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Den Bipolartransistor hatten wir bereits in den Ausbildungsunterlagen zur Klasse E diskutiert. In der Klasse A werden wir das Thema weiter vertiefen und auch noch einen weiteren Transistor betrachten.
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Bipolärtransistorn har vi redan diskuterat tidigare. Här fördjupar vi ämnet och tittar dessutom på ännu en transistortyp.
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Der Bipolartransistor besteht aus drei Halbleiterzonen, die abwechselnd n- und p-dotiert sind. Die Zonen bezeichnet man als Emitter, Basis und Kollektor. Beim *npn-Transistor* ist der Emitter n-, die Basis p- und der Kollektor n-dotiert. Beim pnp-Transistor ist es entsprechend ein p-Emitter, eine n-Basis und ein p-Kollektor.
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Bipolärtransistorn består av tre halvledarzoner som omväxlande är n- och p-dopade. Zonerna kallas emitter, bas och kollektor. Hos *npn-transistorn* är emittern n-dopad, basen p-dopad och kollektorn n-dopad. Hos pnp-transistorn är det motsvarande en p-emitter, en n-bas och en p-kollektor.
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Die Abbildung [ref:a_bipolartransistor_aus] zeigt einen npn-Transistor im ausgeschalteten Zustand.
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Sobald die Basis-Emitter-Spannung $U_\mathrm{BE}$ durch Einschalten des Schalters angelegt wird (typisch $\approx \qtyrange{0,6}{0,7}{\volt}$ bei Silizium), wird die Basis-Emitter-Diode leitend. Dadurch fließt ein kleiner Basisstrom $I_\mathrm{B}$ (vgl. Abbildung [ref:a_bipolartransistor_ein]).
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Figur [ref:a_bipolartransistor_aus] visar en npn-transistor i avslaget tillstånd.
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Så snart bas-emitter-spänningen $U_\mathrm{BE}$ läggs på genom att slå på strömbrytaren (typiskt $\approx \qtyrange{0,6}{0,7}{\volt}$ för kisel) blir bas-emitter-dioden ledande. Därigenom flyter en liten basström $I_\mathrm{B}$ (jämför figur [ref:a_bipolartransistor_ein]).
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Dieser kleine Basisstrom bewirkt, dass aus dem Emitter viele Elektronen in die dünne Basis eingebracht werden. Da die Basis sehr schmal ist, gelangen die meisten dieser Ladungsträger weiter zum Kollektor. Dort werden sie durch die anliegende Kollektor-Emitter-Spannung $U_\mathrm{CE}$ "abgesaugt", der Kollektorstrom $I_\mathrm{C}$ fließt. Er ist um den Faktor $B$ größer als der Basisstrom, wobei $B$ die sogenannte Stromverstärkung des Transistors ist. Typische Werte für $B$ liegen im Bereich von $\num{20}$ bis $\num{500}$.
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Denna lilla basström gör att många elektroner förs från emittern in i den tunna basen. Eftersom basen är mycket smal når de flesta av dessa laddningsbärare vidare till kollektorn. Där ”suks de bort” av den pålagda kollektor-emitter-spänningen $U_\mathrm{CE}$, och kollektorströmmen $I_\mathrm{C}$ flyter. Den är en faktor $B$ större än basströmmen, där $B$ är transistorns så kallade strömförstärkning. Typiska värden för $B$ ligger i området $\num{20}$ till $\num{500}$.
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[picture:1071:a_bipolartransistor_aus:NPN Bipolartransistor im augeschaltenen Zustand]
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[picture:1072:a_bipolartransistor_ein:NPN Bipolartransistor im eingesschalteten Zustand]
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[picture:1071:a_bipolartransistor_aus:NPN-bipolärtransistor i avslaget tillstånd]
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[picture:1072:a_bipolartransistor_ein:NPN-bipolärtransistor i påslaget tillstånd]
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[question:AC503]
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Det är lämpligt att lära sig NPN-transistorn. Hos PNP är då allt omvänt.
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Es empfiehl sich z.B. den NPN-Transistor zu merken. Bei PNP ist dann alles umgekehrt.
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[question:AC504]
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Physikalisch steuert die Basis-Emitter-Spannung $U_{BE}$ den Kollektorstrom $I_C$ und zwar exponentiell. Beim npn-Transistor gilt zum Beispiel:
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Fysikaliskt styr bas-emitter-spänningen $U_{BE}$ kollektorströmmen $I_C$, och det exponentiellt. Hos npn-transistorn gäller till exempel:
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$I_C = I_S \cdot e^{\frac{U_{BE}}{U_T}}$
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$I_S$ ist der Sättigungsstrom, der stark von der Bauart des Transistors abhängt. Er ist dem Datenblatt zu entnehmen. $U_T$ ist die sogenannte Temperaturspannung, die bei Raumtemperatur etwa $\qty{26}{\milli\volt}$ beträgt.
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$I_S$ är mättnadsströmmen, som beror starkt på transistorns konstruktion. Den hittar man i databladet. $U_T$ är den så kallade termiska spänningen, som vid rumstemperatur är cirka $\qty{26}{\milli\volt}$.
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Ein Unterschied zum später betrachteten Feldeffekt-Transistor ist, dass beim Bipolartransistor immer auch ein Strom im Eingang (der Basis) fließt, der Basisstrom $I_B$. Auch er ist exponentiell von $U_{BE}$ abhängig, wobei $I_S$ um einen Faktor $B$ kleiner ist als beim Kollektorstrom.
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En skillnad mot fälteffekttransistorn som behandlas längre fram är att det hos bipolärtransistorn alltid flyter en ström även på ingången (basen), basströmmen $I_B$. Även den beror exponentiellt av $U_{BE}$, där $I_S$ är en faktor $B$ mindre än för kollektorströmmen.
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$I_B = \frac{I_S}{B} \cdot e^{\frac{U_{BE}}{U_T}}$
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Der Faktor $B$ ist also der Quotient aus Kollektor- und Basisstrom:
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Faktorn $B$ är alltså kvoten mellan kollektor- och basström:
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$B = \frac{I_C}{I_B}$
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Auch wenn der Bipolartransistor physikalisch über $U_\mathrm{BE}$ gesteuert wird, bezeichnet man ihn als *stromgesteuert*, weil er nur dann leitet, wenn ein Basisstrom fließt.
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Även om bipolärtransistorn fysikaliskt styrs via $U_\mathrm{BE}$ kallas den *strömstyrd*, eftersom den bara leder när en basström flyter.
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[question:AC501]
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En transistor kallas ”ledande” i ”framriktningen” när en betydande kollektorström flyter. För det måste bas-emitter-dioden alltid vara kopplad i framriktningen, alltså $U_{BE}$ positiv hos npn- och negativ hos pnp-transistorer. Kollektor-bas-dioden måste däremot spärra, eftersom inga laddningsbärare ska injiceras från kollektorn in i basen.
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Ein Transistor wird als "leitend" in "Durchlassrichtung" bezeichnet, wenn ein signifikanter Kollektorstrom fließt. Dazu muss die Basis-Emitter-Diode stets in Flussrichtung geschaltet sein, also $U_{BE}$ positiv bei npn- und negativ bei pnp-Transistoren. Die Kollektor-Basis-Diode dagegen muss sperren, denn es sollen keine Ladungsträger aus dem Kollektor in die Basis injiziert werden.
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[question:AC505]
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Im Folgenden betrachten wir noch ein paar einfache Transistor-Schaltungen auf Basis des Bipolartransistors.
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Härnäst tittar vi på några enkla transistorkopplingar baserade på bipolärtransistorn.
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[question:AC515]
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Der gewünschte Arbeitspunkt wird dadurch eingestellt, dass über $R_1$ ein Basisstrom eingeprägt wird. Der Basisstrom ist um die gegebene Stromverstärkung von $\num{298}$ kleiner als der Kollektorstrom. Über dem Widerstand fällt die Differenz von Betriebsspannung und Basispotential ab. Das Basispotential ist mit $\qty{0,6}{\volt}$ gegeben. Also rechnen wir:
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Önskad arbetspunkt ställs in genom att en basström pålägges via $R_1$. Basströmmen är med den givna strömförstärkningen $\num{298}$ lika många gånger mindre än kollektorströmmen. Över motståndet ligger skillnaden mellan matningsspänningen och baspotentialen. Baspotentialen är $\qty{0,6}{\volt}$. Exempel: $U = \qty{12}{\volt}$, $I_C = \qty{5}{\milli\ampere}$, $B = 298$. Sökt är $R_1$. Först $I_B = \frac{I_C}{B} = \frac{\qty{5}{\milli\ampere}}{298} = \qty{16,779}{\micro\ampere}$, sedan:
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$R_1 = 298 \cdot \frac{\qty{12}{\volt} - \qty{0,6}{\volt}}{\qty{0,005}{\ampere}} \approx \qty{680}{\kilo\ohm}$
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Die Schaltung hat allerdings in der Praxis einen gewaltigen Nachteil: die Stromverstärkung eines Bipolartransistors ist nicht besonders gut kontrolliert. Nehmen wir als Beispiel den populären BC547B. Seine Stromverstärkung kann nach Spezifikation zwischen $\num{200}$ und $\num{450}$ liegen. Der Kollektorstrom kann also mit dieser Schaltung durchaus um mehr als einen Faktor $2$ vom Entwurf abweichen.
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Kopplingen har dock en enorm nackdel i praktiken: en bipolärtransistors strömförstärkning är inte särskilt väl kontrollerad. Ta som exempel den populära BC547B. Dess strömförstärkning kan enligt specifikationen ligga mellan $\num{200}$ och $\num{450}$. Kollektorströmmen kan alltså med denna koppling avvika från konstruktionen med mer än en faktor $2$.
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Um eine bessere Stabilität des Arbeitspunkts zu erreichen, wird der Arbeitspunkt des Bipolartransistors in der Regel über einen Spannungsteiler eingestellt. Der sogenannte Querstrom ist der Strom, der hier durch $R_2$ fließt. Er sollte mindestens zehnmal so hoch wie der Basisstrom sein, damit der Basisstrom keinen großen Einfluss auf den Arbeitspunkt hat.
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[question:AC516]
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För att uppnå bättre stabilitet i arbetspunkten ställs bipolärtransistorns arbetspunkt vanligen in via en spänningsdelare. Den så kallade tvärströmmen är strömmen som här flyter genom $R_2$. Den bör vara minst tio gånger så hög som basströmmen, så att basströmmen inte har någon stor inverkan på arbetspunkten.
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Auch diese Schaltung ist aus Praxissicht nicht sehr empfehlenswert. Zum einen hängt der Kollektorstrom exponentiell von der Basis-Emitter-Spannung ab. Die Widerstände haben eine Toleranz, durch die das Basispotential durchaus etwas vom Soll abweichen kann - mit einer großen Auswirkung auf den Kollektorstrom. Außerdem ist die Schwellspannung der Basis-Emitter-Diode mit etwa $\qty{-2}{\milli\volt\per\kelvin}$ recht stark temperaturabhängig. Daher wird diese Schaltung einen starken Temperaturgang des Kollektorstroms haben. Das kann manchmal erwünscht sein, aber man muss es im Blick haben. Wir lernen noch eine Schaltung kennen, die eine Gegenkopplung enthält, die den Arbeitspunkt stabilisiert.
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Inte heller denna koppling är särskilt att rekommendera ur praktisk synvinkel. Dels beror kollektorströmmen exponentiellt av bas-emitter-spänningen. Motstånden har en tolerans som gör att baspotentialen kan avvika något från börvärdet - med stor inverkan på kollektorströmmen. Dessutom är bas-emitter-diodens tröskelspänning med cirka $\qty{-2}{\milli\volt\per\kelvin}$ ganska starkt temperaturberoende. Därför får kopplingen en kraftig temperaturdrift hos kollektorströmmen. Det kan ibland vara önskvärt, men man måste ha det i åtanke. Vi lär oss snart en koppling med motkoppling som stabiliserar arbetspunkten.
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Auch zu dieser Schaltung gibt es eine Rechenaufgabe:
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[question:AC518]
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Der Spannungsteiler $R_1$ und $R_2$ stellt das Basispotential ein, das, weil der Emitter auf Masse liegt, etwa $\qty{0,6}{\volt}$ betragen muss. Bei einem Kollektorstrom von $\qty{2}{\milli\ampere}$ und einer Stromverstärkung von $\num{200}$ ist der Basisstrom $\qty{2}{\milli\ampere} / 200 = \qty{10}{\micro\ampere}$. Der Strom durch $R_2$ soll der zehnfache Basisstrom sein, durch $R_1$ fließt $11 \cdot \qty{10}{\micro\ampere} = \qty{110}{\micro\ampere}$. Der Widerstand $R_1$ ist dann:
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Räkneexempel: $U = \qty{10}{\volt}$, $I_C = \qty{2}{\milli\ampere}$, $B = 200$, emittern på jord. Spänningsdelaren $R_1$ och $R_2$ ställer in baspotentialen, som eftersom emittern ligger på jord måste vara cirka $\qty{0,6}{\volt}$. Basströmmen är $\qty{2}{\milli\ampere} / 200 = \qty{10}{\micro\ampere}$. Strömmen genom $R_2$ ska vara tio gånger basströmmen, genom $R_1$ flyter $11 \cdot \qty{10}{\micro\ampere} = \qty{110}{\micro\ampere}$. Motståndet $R_1$ blir då:
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$R_1 = \frac{\qty{10}{\volt} - \qty{0,6}{\volt}}{\qty{110}{\micro\ampere}} = \qty{85,5}{\kilo\ohm}$
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Die nächste Schaltung zeigt eine typische Arbeitspunkteinstellung für den Bipolartransistor, wie sie auch in der Praxis verwendet wird.
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Nästa koppling visar en typisk arbetspunktsinställning för bipolärtransistorn, som den också används i praktiken.
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[question:AC517]
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Dies ist eine gute Schaltung, welche auch in der Praxis häufig verwendet wird, weil der Kollektorstrom vor allem durch den Emitterwiderstand $R_E$ festgelegt wird, der eine Serien-Gegenkopplung darstellt:
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Detta är en bra koppling, som också ofta används i praktiken, eftersom kollektorströmmen framför allt bestäms av emittermotståndet $R_E$, som utgör en seriemotkoppling:
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Steigt der Kollektorstrom $I_C$, so steigt auch der Emitterstrom $I_E$. Dadurch fällt am Emitterwiderstand $R_E$ eine größere Spannung ab. Der Emitter wird also positiver. Da die Basisspannung durch den Spannungsteiler aus $R_1$ und $R_2$ nahezu konstant bleibt, wird die Basis-Emitter-Spannung $ U_{BE} = U_B - U_E $ kleiner.
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Ökar kollektorströmmen $I_C$ ökar också emitterströmmen $I_E$. Därigenom faller en större spänning över emittermotståndet $R_E$. Emittern blir alltså mer positiv. Eftersom basspänningen från spänningsdelaren av $R_1$ och $R_2$ förblir nästan konstant blir bas-emitter-spänningen $ U_{BE} = U_B - U_E $ mindre.
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Eine kleinere Basis-Emitter-Spannung bedeutet, dass der Transistor weniger leitend wird. Der ursprünglich angestiegene Strom wird dadurch wieder reduziert.
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En mindre bas-emitter-spänning betyder att transistorn leder sämre. Den ursprungligen ökade strömmen minskar därigenom igen.
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Die Schaltung wirkt also Änderungen des Stroms automatisch entgegen. Deshalb spricht man von einer Gegenkopplung. Steigt der Strom, wird der Transistor etwas „zugedreht“. Sinkt der Strom, wird der Transistor wieder stärker leitend. Dadurch stabilisiert sich der Arbeitspunkt der Schaltung.
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Kopplingen motverkar alltså automatiskt ändringar i strömmen. Därför talar man om motkoppling. Ökar strömmen ”vrids transistorn åt” något. Minskar strömmen leder transistorn bättre igen. Därigenom stabiliseras kopplingens arbetspunkt.
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Das Basispotential wird über den Spannungsteiler $R_1$ und $R_2$ festgelegt. Da über dem Emitterwiderstand $R_E$ $\qty{1}{\volt}$ abfallen soll, muss das Basispotential $\qty{1,6}{\volt}$ betragen. Bei einem Kollektorstrom von $\qty{2}{\milli\ampere}$ und einer Stromverstärkung von $\num{200}$ beträgt der Basisstrom $\qty{10}{\micro\ampere}$. Da der Strom durch $R_2$ der zehnfache Basisstrom fließen soll, fließt durch $R_1$ der elffache Basisstrom, also $\qty{110}{\micro\ampere}$. Über $R_1$ fällt die Differenz der Betriebsspannung ($\qty{10}{\volt}$) und dem Basispotential ab, also $\qty{8,4}{\volt}$. Nun können wir $R_1$ bestimmen:
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Baspotentialen bestäms av spänningsdelaren $R_1$ och $R_2$. Eftersom $\qty{1}{\volt}$ ska falla över emittermotståndet $R_E$ måste baspotentialen vara $\qty{1,6}{\volt}$. Vid kollektorströmmen $\qty{2}{\milli\ampere}$ och strömförstärkningen $\num{200}$ är basströmmen $\qty{10}{\micro\ampere}$. Eftersom strömmen genom $R_2$ ska vara tio gånger basströmmen flyter elva gånger basströmmen, alltså $\qty{110}{\micro\ampere}$, genom $R_1$. Över $R_1$ faller skillnaden mellan matningsspänningen ($\qty{10}{\volt}$) och baspotentialen, alltså $\qty{8,4}{\volt}$. Nu kan vi bestämma $R_1$:
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$R_1 = \frac{\qty{8,4}{\volt}}{\qty{110}{\micro\ampere}} = \qty{76,4}{\kilo\ohm}$
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[question:AC519]
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Felsökning i denna koppling: Om $R_1$ inte genomflyts av ström (avbrott) faller ingen spänning över $R_2$ - basen ligger på jordpotential. Då är $U_{BE} \geq \qty{0,6}{\volt}$ inte uppfyllt och transistorn är strömlös. Eftersom ingen spänning faller över kollektormotståndet $R_C$ stiger kollektorpotentialen till matningsspänningen.
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Wenn $R_1$ durch den Fehler nicht von Strom durchflossen, so fällt an $R_2$ keine Spannung ab - die Basis liegt auf Massepotential. Dann ist $U_{BE} \geq \qty{0,6}{\volt}$ nicht erfüllt, und der Transistor ist stromlos. Da am Kollektorwiderstand $R_C$ keine Spannung abfällt, steigt das Kollektorpotential auf die Betriebsspannung an.
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[question:AC520]
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Bei dem hier gegebenen Fehlerbild ist $R_2$ stromlos. Die Basis ist über $R_1$ mit der Betriebsspannung verbunden. Über diesen Pfad wird ein Basisstrom injiziert. Bei der üblichen Dimensionierung (Querstrom ist der zehnfache reguläre Basisstrom) ist der Basisstrom 11-fach höher als der reguläre Basisstrom - der Kollektorstrom wird sehr stark ansteigen, der Spannungsabfall an $R_C$ steigt stark an, die Kollektor-Emitter-Spannung sinkt auf den Sättigungswert von etwa $\qty{0,1}{\volt}$ ab. Der Kollektorstrom wird nur durch $R_C$ begrenzt.
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Är i stället $R_2$ strömlös (avbrott) är basen via $R_1$ ansluten till matningsspänningen. Via denna väg injiceras en basström. Vid vanlig dimensionering (tvärströmmen tio gånger den reguljära basströmmen) är basströmmen 11 gånger högre än den reguljära basströmmen - kollektorströmmen ökar mycket kraftigt, spänningsfallet över $R_C$ ökar kraftigt och kollektor-emitter-spänningen sjunker till mättnadsvärdet cirka $\qty{0,1}{\volt}$. Kollektorströmmen begränsas då bara av $R_C$.
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In der nächsten Aufgabe geht es um ein Relais, das über den in Serie dargestellten npn-Transistor geschaltet wird (vgl. Abbildung [ref:a_relais_schaltung]). Nehmen wir an, dass der Transistor zunächst durchgeschaltet ist, es fließt ein Strom durch die Relaisspule, das Relais hat angezogen.
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I nästa exempel gäller det ett relä som kopplas via den seriekopplade npn-transistorn (jämför figur [ref:a_relais_schaltung]). Anta att transistorn först leder, en ström flyter genom relespolen och reläet har dragit.
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[picture:426:a_relais_schaltung:Relais-Schaltung mit npn-Transistor und Freilaufdiode]
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[picture:426:a_relais_schaltung:Reläkoppling med npn-transistor och frihjulsdiod]
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Nun schaltet der Transistor ab, der Stromfluss bricht zusammen. Die starke Änderung des Stroms induziert allerdings kurzzeitig in der Spule des Relais eine hohe negative Spannung, die zur Zerstörung des Transistors führen kann.
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Nu stänger transistorn av och strömflödet bryts samman. Den kraftiga strömändringen inducerar dock kortvarigt en hög negativ spänning i reläets spole, som kan förstöra transistorn.
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Um dies zu verhindern, schalten wir eine Freilaufdiode *parallel*. Sie ist so geschaltet, dass sie im Regelbetrieb (Transistor durchgeschaltet) keinen Strom führt - sie muss also in Sperrrichtung eingebaut werden. Die negative Spannung, die beim Zusammenbruch des Stroms kurzzeitig auftritt, schaltet die Diode in Flussrichtung, die entstehende Spannung wird (bei Siliziumdioden) auf $\qty{-0,7}{\volt} \ldots \qty{-0,8}{\volt}$ begrenzt.
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[question:AC524]
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För att förhindra detta kopplar vi en frihjulsdiod *parallellt*. Den kopplas så att den inte leder någon ström vid normal drift (transistorn på) - den måste alltså monteras i backriktningen. Den negativa spänning som kortvarigt uppstår när strömmen bryts samman slår på dioden i framriktningen, och den uppkomna spänningen begränsas (för kiseldioder) till $\qty{-0,7}{\volt} \ldots \qty{-0,8}{\volt}$.
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Feldeffekt-Transistoren haben ein ganz anderes Steuerprinzip als Bipolartransistoren. Während bei Bipolartransistoren sowohl Elektronen also auch Defektelektronen ("Löcher") betrachtet werden müssen (daher "bipolar"), ist beim Feldeffekt-Transistor nur eine Ladungsträgersorte beteiligt ("unipolar"). Dies können entweder Elektronen (*n-Kanal-Feldeffekt-Transistor*) oder Löcher (*p-Kanal-Feldeffekt-Transistor*) sein.
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Fälteffekttransistorer har en helt annan styrprincip än bipolärtransistorer. Medan man hos bipolärtransistorer måste betrakta både elektroner och elektronbrister (”hål”) (därav ”bipolär”) deltar hos fälteffekttransistorn bara en sorts laddningsbärare (”unipolär”). Det kan vara antingen elektroner (*n-kanal-fälteffekttransistor*) eller hål (*p-kanal-fälteffekttransistor*).
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Die Elektroden des FET, welche in Abbildung [ref:a_fet_schnitt_aus] dargestellt sind, werden wie folgt bezeichnet:
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FET:ens elektroder, som visas i figur [ref:a_fet_schnitt_aus], benämns så här:
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* *Source*: dies ist die "Quelle" (engl. source) für die Ladungsträger im Kanal. Nicht verwirren lassen: die sogenannte technische Stromrichtung ist entgegen der Ladungsträger-Flussrichtung definiert!
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* *Drain*: dies ist der Abfluss (engl. drain) für die Ladungsträger im Kanal.
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* *Gate*: Das Gate (englisch für Gatter) steuert den Fluss der Ladungsträger im Kanal.
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* *Source*: detta är ”källan” (engelska source) för laddningsbärarna i kanalen. Bli inte förvirrad: den tekniska strömriktningen är definierad motsatt laddningsbärarnas flödesriktning!
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* *Drain*: detta är avloppet (engelska drain) för laddningsbärarna i kanalen.
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* *Gate*: Gaten (engelska för grind) styr flödet av laddningsbärare i kanalen.
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[question:AC512]
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Allen Feldeffekt-Transistoren (oder *FETs*) gemein ist, dass im normalen Betrieb kein Strom im Eingang, der Gate-Elektrode, fließt. Die Steuerung der Ladung im Kanal (dem Bereich zwischen *Source* und *Drain*) ist ausschließlich von der Gate-Source-Spannung abhängig.
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Gemensamt för alla fälteffekttransistorer (eller *FET:ar*) är att ingen ström flyter i ingången, gate-elektroden, vid normal drift. Styrningen av laddningen i kanalen (området mellan *source* och *drain*) beror enbart på gate-source-spänningen.
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[picture:1073:a_fet_schnitt_aus:FET im Querschnitt, nicht leitend]
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[picture:1074:a_fet_schnitt_ein:FET im Querschnitt, leitend]
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[picture:1073:a_fet_schnitt_aus:FET i tvärsnitt, icke ledande]
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[picture:1074:a_fet_schnitt_ein:FET i tvärsnitt, ledande]
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Die Abbildungen [ref:a_fet_schnitt_aus] und [ref:a_fet_schnitt_ein] zeigen den Querschnitt eines n-Kanal-MOSFETs im gesperrten und im leitenden Zustand. Im oberen Bild ist keine ausreichende Gate-Source-Spannung $U_{GS}$ angelegt. Zwischen den n-dotierten Bereichen von Source und Drain befindet sich das p-dotierte Substrat, sodass kein leitfähiger Kanal vorhanden ist. Der Transistor sperrt, und zwischen Source und Drain kann kein Strom fließen.
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Figurerna [ref:a_fet_schnitt_aus] och [ref:a_fet_schnitt_ein] visar tvärsnittet av en n-kanal-MOSFET i spärrat och i ledande tillstånd. I den övre bilden är ingen tillräcklig gate-source-spänning $U_{GS}$ pålagd. Mellan source och drains n-dopade områden finns det p-dopade substratet, så ingen ledande kanal finns. Transistorn spärrar och ingen ström kan flyta mellan source och drain.
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Wird am Gate eine positive Spannung gegenüber Source angelegt (vgl. Abbildung [ref:a_fet_schnitt_ein]), entsteht durch die isolierende SiO$_2$-Schicht hindurch ein elektrisches Feld. Dieses Feld zieht Elektronen an die Oberfläche des p-dotierten Substrats direkt unterhalb des Gates. Dadurch bildet sich dort ein leitfähiger n-Kanal, der Source und Drain miteinander verbindet. Der MOSFET wird leitend, und es kann ein Strom zwischen Drain und Source fließen.
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Läggs en positiv spänning på gaten gentemot source (jämför figur [ref:a_fet_schnitt_ein]) uppstår ett elektriskt fält genom det isolerande SiO$_2$-skiktet. Detta fält drar elektroner till ytan av det p-dopade substratet direkt under gaten. Därigenom bildas en ledande n-kanal som förbinder source och drain. MOSFET:en blir ledande och en ström kan flyta mellan drain och source.
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Wichtig ist dabei, dass das Gate durch die Oxidschicht elektrisch isoliert ist. Im Idealfall fließt daher kein Gate-Strom; der MOSFET wird nicht durch einen Steuerstrom, sondern durch das elektrische Feld am Gate gesteuert. Deshalb wird er auch als *spannungsgesteuertes* Bauelement bezeichnet.
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Viktigt är att gaten är elektriskt isolerad av oxidskiktet. I idealfallet flyter därför ingen gateström; MOSFET:en styrs inte av en styrström utan av det elektriska fältet vid gaten. Därför kallas den också en *spänningsstyrd* komponent.
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[question:AC502]
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[question:AC513]
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[question:AC514]
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Wie wir bereits festgestellt hatten, ist der FET ein *spannungsgesteuertes* Bauelement, in dem kein Gate-Strom fließt. Die gewünschte Antwort ist die, dass die Gate-Source-Spannung den *Kanalwiderstand* steuert. Allerdings kann das Verhalten des Kanals nur für sehr kleine Drain-Source-Spannungen als Widerstand beschrieben werden, in sofern ist die Antwort etwas unglücklich formuliert. Besser wäre: die Gate-Source-Spannung steuert den Kanalstrom.
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Som vi redan konstaterat är FET:en en *spänningsstyrd* komponent där ingen gateström flyter. Gate-source-spänningen styr *kanalresistansen*. Kanalens beteende kan dock bara för mycket små drain-source-spänningar beskrivas som ett motstånd; bättre vore att säga: gate-source-spänningen styr kanalströmmen.
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Die senkrechte Linie symbolisiert den Kanal, die oben (Drain) und unten (Source) kontaktiert wird. Links ist das Gate zu sehen - der Pfeil erinnert zusammen mit dem senkrechten Strich an eine Diode. Es handelt sich also um einen FET, genau genommen einen Sperrschicht-FET. Die Abbildung [ref:a_fet_overview] zeigt eine Übersicht über die verschiedenen FET-Typen mit ihren Schaltsymbolen.
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Den lodräta linjen i kretssymbolen symboliserar kanalen, som kontakteras upptill (drain) och nedtill (source). Till vänster syns gaten - pilen påminner tillsammans med det lodräta strecket om en diod. Det är alltså en FET, närmare bestämt en övergångs-FET (JFET). Figur [ref:a_fet_overview] visar en översikt över de olika FET-typerna med deras kretssymboler.
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[picture:1075:a_fet_overview:FET-Übersicht mit Symbolen]
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[picture:1075:a_fet_overview:FET-översikt med symboler]
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[question:AC506]
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Några grundregler för att känna igen FET-typerna i kretssymboler:
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Bei den folgenden Fragen geht es darum, bestimmte FET-Typen ihrem Schaltsymbol zuzuordnen. Dazu ein paar Grundregeln:
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* Strömmen i kanalen kan antingen bäras av elektroner eller av hål. I första fallet talar vi om en *n-kanal-FET*, i andra fallet om en *p-kanal-FET*.
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* Vi kan också skilja FET:ar efter om det flyter en ström i kanalen för en gate-source-spänning $U_{GS}=0$ eller inte. De kallas då antingen *självledande* (depletion) eller *självspärrande* (enhancement).
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* Slutligen kan vi skilja FET:ar efter om gate-elektroden är en diod eller en kondensatorstruktur. Är gaten en diod talar vi om en övergångs-FET. Exempel är JFET (junction field effect transistor) och MESFET (metal semiconductor field effect transistor). Hos MESFET är gate-dioden en schottkydiod. Hos en *isolerad-gate-FET* är gate-elektroden skild från kanalen av en isolator (ett dielektrikum). Den pålagda spänningen styr tätheten av laddningsbärare i kanalen. Är isolatorn en oxid, till exempel kiseldioxid, talar vi också om en MOSFET (metal oxide semiconductor FET). På grund av sin användning i digitala kretsar är MOSFET:ar med mycket stor marginal de vanligaste transistortyperna.
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* Der Strom im Kanal kann entweder von Elektronen oder von Löchern getragen werden. Wir sprechen im ersten Fall von einem *n-Kanal-FET*, im zweiten Fall von einem *p-Kanal-FET*.
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* Wir können FETs auch danach unterscheiden, ob für eine Gate-Source-Spannung $U_{GS}=0$ ein Strom im Kanal fließt oder nicht. Sie heißen dann entweder *selbstleitend* oder *selbstsperrend*.
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* Schließlich können wir FETs danach unterscheiden, ob die Gate-Elektrode eine Diode ist, oder eine Kondensator-Struktur. Ist Gate eine Diode, sprechen wir von einem Sperrschicht-FET. Beispiele sind der JFET (junction field effect transistor) und der MESFET (metal semiconductor field effect transistor). Beim MESFET ist die Gate-Diode eine Schottky-Diode. Bei einem *Isolierschicht-FET* ist die Gate-Elektrode durch einen Isolator (ein Dielektrikum) vom Kanal getrennt. Die anliegende Spannung steuert die Dichte von Ladungsträgern im Kanal. Ist der Isolator ein Oxid, zum Beispiel Siliziumdioxid, sprechen wir auch von einem MOSFET (metal oxide semiconductor FET). Wegen ihrer Verwendung in Digitalschaltkreisen sind MOSFETs mit sehr weitem Abstand die häufigsten Transistortypen.
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Pilen visar om det är en n- eller p-kanal-FET. Liksom hos dioden pekar pilen mot katoden, alltså det n-dopade området. Pekar pilen mot kanalen är det alltså en n-kanal-FET. Hos övergångs-FET:en bär gaten kanalen, hos isolerad-gate-FET:en syns pilen mellan kanalen och det så kallade bulkskiktet, som ligger under kanalen och oftast är internt förbundet med source-elektroden.
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Der Pfeil zeigt an, ob es sich um einen n- oder p-Kanal-FET handelt. Wie bei der Diode zeigt der Pfeil auf die Kathode, also den n-dotierten Bereich. Zeigt also der Pfeil auf den Kanal, handelt es sich um einen n-Kanal-FET. Beim Sperrschicht-FET trägt das Gate den Kanal, beim Isolierschicht-FET ist der Pfeil zwischen Kanal und der sogenannten Bulk-Schicht zu sehen, die unter dem Kanal liegt und meist intern mit der Source-Elektrode verbunden ist.
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Hos isolerad-gate-FET:en bildar gate och kanal även grafiskt en kondensator.
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Im Isolierschicht-FET bilden Gate und Kanal auch grafisch einen Kondensator.
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Hos den självledande FET:en går linjen mellan source och drain obruten, medan den hos den självspärrande FET:en är avbruten.
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Beim selbstleitenden FET geht die Linie zwischen Source und Drain durch, während sie beim selbstsperrenden FET unterbrochen ist.
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[question:AC507]
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[question:AC508]
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[question:AC509]
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[question:AC510]
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[question:AC511]
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Im folgenden wollen wir auch ein paar MOSFET-Schaltungen betrachten, die auf den vorherigen Fragen aufbauen.
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[question:AC521]
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In den Gate-Anschluss eines MOSFETs fließt kein Gleichstrom. Daher handelt es sich im einen *unbelasteten* Spannungsteiler und es gilt:
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Några MOSFET-kopplingar: Gate-anslutningen på en MOSFET leder ingen likström. Därför är det en *obelastad* spänningsdelare och det gäller (med $U_B = \qty{44}{\volt}$, $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$, $R_2 = \qty{1}{\kilo\ohm}$):
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$U_{GS} = \frac{R_2}{R_1 + R_2} \cdot U_B = \frac{\qty{1}{\kilo\ohm}}{\qty{11}{\kilo\ohm}} \cdot \qty{44}{\volt} = \qty{4}{\volt}$
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[question:AC522]
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Auch hier handelt es sich um einen unbelasteten Spannungsteiler. Da die Spannungen gegeben sind, setzen wir am einfachsten an:
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Om spänningarna är givna (t.ex. $U_{GS} = U_{R2} = \qty{2,8}{\volt}$ med $R_1 = \qty{10}{\kilo\ohm}$) ansätter vi enklast:
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$\frac{R_2}{R_1} = \frac{\qty{2,8}{\volt}}{\qty{44}{\volt} - \qty{2,8}{\volt}} \rightarrow R_2 = 0,068 \cdot \qty{10}{\kilo\ohm} = \qty{680}{\ohm}$
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[question:AC523]
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Effekt-MOSFET:en är här helt påslagen, kanalen kan framställas som ett ohmskt motstånd på (t.ex.) $R_\mathrm{DSon} = \qty{4}{\milli\ohm}$. Det flyter en ström på $\qty{25}{\ampere}$. Förlusteffekten beräknar vi enkelt med den kända effektformeln:
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Der Leistungs-MOSFET ist hier vollständig durchgeschaltet, der Kanal lässt sich als ein ohmscher Widerstand von (lt. Aufgabenstellung) $R_\mathrm{DSon} = \qty{4}{\milli\ohm}$ darstellen. Es fließt ein Strom von $\qty{25}{\ampere}$. Die Verlustleistung berechnen wir einfach nach der bekannten Leistungs-Formel:
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$P_V = I^2 \cdot R_{\mathrm{DSon}} = \qty{2,5}{\watt}$
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$P_V = I^2 \cdot R_{\mathrm{DSon}} = \qty{2,5}{\watt}$
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Reference in New Issue
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