Grundlagen der Halbleiter: Diode, Transistor, Thyristor & FET
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Grundlagen der Elektronik: Materialien
Leiter
Dies sind instabile Atome, die leicht Elektronen der letzten Bahnen verlieren.
Isolatoren
Sie lassen keinen peripheren Austausch von Elektronen zu. Die Atome sind in der Regel stabil.
Halbleiter
Sie haben einen mittleren Widerstand gegen den Durchgang von Elektronen. Ein wichtiges Merkmal ist, dass sie 4 Elektronen in der äußersten Bahn besitzen.
Die Diode
Schwellenspannung
Die notwendige Spannung, um eine Diode in den leitenden Zustand (Steuerung) zu versetzen.
Der Transistor
Polarisation und Betriebsbereiche
Der Beta-Faktor (β) ist der Verstärkungsfaktor eines Transistors (Stromverstärkung).
Es gibt drei Haupt-Betriebsbereiche:
Sättigungsbereich (Geschlossener Schalter)
Der Transistor verhält sich wie ein geschlossener Schalter (vollständig leitend).
Formeln: IC = VCC / RC; VCE ≈ 0V
Aktiver Bereich (Verstärkung)
Dieser Bereich liegt zwischen dem Sperr- und dem Sättigungsbereich und wird zur linearen Verstärkung genutzt.
Typische Arbeitspunkte: VCE ≈ VCC / 2; IC ≈ VCC / (2 × RC)
Sperrbereich (Offener Schalter)
In dieser Zone verhält sich der Transistor wie ein offener Schalter (nicht leitend).
Zustand: IC ist fast 0; VCE ist fast VCC.
Der Thyristor (SCR)
Grundstruktur und Zündung
Intern besteht der Thyristor aus zwei Transistoren.
Ohne die Anwendung einer Spannung am Gate (Steuerelektrode) ist der Thyristor nicht leitend und verhält sich wie ein offener Schalter.
Um den Thyristor zu zünden, ist es notwendig, eine positive Spannung (typischerweise ca. 5V) am Gate anzulegen. Dieser Impuls sättigt die beiden Transistoren, und das Bauelement verhält sich wie ein geschlossener Schalter.
Löschung und Haltestrom
Die Anoden-Kathoden-Spannung (VAK) ist im leitenden Zustand sehr gering. Der notwendige Strom, um den leitenden Zustand aufrechtzuerhalten, wird als Haltestrom (IH) bezeichnet.
Zum Stoppen des leitenden Zustands (Löschung) muss VAK gesenkt oder der Anodenstrom unter den Haltestrom reduziert werden.
Betrieb mit Wechselstrom (AC)
Der Thyristor ist ein unidirektionales Bauelement. Während der negativen Halbwelle leitet er nicht.
Wenn das AC-Signal durch Null geht, wird VAK kleiner als die Halte-Spannung, und der Thyristor löscht. Durch den Zeitpunkt des Trigger-Impulses am Gate kann der leitende Teil des Eingangssignals gesteuert werden. Daher wird der Thyristor auch als gesteuerter Gleichrichter bezeichnet.
Der Triac
Aufbau und Bidirektionalität
Der Triac besteht intern aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren. Er ist ein bidirektionales Bauelement, das heißt, er unterstützt unterschiedliche Polarisationen (beide Halbwellen des AC-Signals).
Funktionsweise
Unabhängig von der Polarität der Schaltung zündet der Triac, sobald genügend Spannung am Gate anliegt. Einer der beiden internen Thyristoren übernimmt dabei die jeweilige Polarität und leitet den Strom.
Der Diac
Struktur und Funktion
Der Diac besteht aus zwei antiparallel geschalteten Diodenstrukturen (oft als Shockley-Dioden ohne Gate beschrieben).
Wenn eine Spannung fester Polarität angelegt wird, leitet eine der Dioden, sobald die Durchbruchspannung erreicht ist. Bei entgegengesetzter Polarität leitet die andere Diode.
Der Diac ist ebenfalls ein bidirektionales Bauelement.
Der Feldeffekttransistor (FET)
Hoher Eingangswiderstand
Der Eingangswiderstand des FET ist viel höher als bei einem bipolaren Transistor (BJT), da der einzige Strom, der durch das Gate fließt, der extrem geringe Sperrstrom (Leckstrom) im Nanoampere-Bereich ist.
Geringere Spannungsverstärkung
Die Spannungsverstärkung eines FET ist oft kleiner als die eines BJT, da die notwendigen Schwankungen der Gate-Source-Spannung (VGS) zur maximalen Variation des Drain-Stroms (ID) und damit der Ausgangsspannung (VDS) in der Größenordnung von einigen Volt liegen müssen.
Betriebsbereiche des FET
Es gibt drei Hauptbereiche:
- Sättigungsbereich (Active/Verstärkung): Hier ist der Drain-Strom (ID) nahezu konstant (horizontaler Teil der Kennlinie).
- Ohmscher Bereich (Triode): Gekennzeichnet durch VDS.
- Sperrbereich (Cutoff): Gekennzeichnet durch VGS ≤ VP (Pinch-off-Spannung).