J. Goerth Bauelemente und Grundschaltungen

Transkript

1 J. Goerth Bauelemente und Grundschaltungen

2 Bauelemente und Grundschaltungen Von Professor Dipl.-Ing. Joachim Goerth Fachhochschule Hamburg Mit 265 Bildern EI3 B. G. Teubner Stuttgart Leipzig 1999

3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Goerth, Joadlim: Bauelemente und Grundschaltungen I von Joachim Goerth. - Stuttgart ; Leipzig : Teubner ISBN ISBN (ebook) DOI / Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerltalb der engen Grenzen des UrheberrechtsgeselZes i~t ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für VervielfaItigungen. Ubersetzungen. Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen B. G. Teubner Stuttgart. Leipzig Gesamtherstellung: Präzis-Druck GmbH. Karlsruhe Einbandgestaltung: Peter PfiIZ. Stuttgart

4 Vorwort Dieses Buch soll ein Lehrbuch fiir das meist als eher trocken empfundene Fachgebiet der elektronischen Bauelemente sein. Nach einem kurzen Abriß der passiven Bauelemente Widerstand, Kondensator und Spule werden die heute meistverwendeten aktiven Bauelemente beschrieben. Es sind dies die aus dem Halbleiterwerkstoff Silizium bestehenden Dioden, bipolaren und MOS-Feldeffekt-Transistoren, die als Einzelbauelemente oder als Bestandteile integrierter Schaltungen die derzeitige Welt der Elektronik bestimmen. Bauelemente aus anderen Halbleitermaterialien werden nicht besprochen. Zwar erfiillen sie eine Reihe wichtiger Aufgaben z.b. in der Optoelektronik und der Mikrowellentechnik, doch würde ihre Behandlung den Rahmen dieses Buches sprengen. Ebenso wird die Physik der Halbleiter nur knapp und soweit erläutert, wie es nach meiner Meinung erforderlich ist, um die Funktion und den Aufbau der Bauelemente zu verstehen. Das Ziel dieses Buches ist es zum einen, aus einem einfachen physikalischen Verständnis heraus Gleichungen zu entwickeln, die die Funktion der Bauelemente beschreiben, und einen Zusammenhang zwischen der elektrischen Funktion und den baulichen Eigenschaften herzustellen. Dazu gehört auch die Beschreibung der wichtigsten Parameter, die fiir die Modellierung der Bauelemente in Schaltungsanalyseprogrammen, z.b. SPIeE, benötigt werden. Zum zweiten soll das Verhalten der Bauelemente in Grundanwendungen wie Gleichrichten, Schalten und Verstärken erläutert werden. Die Gleichungen zur Beschreibung der Bauelemente werden aus eindimensionalen Modellen heraus entwickelt. An einigen Stellen werden anschauliche Vergleiche benutzt, ohne jedoch auf schlüssige Begründungen zu verzichten. Der Inhalt dieses Buches ist in der Sache nicht neu. Dennoch glaube ich, daß Studierende der Elektrotechnik und alle anderen, die an elektronischen Bauelementen und deren Grundschaltungen interessiert sind, dieses Buch dann mit Gewinn lesen können, wenn sie sich ein solides Grundverständnis erwerben möchten. Wer darüber hinaus nach besonderen Kenntnissen der Festkörperphysik, der Integrationstechniken, der Hochfrequenzbauelemente, der Optoelektronik, der Leistungsbauelemente oder der Schaltungstechnik sucht, der sei auf die weiterfiihrende Literatur verwiesen, die dann hoffentlich leichter verdaulich sein wird. An dieser Stelle möchte ich all denen danken, die direkt oder indirekt zu diesem Buch beigetragen haben. Manche wertvolle Anregung verdanke ich der Diskussion mit Fachkollegen und ehemaligen Kollegen aus dem Hause Philips in Hamburg, namentlich den

5 VI Vorwort Herren Horl, Mathes und Schwarz sowie Herrn Meentzen aus dem Hause Beyschlag in Heide. Den Firmen Beyschlag und Philips danke ich fur die Bereitstellung von Bildern. Schließlich bin ich noch all den Studenten zu Dank verpflichtet, die mir in Vorlesung und Praktikum durch Kritik und Anregung geholfen haben, an der Stoffauswahl und Darstellung zu feilen, meinem Sohn stud. jur. Andreas Goerth, der sich die Mühe gemacht hat, Korrektur zu lesen, und dem Verlag, der viel Verständnis fur meine Schwierigkeiten mit dem Textsystem gezeigt hat. Hamburg, im September 1998 Joachim Goerth

6 Inhalt 1 Einleitung 1 2 Passive Bauelemente Widerstände... 2 Spezifischer Widerstand... 2 Begriff des Schichtwiderstandes... 5 Temperaturkoeffizient... 7 Baufonnen... 8 Ersatzschaltbild... 8 Nonnwerte Kondensatoren Kapazität Verlustfaktor Baufonnen Spulen Induktivität Güte Baufonnen Aufgaben Dioden Sperrschichten Festkörper Ionenbindung Kovalente Bindung Metallische Bindung BändennodelI des Festkörpers, bewegliche Ladungsträger Beispiele fllr Bändennodelle Dotierung n-dotierung p-dotierung Stromfluß Feldstrom Diffilsionsstrom Strom-Spannungs-Gleichung Diffilsionsspannung Strom bei äußerer Spannung... 41

7 VIII Inhalt Bahnwiderstand und Ersatzschaltbild Spemchichtweite und Spemchichtkapazitlt Spemchichtweite Sperrschichtkapazitlt DiftUsionskapazitllt DiffUsionsspeicherladung DiftUsionskapazitllt Durchbruchsspannung Temperaturverbalten Betrieb an einer Spannungsquelle Betrieb an einer Stromquelle Sperrbereich Modellparameter Technologischer Aufbau Epitaxie Dotieren durch DiffUsion Dotieren durch Ionenimplantation Gehäuse Diodenschaltungen Elektrisches Verhalten der Diode Wechselspannung ist groß gegen die Durchlaßspannung Wechselspannung ist klein gegen die Durchlaßspannung Allgemeiner Fall (potenzreihennäherung) Gleichrichterschaltungen Einweggleichrichter mit Ladekondensator Zweiweggleichrichter Spannungsvervielfacher Innenwiderstände von Gleichrichterschaltungen Stabilisierungsschaltung Photodioden und Solarzellen Photodioden Solarzellen Aufgaben Bipolarer Transistor Aufbau und Wirkungsweise Transistorgleichung StromversUlrkung Definitionen Emitterwirkungsgrad Transportfaktor Steilheit und Eingangswiderstände

8 Inhalt IX Steilheit Eingangswiderstände Early-Effekt Earlyspannung Ausgangswiderstand Verstllrkungs- und Rückwirkungsfaktor Bahnwiderstände Kennlinien Vierpolparameter Grenzfrequenzen Transitfrequenz Grenzfrequenz der Stromverstärkung EmitterdiffiJsionskapazität Sättigung Transistor als Schalter Sättigungsspeicherladung und Speicherzeit Sättigungsspannung Rauschen Rauschursachen Rauschzahl... ; Grenzwerte Durchbruchsspannungen Sicheres Betriebsgebiet (SOAR) Temperaturverhalten Temperaturkoeffizient Kühlung Transistormodelle Ebers-Moll-Modell Gummel-Poon-ModelI Bauformen Kristallaufbau Gehäuseformen Grundschaltungen Arbeitspunkt Verstärker in Emitterschaltung Spannungsverstärkung Eingangswiderstand Verstärker ohne Gegenkopplung Emitterfolger Arbeitspunkt Spannungsverstärkung Ein- und Ausgangswiderstand Darlington-Schaltung

9 x Inhalt Komplementärer Emitterfolger Stabilität Basisschaltung Stromspiegelschaltung Grundschaltung Erweiterte Schaltungen Differenzverstärker Kennliniengieichung Verstärkungsfaktoren Ein- und Ausgangswiderstand Steilheitsmultiplizierer Aktive Last Operationsverstärker Bandabstandsschaltung Stromquelle Referenzspannungsquelle Schalter Schalter Inverter Digitale Schaltungs familien Thyristor und Triac : Aufgaben F eldeffekttransistoren Funktionsprinzip "steuerbarer Widerstand" Steuerbare Widerstände Sperrschicht-Feldeffekttransistor Abschnürung Kennliniengleichungen Transistormodell Systemgrößen Einstellung des Arbeitspunktes MOS-Feldeffekttransistor MOS-Struktur Inversion Schwellenspannung Aufbau und Kennliniengleichungen Aufbau des MOS-Feldeffekttransistors Kennliniengieichung filr kleine Spannung UDS Allgemeine Kennliniengleichung Betriebsgrößen im AbschnOrbereich Steilheit Ausgangswiderstand

10 Inhalt XI Eingangswiderstand Transistorarten Transistonnodelle mit SPICE-Parametern Level-I-Modell Erweiterte Modelle Grundschaltungen Torschaltung Inverter Grundschaltung NMOS-Inverter CMOS-Inverter Gatterschaltung Stromspiegelschaltung Differenzverstärker Kennliniengleichung Spannungsverstärkung Offsetspannung Speicherprinzipien Statischer Speicher (SRAM) Dynamischer Speicher (DRAM) Nichtflüchtiger Speicher (EPROM) Leistungstransistoren Diffundierte MOS-Transistoren (DMOS) Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Aufgaben Lösungen zu den Aufgaben Zu Kapitel 2 "Passive Bauelemente" Zu Kapitel 3 "Dioden" Zu Kapitel 4 "Bipolarer Transistor" Zu Kapitel 5 "Feldeffekttransistor" Literaturverzeichnis Sachverzeichnis 304