5.3: Transistoren

• Transistoren werden als Schalter oder auch als Verstärker
• Eine Steuergröße soll im Idealfall ohne Leistungsaufwand einen Schalter für einen Lastkreis beliebig schnell öffnen und schließen können
• Welche zwei Arten von Steuergrößen können bei Transistoren verwendet werden?

  Spannung und Strom
• Beim Feldeffekt- und Insulated-Gate-Bipolar-Transistor ist die Steuergröße die Spannung
• Transistoren weisen ein Übertragungsverhalten der Eingangsgrößen auf die Ausgangsgrößen auf, welches z. B. über Kennlinienfelder beschrieben wird
• Welches Dotierungstyp hat das Kanalgebiet beim selbstsperrenden n-Kanal FET?

  p-dotiert
• Bei einem leitenden Kanal im selbstsperrenden n-Kanal FET tragen Elektronen den Strom.
• Welche Spannung steuert den Stromfluss im Kanal eines FET?

  Gate-Source-Spannung
• Beim MOS-FET ist die Isolierung zwischen Gate und Kanal ein Oxid.
• Bei selbstsperrenden FETs sperrt der Transistor bei 0 V Gate-Source-Spannung.
• Welche Spannung muss beim n-Kanal FET überschritten werden, um einen leitfähigen Kanal zu erzeugen?

  Schwellenspannung
• Der Pfeil auf den Kanalstrich im Schaltsymbol eines MOS-FET deutet den n-Kanal an.
• Selbstleitende FETs müssen durch eine Verarmung von Ladungsträgern im Kanal gesperrt werden.
• Welche Art von Isolierung wird bei Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (J-FET) verwendet?

  In Sperrrichtung gepolter pn-Übergang
• Der Verstärkungsfaktor eines FET wird mit dem Symbol β dargestellt.
• Im Gleichstromfall fließt kein Gatestrom bei einem MOS-FET, da das Gate durch ein Oxid isoliert ist.
• Welche Eigenschaft charakterisiert die Drain-Source-Strecke im eingeschalteten Zustand für kleine 𝑈𝑈DS?

  Widerstand
• Im ausgeschalteten Zustand leitet die Körperdiode eines FET in inverser Richtung.
• Welche Formel beschreibt den Spannungsabfall 𝑈𝑈DSon im eingeschalteten Zustand eines FET?

  U_{DSon} = R_{DSon} \cdot I_D</latex>
• Die statische thermische Verlustleistung im eingeschalteten Zustand wird mit der Formel 𝑃𝑃on = 𝑅𝑅DSon ⋅ 𝐼𝐼D2 beschrieben.
• Bei zu hohen Drain-Source-Spannungen setzt in der Raumladungszone am Drain der Lawinendurchbruch ein (Durchbruchspannung 𝑈𝑈BR).
• Welcher Typ von Feldeffekttransistor wird im Schaltbetrieb als Ersatzschaltung verwendet?

  Isolierschicht-Anreicherungstyp
• Die Verluste im eingeschalteten Zustand eines FET sind für den Aufbau der Leistungselektronik irrelevant.

  False
• Der 𝑅𝑅DSon eines FET kann z. B. durch ein sehr breites Gate fast beliebig verringert werden, was allerdings eine große Siliziumfläche erfordert.
• Wie kann die Verlustleistung im eingeschalteten Zustand eines FET reduziert werden?

  Durch kleines 𝑅𝑅DSon
• Der FET ist bei niedrigen Betriebsspannungen als Halbleiterschalter konkurrenzlos.
• Im statischen Fall ist bei einem FET keine Ansteuerleistung nötig.
• Welches Schaltverhalten ermöglicht der FET bis in den MHz-Bereich?

  Schnelles Schaltverhalten
• Ordne die FET-Typen nach ihrem 𝑅𝑅DSon bei gleicher Chipfläche:

  n-Kanal FET ↔️ Kleineres 𝑅𝑅DSon

  p-Kanal FET ↔️ Größeres 𝑅𝑅DSon
• Die Durchbruchspannung des Gate-Oxids eines FET ist typischerweise 20 V.
• Halbleiter-Chips können ohne Chipgehäuse verwendet werden, wenn hochwertige Keramik-Trägermaterialien verwendet werden.
• Welche zwei Halbleiterstrukturen sind bei Bipolartransistoren üblich?

  npn und pnp
• Reihenfolge der Vorgänge beim Transistoreffekt in einem npn-Bipolartransistor

  1️⃣ Basis-Emitter-Diode wird in Flussrichtung betrieben

  2️⃣ Löcher diffundieren von der p-Basis zum Emitter

  3️⃣ Elektronen diffundieren vom n+-Emitter zur Kollektor-Basis-Sperrschicht

  4️⃣ Elektrisches Feld zieht Elektronen zum Kollektor
• Was beeinflusst die Stromverstärkung 𝐵𝐵 eines Bipolartransistors?

  Dünne Basisschicht
• Der Diodenpfeil der Basis-Emitter-Diode eines Bipolartransistors entspricht der Flusspolung der Diode.Flusspolung.
• Die Eingangskennlinie eines Bipolartransistors ist die Kennlinie der Basis-Emitter-Diode.
• Welche Spannung bleibt im eingeschalteten Zustand eines Bipolartransistors als Sättigungsspannung bestehen?

  ≈ 0,1 V
• Im ausgeschalteten Zustand eines Bipolartransistors muss die Basis-Kollektor-Diode die Spannung aufnehmen.
• Was passiert, wenn die Durchbruchspannung 𝑈𝑈BR der Basis-Kollektor-Diode überschritten wird?

  Lawinendurchbruch
• Was ist die Eingangskennlinie eines Bipolartransistors?

  Basis-Emitterdiode