Was ist Sättigung? < Elektrotechnik < Ingenieurwiss. < Vorhilfe
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(Frage) beantwortet  | | Datum: | 18:50 So 27.04.2008 | | Autor: | tedd |
Hi!
Ich muss erklären können was Sättigung beim bipolaren
NPN-Transistor ist und wollte euch mal fragen ob man meine
Erklärung so unterstreichen kann. Dabei ist eigentlich der ganze Transistor nochmal erklärt. Teilweise ähneln die Sätze evtl was den Artikeln von wikipedia aber ich habe teilweise schwierigkeiten die Vorgänge richtig zu formulieren weshalb ich mir dort ein wenig unterstützung gesucht habe Über die eigentliche Sättigung schreibe iche igtl erst im vorletzten Absatz:
Der NPN-Transistor besteht aus 3 dotierten Halbleiterschichten. Der Emitter ist n-dotiert, das heisst in das IV-wertige Silicium Kristallgitter wurden V-wertige Atome eingebracht, wodurch in dieser Schicht freie negative Ladung in Form von Elektronen zur Verfügung steht die bei angelegter Spannung zum Stromfluss beitragen.
Den eingebrachten V-wertigen Atomen fehlt nun aber das fünfte Außenelektron weshalb diese eine ortsfeste positive Ladung besitzen. Aufgrund der Tatsache, dass die V-wertigen Atome im IV-wertigen Silicium Kristallgitter ein Elektron "abgeben" werden sie Donatoren genannt.
Die Basis des Transistors ist p-dotiert, das heisst in diese Schicht-auch ein IV-wertiges Silicium Kristallgitter-wurden III-wertige Elemente eingebracht. Den in die Schicht eingebrachten Atomen fehlt also ein Valenz-(Außen-)Elektron für eine vierte Atombindung mit den restlichen Atomen in diesem Kristallgitter.
Diese Elektronenfehlstelle wird auch Defektelektron oder "Loch" genannt. Wird nun eine Spannung angelegt, wird durch das elektrische Feld aus einer anderen Atombindung ein Elektron rausgerissen und "füllt" das Loch wobei in der Atombindung aus dem das Elektron kommt eine weitere Elektronenfehlstelle entsteht die erneut gefüllt werden kann. Folglich entsteht eine frei bewegliche positive Ladung in Form der Defektelektronen und eine ortsfeste negative Ladung. Die III-wertigen Atome die in die
Halbleiterschicht eingebracht werden, werden auch als Akzeptoren bezeichnet, da sie um eine vierte Atombindung aufbauen zu können ein Elektron aufnehmen.
Der Collector ist ebenfalls n-dotiert.
Der NPN-Transistor besteht also aus einer n-dotierten Schicht(Emitter) die an einer verhältnismäßig kleinen p-dotierten Schicht(Basis) angrenzt welche wiederum an einer n-dotierten Schicht angrenzt(Collector). Nimmt man an, dass am Transistor keine Spannung anliegt werden durch Diffusionskräfte(Abbau von Konzentrationsunterschieden) die jeweils frei beweglichen Ladungsträger in das andere Halbleitermaterial gezogen. Die im n-dotierten Halbleitermaterial frei beweglichen Elektronen
wandern, um dort mit den Löchern zu rekombinieren, in den
p-dotierten Bereich und die positiv geladen Löcher, um dort mit den Elektronen zu rekombinieren, in den n-dotierten Bereich. Jetzt fehlen im n-dotierten Bereich Elektronen und im p-dotierten Bereich Löcher, folglich sind die Zonen nicht mehr neutral und es ensteht ein elektrisches Feld welches eine Kraft auf die Ladungsträger ausübt und so einer weiteren Diffusion entgegenwirkt.
Aufgrund der Rekombination der Ladungsträger bildet sich eine Emitter-Basis sowie eine Basis-Collector Raumladungszone, auch Sperrschicht genannt, aus.
Werden nun Emitter(-),Basis(+),Collector(+) angeschlossen, werden die Elektronen im Emitter vom negativem Pol der am Emitter anliegt abgestoßen, können die Raumladungszohne überwinden und gelangen in die Basisschicht wo ein sehr geringer Teil der Elektronen abgeführt wird-es fließt ein Basisstrom [mm] I_B. [/mm] Aufgrund der verhältnissmäßg kleinen Basiszone können die Elektronen in die Basis-Collector Sperrschicht diffundieren, die Elektronen werden
vom positiv geladenen Collectoranschluss angezogen und dort
abgeführt-es fließt ein Collector Strom [mm] I_C.
[/mm]
Da die Basisschicht im Gegensatz zum Emitter und Collector relativ klein ist, ist der Basisstrom auch sehr viel kleiner als der dadurch erzeugte Collector Strom was man gut am Ausgangskennlinienfeld des Transistors sehen kann.
In dem Moment wo in der Basisschicht mehr Elektronen zur Verfügung stehen als für einen Collectorstrom benötigt werden, das heisst die Vielzahl an Elektronen kann nicht über den Collector abgeführt werden-die Elektronen "stehen Schlange", wird der Transistor in Sättigung betrieben.
Dies ist im Ausgangskennlinienfeld dort bemerkbar wo die jeweilige Kennlinie "abknickt" und der Collectorstrom nahezu konstant bleibt, sich nur noch sehr gering verändert. Wird der Transistor einmal in Sättigung und dann wieder im Sperrbereich betrieben werden kommt es zu einer verzögerten Schaltzeit, da die noch vorhandenen Ladungsträger in der Basisschicht abgeführt werden müssen bis der Transistor schließlich sperrt.
Also irgendwie find ich den Absatz mit der Sättigung etwas dürftig und vor allem weis ich nicht ob ichs richtig verstanden habe. Ich stell mir das wirklich so vor, dass dort irgendwann quasi wirklich so viele Elektronen darauf warten abgeführt zu werden.
Noch was zu dem kennlinienfeld: Ich habe über Google einige
Beschreibungen gefunden wo der Bereich linke neben der
"Abknickstelle" als Sättigungsbereich und der rechts wo der Strom sich kaum verändert als "Verstärkungsbereich" beschrieben wurde.
Müsste es nicht umgekehrt sein?
Und die Raumladungszone ist doch tatsächlich Ladungsfrei oder? Finde der Name führt einen ein bisschen in die Irre.
Ebenso ist mir nicht 100% klar wieso die Elektronen die Basis-Collector RLZ überwinden können sobald ein Basisstrom fließt. Kommen die nur darüber weil der positiv geladene Collector diese anzieht? Ich weis eigtl dass da noch irgendwie was mit einem Energiegefälle/Energibndern ist aber...
Also hab wie gesagt sehr wenig zur eigentlichen Sättigung
geschrieben aber dass was davor ist gehört ja eigentlich auch zur Erklärung dazu...
Falls sich bei dem tollen Wetter jemand die Mühe gemacht hat das durchzulesen und kurz was dazu schreibt wär ich sehr dankbar.
Beste Grüße,
tedd ;)
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(Antwort) fertig  | | Datum: | 17:50 Mo 28.04.2008 | | Autor: | Infinit |
Hallo tedd,
viele der Sachen hast Du richtig beschrieben, mitunter sind aber ein paar, gestatte mir den Ausdruck, komische Erklärungen dabei, die nicht sofort einleuchten.
Die Beschreibung des Betriebsverhaltens solltest Du mit den Elektronen, die vom Emitter ausgehen, auch weiterführen. Diese gelangen in die Basis, denn der np-Übergang zwischen Emitter und Basis wird durch die angelegte Spannung ja in Durchlassrichtung betrieben. Die Basisschicht ist jedoch nur sehr schmal, so dass dort nur sehr wenige Elektronen mit den Löchern rekombinieren. Der Hauptteil der Elektronen gelangt in den Grenzbereich zwischen Basis und Kollektor, durch die Polung der Betriebsspannung (Pluspol am Kollektor) werden diese Elektronen in den Kollektor gesaugt. Je größer die Spannung zwischen Emitter und Kolektor ist, desto stärker ist auch der Kollektorstrom, aber irgendwann, und das hängt von der Dotierung ab, sind alle Elektronen auf Wanderschaft zum Kollektor hin. Dies ist die Stelle an der der Kollektorstrom in die Sättigung kommt; egal, wie groß man die Emitter-Kollektor-Spannung auch macht, es können nicht mehr Elektronen fließen als da sind und so kommt der Knick im Ic-Uce-Diagramm zustande.
Im linearen, linken Bereich spricht man dann vom Verstärkungsbereich, denn hier ändert sich mit kleinen Basisstromänderungen bereits in großem Maße der Kollektorstrom. Der Sättigungsbereich ist für die Verstärkung überhaupt nicht gewünscht, denn hier ist die Steigung der Kennlinie ja nur noch sehr flach. Die Verstärkung ist also recht gering und es treten Verzerrungen auf.
Anders sieht die Sache aus, wenn man den Transistor als Schalter betreiben will. Hier versucht man möglichst schnell in den Sättigungsbereich zu kommen, der Transistor leitet mit (fast) konstanter Stromstärke und verhält sich damit wie ein geschlossener Schalter.
Viele Grüße,
Infinit
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