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Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Halbleiter, Transistoren.. Elektroniker vor


firewars
2003-04-06, 20:16:47
Hallo,

da ich kommenden Freitag eine Arbeit über Grundlagen der oben genannten Dinge schreiben werde, und das Ganze jedoch noch nicht ganz verstanden habe, suche ich hier Hilfe.

Was ich soweit verstanden habe, ist, dass man Stoffe wie z.B. Germanium mit einem weniger- oder mehr-wertigen Stoff dotiert, dann entsteht entweder Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel (Defektelektronen bzw. Löcher), der Stoff wird entsprechtn n- bzw. p-leitend.

Stimmt das soweit?

Nun, worum es geht ist, wie ein Transistor funktioniert. Hier habe soweit verstanden, dass er aus drei Schichten besteht, entweder nach NPN oder nach PNP angeordnet.

Handelt es sich hierbei um entsprechende n- bzw. p-leitende Schichten eines Halbleiters? Und wie entsteht genau die Diffusionsspannung? Was ist die Grenzschicht?

Danke schon jetzt.

barracuda
2003-04-07, 00:55:37
Google rät: http://www.google.com/search?q=halbleiter%2Bfunktion&sourceid=opera&num=0&ie=utf-8&oe=utf-8

Alle Fragen zum Thema Haöbleiter werden im Netz beantwortet, der Link oben ist ein 1. Versuch meinerseits Antworten auf deine Frage zu finden.

Viel Spaß beim Googeln! =)

firewars
2003-04-07, 07:27:25
Hallo,

werde ich mir mal anschauen, habe das Wort "Funktion" bislang noch nicht versucht.

Eigenes Wissen ist natürlich dennoch weiterhin gefragt :)

Unregistered
2003-04-07, 23:41:59
http://www.iee.tu-berlin.de/lehre/mundw/skript/Leistungselektronik(LE).pdf

ow
2003-04-08, 12:22:53
.

firewars
2003-04-10, 20:02:48
Originally posted by ow
Im Gleichgewichtszustand passiert nun folgendes (npn-transi):

Es wandern Elektronen aus dem Emitter in die Basis und ebenso Defektelektronen aus der Basis zum Emitter. Hierdurch bildet sich eine Ladungstraegerverteilung mit einem p-Ueberschuss im Emitter und einem n-Ueberschuss in der Basis. Daraus resultiert ein elektrisches Feld und somit eine Spannung (Diffusionsspannung).

Und was ist mit der Collector-Zone? Müsste dort nicht genau das Selbe passieren? Schließlich ist es ebenso wie die Emitter- eine p-dotierte Zone.

Und wie kommt es jetzt, dass bei angelegter Spannung, die größer als die Diffusionsspannung ist, vom Collector zum Emitter ein Strom fließt, der extrem viel größer ist, als der, der von der Basis zum Emitter fließt?

Danke.

Vedek Bareil
2003-04-10, 21:14:33
Originally posted by firewars
Und was ist mit der Collector-Zone? Müsste dort nicht genau das Selbe passieren? Schließlich ist es ebenso wie die Emitter- eine p-dotierte Zone. ja, da passiert das gleiche.


Und wie kommt es jetzt, dass bei angelegter Spannung, die größer als die Diffusionsspannung ist, vom Collector zum Emitter ein Strom fließt, der extrem viel größer ist, als der, der von der Basis zum Emitter fließt? dazu muß man zunächst den Fall betrachten, daß man nur einen einzigen pn-Übergang hat, also nicht zwei wie beim Transistor. Man spricht dann von einer Diode.
Dieser Übergang hat nun die Eigenschaft, daß er den Strom nur in einer Richtung durchläßt, nämlich dann, wenn an die n-Schicht der Minuspol einer Spannungsquelle angeschlossen ist und die p-Schicht an den Pluspol. Bei umgekehrter Polarität fließt kein Strom, der pn-Übergang sperrt dann.

Das hängt damit zusammen, daß der Minuspol Löcher aus der p-Schicht absaugt, wenn er an diese angeschlossen ist, und ebenso der Pluspol Elektronen aus der n-Schicht. Die Ladungsträgerkonzentration in der Grenzschicht wird dadurch noch geringer als sie ohnehin schon ist, und damit wird der Widerstand sehr groß, und es kann praktisch kein Strom fließen.

In Durchlaßrichtung passiert das umgekehrte: der an die n-Schicht angeschlossene Minuspol reichert diese Schicht mit Elektronen an, ebenso der Pluspol die p-Schicht mit Löchern. Die Ladungsträgerkonzentration in der Grenzschicht nimmt deutlich zu, und es kann ein Strom fließen.
Deswegen leuchtet eine Leuchtdiode nur bei richtiger Polarität.

Kommen wir nun zurück zum Transistor. Wenn wir jetzt den Emitter an den Minuspol und den Kollektor an den Pluspol anschließen, ist die Emitter-Basis-Grenzschicht in Durchlaßrichtung geschaltet, die Basis-Kollektor-Grenzschicht dagegen in Sperrrichtung (das schreibt man doch jetzt mit drei r, oder? ;)). Ein Strom kann so erstmal nicht fließen.
Jetzt macht man aber folgendes: man schließt zusätzlich die Basis an einen Pluspol an. Dadurch kann über die Emitter-Basis-Grenzschicht ein Strom zwischen Emitter und Basis fließen.

Wenn jetzt die Basis-Schicht sehr dünn ist, tritt folgender Effekt auf: von den durch die Emitter-Basis-Grenzschicht fließenden Ladungsträgern geraten relativ viele in die Kollektor-Basis-Grenzschicht, die ja eigentlich in Sperrichtung geschaltet ist. Dadurch wird die dortige Ladungsträgerkonzentration so stark erhöht, daß die Sperrwirkung dieser Grenzschicht aufgehoben wird.
Dadurch kann ein Strom zwischen Emitter und Kollektor fließen. Da von den über die Emitter-Basis-Grenzschicht wandernden Ladungsträgern die überwiegende Zahl in die Kollektor-Basis-Grenzschicht gelangt, ist der resultierende Strom zwischen Emitter und Kollektor viel (z.B. 100 mal) größer als der Strom zwischen Emitter und Basis.

Was das damit zu tun hat, daß die angelegte Spannung (wobei sich die Frage stellt, ob es die zwischen Emitter und Kollektor oder die zwischen Emitter und Basis ist) größer ist als die Diffusionsspannung (die der Emitter-Basis-Grenzschicht? Oder die der Basis-Kollektor-Grenzschicht?), weiß ich allerdings nicht.

firewars
2003-04-10, 21:52:33
Originally posted by Vedek BareilDazu muß man zunächst den Fall betrachten, daß man nur einen einzigen pn-Übergang hat, also nicht zwei wie beim Transistor. Man spricht dann von einer Diode.
Dieser Übergang hat nun die Eigenschaft, daß er den Strom nur in einer Richtung durchläßt, nämlich dann, wenn an die n-Schicht der Minuspol einer Spannungsquelle angeschlossen ist und die p-Schicht an den Pluspol. Bei umgekehrter Polarität fließt kein Strom, der pn-Übergang sperrt dann.

Das hängt damit zusammen, daß der Minuspol Löcher aus der p-Schicht absaugt, wenn er an diese angeschlossen ist, und ebenso der Pluspol Elektronen aus der n-Schicht. Die Ladungsträgerkonzentration in der Grenzschicht wird dadurch noch geringer als sie ohnehin schon ist, und damit wird der Widerstand sehr groß, und es kann praktisch kein Strom fließen.

Das wusste ich und es erscheint mir auch absolut logisch.

Originally posted by Vedek BareilIn Durchlaßrichtung passiert das umgekehrte: der an die n-Schicht angeschlossene Minuspol reichert diese Schicht mit Elektronen an, ebenso der Pluspol die p-Schicht mit Löchern. Die Ladungsträgerkonzentration in der Grenzschicht nimmt deutlich zu, und es kann ein Strom fließen.
Deswegen leuchtet eine Leuchtdiode nur bei richtiger Polarität.

Hmm, reichert die Schicht mit Elektronen an? Ich weiß ja nicht, aber eventuell habe ich auch eine falsche Vorstellung von "Spannung" und "Strom". Aber liegt es nicht eigentlich daran, dass wenn die n-leitende Schicht am Minuspol angeschlossen ist, die Elektronen dieser Schicht abgestoßen werden, da eine gleiche Polarität in der Nähe ist? Es ist zwar keine gleichgepolte Ladung, aber eben der negative Pol - denke ich zumindest so.

Und was ist die "Ladungsträgerkonzentration"? Welche Ladungsträger meinst du?

Originally posted by Vedek BareilKommen wir nun zurück zum Transistor. Wenn wir jetzt den Emitter an den Minuspol und den Kollektor an den Pluspol anschließen, ist die Emitter-Basis-Grenzschicht in Durchlaßrichtung geschaltet, die Basis-Kollektor-Grenzschicht dagegen in Sperrrichtung (das schreibt man doch jetzt mit drei r, oder? ;)). Ein Strom kann so erstmal nicht fließen.
Jetzt macht man aber folgendes: man schließt zusätzlich die Basis an einen Pluspol an. Dadurch kann über die Emitter-Basis-Grenzschicht ein Strom zwischen Emitter und Basis fließen.

Beim NPN-Transistor? Wieso ist denn die Emitter-Basis-Grenzschicht in Durchlassrichtung geschaltet, wenn doch die Elektronen "weggestoßen" werden (sofern meine Überlegung richtig ist)?

Dass es funktioniert, wenn die Basis positiv ist, verstehe ich, da dann doch die Elektronen zur Basis "gesaugt" werden, richtig?

Originally posted by Vedek BareilWenn jetzt die Basis-Schicht sehr dünn ist, tritt folgender Effekt auf: von den durch die Emitter-Basis-Grenzschicht fließenden Ladungsträgern geraten relativ viele in die Kollektor-Basis-Grenzschicht, die ja eigentlich in Sperrichtung geschaltet ist. Dadurch wird die dortige Ladungsträgerkonzentration so stark erhöht, daß die Sperrwirkung dieser Grenzschicht aufgehoben wird.
Dadurch kann ein Strom zwischen Emitter und Kollektor fließen. Da von den über die Emitter-Basis-Grenzschicht wandernden Ladungsträgern die überwiegende Zahl in die Kollektor-Basis-Grenzschicht gelangt, ist der resultierende Strom zwischen Emitter und Kollektor viel (z.B. 100 mal) größer als der Strom zwischen Emitter und Basis.

Wieso wird die Basis-Grenzschicht, welche ja aus Defektelektronen besteht dünner? Gibt es zwei Grenzschichten aufgrund der drei "Zonen"? Emitter-Basis und Basis-Kollektor? Wieso ist die Basis-Kollektor-Schicht in Sperrrichtung geschaltet (ja, mit drei r ;))?

Vedek Bareil
2003-04-10, 23:18:08
Originally posted by firewars
Hmm, reichert die Schicht mit Elektronen an? Ich weiß ja nicht, aber eventuell habe ich auch eine falsche Vorstellung von "Spannung" und "Strom". Aber liegt es nicht eigentlich daran, dass wenn die n-leitende Schicht am Minuspol angeschlossen ist, die Elektronen dieser Schicht abgestoßen werden, da eine gleiche Polarität in der Nähe ist? Es ist zwar keine gleichgepolte Ladung, aber eben der negative Pol - denke ich zumindest so. nunja, etwas genauer formuliert gibt es da zwei entgegengesetzte Ströme: einerseits den Diffusionsstrom, der von Elektronen getragen wird, die von der n-Schicht in die p-Schicht diffundieren, sowie von Löchern, die genau das umgekehrte tun, und andererseits den Feldstrom, welcher von Elektronen und Löchern getragen wird, die unter der Diffusionsspannung in die entgegengesetzte Richtung fließen, also Elektronen aus der Grenzschicht in die n-Schicht, Löcher in die p-Schicht.

Vorsicht: die Bezeichnungen Diffusionsspannung und Diffusionsstrom könnten zu dem Gedanken verleiten, der Diffusionsstrom würde durch die Diffusionsspannung verursacht werden. Das ist aber nicht der Fall! Es ist genau anders herum: der Diffusionsstrom erzeugt einen negativen Ladungsüberschuß in der p-Schicht und einen positiven Überschuß in der n-Schicht, daraus resultiert ein elektrisches Feld und eine elektrische Spannung (eben die Diffusionsspannung), die dem Diffusionsstrom entgegengesetzt ist und den Feldstrom hervorruft.

Ohne externe Spannung kompensieren sich Diffusions- und Feldstrom gerade, so daß netto kein Strom fließt.
Legt man nun eine Spannung U in Durchflußrichtung an (also Minuspol an n-Schicht, Pluspol an p-Schicht), so vergrößert sich der Diffusionsstrom. Das liegt daran, daß die Spannung, gegen die der Strom anlaufen muß, nicht mehr die volle Diffusionsspannung V_D ist, sondern die um die externe Spannung verminderte Diffusiosspannung

V_{D,eff} = V_D - U

Dadurch erklärt sich der große Strom in Durchlaßrichtung.

Mit der erhöhten Diffusionsstrom ist dann auch eine erhöhte Ladungsträgerkonzentration in der Grenzschicht verbunden. So gesehen wird die Grenzschicht mit Elektronen und Löchern angereichert.
Meine Formulierung, die n-Schicht würde mit Elektronen angereichert, ist aber in der Tat nicht ganz richtig, denn außerhalb der Grenzschicht bleiben die Ladungsträgerkonzentrationen weitgehend unverändert.

Legt man die externe Spannung dagegen in Sperrichtung an (Minuspol an p-Schicht, Pluspol an n-Schicht), wird die Spannung, gegen die der Diffusionsstrom anlaufen muß, vergrößert. Dadurch wird der Diffusionsstrom verkleinert.
Jetzt könnte man annehmen, daß im Gegenzug der Feldstrom vergrößert wird. Das passiert jedoch nicht.
Das hängt damit zusammen, daß der Feldstrom im wesentlichen ein Generationsstrom ist: er besteht aus Elektronen und Löchern, die in der Grenzschicht durch thermische Anregung erzeugt werden (natürlich werden da nicht wirklich Elektronen erzeugt, sondern es werden Elektronen aus Zuständen, in denen sie nicht frei beweglich sind, in Zustände überführt, die eine freie Bewegung gestatten).

Die Größe des Feldstroms ist daher praktisch nur durch die Wahrscheinlichkeit gegeben, mit der ein Elektron-Loch-Paar in der Grenzschicht erzeugt wird, und diese Wahrscheinlichkeit ist durch die herrschende Temperatur festgelegt.
Daher ist der Feldstrom von der externen Spannung nahezu unabhängig.

Ist der pn-Übergang daher in Sperrichtung geschaltet, so wird durch die externe Spannung lediglich der Diffusionsstrom vermindert, und der netto fließende Strom ist der dann nicht mehr kompensierte Teil des Feldstromes.
Der Strom in Sperrichtung wird also nie größer als der Feldstrom, und der ist sehr klein.


Und was ist die "Ladungsträgerkonzentration"? Welche Ladungsträger meinst du? die Ladungsträgerkonzentration ist die mittlere Zahl an Ladungsträgern pro Volumenelement. Im Halbleiter gibt es an Ladungsträgern Elektronen und Löchern, jede dieser beiden Arten hat eine eigene Konzentration.
Im einem undotierten Halbleiter wären beide Konzentrationen gleich, in einem n-Halbleiter überwiegt die Elektronenkonzentration, in einem p-Halbleiter die Löcherkonzentration.



Beim NPN-Transistor? Wieso ist denn die Emitter-Basis-Grenzschicht in Durchlassrichtung geschaltet, der Emitter ist eine n-Schicht und an den Minuspol angeschlossen, die Basis eine p-Schicht und an den Pluspol angeschlossen -> Durchlaßrichtung.


wenn doch die Elektronen "weggestoßen" werden (sofern meine Überlegung richtig ist)? dadurch, daß die Elektronen von dem an die n-Schicht angeschlossenen Minuspol abgestoßen werden, wird die Abstoßung, die die Elektronen durch die Diffusionsspannung in der Grenzschicht erfahren, abgeschwächt, und dadurch wird der Diffusionsstrom vergrößert.


Dass es funktioniert, wenn die Basis positiv ist, verstehe ich, da dann doch die Elektronen zur Basis "gesaugt" werden, richtig? ja.


Wieso wird die Basis-Grenzschicht, welche ja aus Defektelektronen besteht dünner? die Basis-Schicht wird nicht dünner, sondern sie ist schon von vorneherein sehr dünn, weil man sie halt so gebaut hat.


Gibt es zwei Grenzschichten aufgrund der drei "Zonen"?
Emitter-Basis und Basis-Kollektor? ja. Schrieb ich das nicht?


Wieso ist die Basis-Kollektor-Schicht in Sperrrichtung geschaltet? der Kollektor ist eine n-Schicht und an den Pluspol angeschlossen. Zwar ist die Basis nicht direkt an einen Minuspol angeschlossen, wohl aber der Emitter, und damit liegt zwischen Emitter und Kollektor eine Spannung an, von der - solange wir die Basis nicht an den Pluspol anschließen - der überwiegende Teil über der Grenzschicht zwischen Basis und Kollektor abfällt, da in dieser Grenzschicht der größte Widerstand herrscht.
Die Situation ist daher praktisch die gleiche wie wenn die Basis an einen Minuspol angeschlossen wäre.

firewars
2003-04-11, 11:46:48
Hallo,

auch wenn mir nicht alles klar war, verlief die Arbeit ziemlich gut. Ich danke allen für ihre Zeit und Hilfe :)

-tk|doc-
2003-04-11, 13:28:49
http://home.arcor.de/bwirmer/elektronik/ gute Linkliste
http://spotlight.de/nzforen/elk/t/forum_elk_1.html
http://www.zum.de/

ciao Brain

DEAF BOY
2003-04-12, 00:13:15
Bin selbst Industrieelektroniker und weiss nicht alles :eyes: