Elektrotechnik für Ingenieure - Bauelemente

3 Aktive Bauelemente (S. 168)

3.1 Eigenschaften

Aktive Bauelemente sind elementare schaltungstechnische Grundglieder, die in der Lage sind, Signalenergie zu verstärken. In diesem Kapitel werden lediglich diskrete aktive Halbleiter-Bauelemente behandelt. Sie bestehen nur aus einem Funktionselement und werden als Transistor (Transfer resistor) oder als Thyristor (SCR = S ilicon C ontrolled R ectifier) bezeichnet.

Infolge der Existenz von mindestens einer Steuerelektrode verfügen diese Halbleiter-Bauelemente über mindestens drei Anschlüsse. Eine Einteilung ist nach verschiedenen Kriterien möglich, die typische Eigenschaften beschreiben sollen. Dazu zählen u.a.:

? die Grundstruktur (Schichtenfolge)

? die Art des Ladungstransports

? die Dotierung der Halbleiterschichten

? die Anordnung der Halbleiterschichten.

Die hier betrachteten aktiven Bauelemente können in ihrer Grundstruktur über bis zu zwei Funktionszonenübergänge (Transistoren) oder über mindestens drei Funktionszonenübergänge (Thyristoren) verfügen. Am Ladungstransport eines Transistors können nur die Majoritätsladungsträger (unipolar) oder beide Ladungsträgerarten (bipolar) beteiligt sein (siehe Bild 3.2). Danach unterscheidet man zwischen unipolaren und bipolaren Transistoren.

Die Dotierung der Halbleiterschichten bzw. von Halbleiterbereichen kann vom p-Typ oder vom n-Typ sein. Im Zusammenhang mit der Anordnung solcher Bereiche entstehen beim unipolaren Transistor p-leitende oder n-leitende Kanäle und beim bipolaren Transistor pnp- oder npn-Schichtenfolgen. Thyristoren bestehen aus mindestens drei Zonenübergängen, die in der Regel als eine pnpn-Folge in Form eines Vierschichtelementes ausgeführt sind.

Dabei kann ein Zonenübergang durchaus durch einen geeigneten Metall-Halbleiter-Kontakt ersetzt werden. Außerdem können zwei, drei oder alle vier Halbleiterzonen mit Anschlüssen versehen sein. Danach unterscheidet man zwischen Vierschicht-Dioden, Vierschicht-Trioden und Vierschicht-Tetroden. Durch eine Antiparallelschaltung entstehen dann spezielle Bauelemente der Leistungselektronik (vgl. Abschn. 3.4).

3.2 Unipolare Transistoren

Bei unipolaren Transistoren wird der Ladungstransport lediglich durch die Majoritätsladungsträger bestimmt. Die Existenz von Minoritätsladungsträgern beeinflusst das Funktionsprinzip eines Unipolartransistors nicht maßgeblich. Dieses grundlegende Funktionsprinzip beruht auf der Steuerung der Quantität des Ladungstransportes durch ein elektrisches Feld (FET = F ield E ffect T ransistor).

Im Vergleich zu einer Diode, bei der die Strömung senkrecht durch eine Grenzschicht hindurchdringt, fließt hier der Strom parallel zu dieser Schicht. Im Bild 3.4 ist das Modell eines S perrschicht-FET (S-FET oder JFET für J unction-FET) dargestellt. Die Grundstruktur dieses Modells besteht aus einem Halbleiterkanal (hier: n-Kanal), der von einer Schicht des entgegengesetzten Leitungstyps umgeben wird. Der Kanal ist an beiden Enden mit Kontaktierungen versehen, die mit S ource (Quelle) und D rain (Senke) bezeichnet werden.

Ohne den äußeren Steuergürtel ( G ate) würde sich die Anordnung wie ein normaler Halbleiterwiderstand verhalten. Wenn man an die Anschlüsse Drain und Source eine Spannung U DS >, 0 V anlegt, fließt ein Strom I D von Drain nach Source durch den Kanal. Die Steuerung dieses Stromes ist mit der Variation einer Spannung zwischen Gate und Source U GS möglich (Bild 3.5). Mit einer Vergrößerung des negativen Potentials am Gate ( U GS <, ,0 V « ) verbreitert sich die Sperrschicht des pn-Übergangs zwischen Gate und Kanal.