sich mit wachsender Kollektorspannung die Kollektorsperrschicht in den Basisbereich ausdehnt. Dadurch steigt der Kollektorstrom bei konstantem IB, UBE.
()3 Dabei heisst UA die Early-Spannung. Der Early-Effekt verursacht im 4. Quadranten eine
Spannungsrückwirkung Bei hohen Kollektorspannungen treten Durchbruchserscheinungen auf (siehe Abbildung 17): Mit leerlaufendem Emitter (IE=0) steigt der
dazugehörige Reststrom ICB0 bei der höchsten Durchbruchsspannung UBRCB0
stark an (Kleinleistungstransistoren Bei offener Basis (IB=0) tritt der Durchbruch bei der niedrigsten Durchbruchsspannung, UBRCE0, ein, mit
()4 Mit einem Widerstand R zwischen Basis und Emitter ergibt sich UBRCER:
()5
Die Ursache für dieses Verhalten ist der (bei einem Begrenzungswiderstand) reversible Lawinendurchbruch. Zusätzlich kann es bei hohem Strom durch die radiale Stromverteilung zu lokaler Überhitzung und zu einer Einschnürung des Stromkanals kommen. Dies ist der Sekundäre Durchbruch, der zur Zerstörung des Transistors führt. Induktive Lasten vergrössern diese Gefahr. Die wichtigsten Grenzwerte eines Transistors sind:
Kennwerte sind:
Wenn sich der Transistor im Betrieb nur wenig von
seinem Arbeitspunkt entfernt, so spricht man von Kleinsignalverhalten. Die
Änderungen Mit
()6 mit
()7 dabei ist bn die Kleinsignalverstärkung Der Early-Rückwirkungsfaktor Der Emitterdiffusionswiderstand Der Basiswiderstand rb. Es gilt auch
()8 Der Zusammenhang ist
()9 Mit Hilfe der Vierpolparameter können Transistorschaltungen mit Matrizenarithmetik berechnet werden. Im Realfall muss berücksichtigt werden, dass die h-Parameter oder die y-Parameter frequenz und arbeitspunktabhängig sind. Die oben skizzierten Grundgleichungen sind Grundlage von Schaltungssimulationsprogrammen wie zum Beispiel PSPICE, eine freies Programm, das bei SIMTELNET im DOS-Verzeichnis geholt werden kann. |
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gegeben.
Je breiter nun die Basisschicht ist (siehe Abbildung 15) desto eher wird der vom
Emitter (Name!) ausgehende Strom von der Basis abgeleitet. Da das Verhältnis
von Kollektorstrom 
zum
Basisstrom 
die
Verstärkung 
ist,
wird die Verstärkung umso grösser, je dünner die Basisschicht ist. Da eine
dünne Basisschicht aber die Durchbruchsspannung der Kollektor-Basis-Diode
erniedrigt, muss eine Ausgleich zwischen dem Wunsch nach grosser Verstärkung
und der Notwendigkeit einer dicken Basis-Emitterschicht gefunden werden. Hohe
Ströme bedeuten eine höhere thermische Belastung, so dass sich eine erhöhte
Mobilität der Dotieratome (Diffusion) ergibt. Um einen Ausgleich der
Dotierkonzentrationen zu verzögern, muss die Basis-Emitterschicht dicker
werden. Ebenso ist bei Hochspannungstransistoren eine dickere Schicht nötig. Je
dicker die Basis-Emitterschicht ist, desto niedriger ist die Grenzfrequenz.
.
Bei kleinem Strom sinkt BN durch Zunahme der Rekombination in der
Emittersperrschicht. Bei grossem Strom tritt die Rückinjektion von
Minoritätsträgern in den Emitterbereich auf.
,
bei Hochleistungstransistoren bis 2 kV)
werden
durch eine 2x2-Matrix verknüpft. Diese Vierpoldarstellung gibt es in zwei
Varianten, der Leitwert- und der Hybriddarstellung.
wird
