Elektronik-Grundlagen I Elektronische Bauelemente

Transkript

1 Elektronik-Grundlagen I Elektronische Bauelemente - Einführung für Studierende der Universität Potsdam - H. T. Vierhaus BTU Cottbus Technische Informatik

2 P-N-Übergang HL-Kristall, Einkristall p-dotiert n-dotiert + - Verarmungsschicht Spannungsquelle R Durchlaßrichtung: + - Sperrichtung: - +

3 p-n-diode in Flußrichtung Verengung n p n0 Konzentration Sperrschicht n (x) p (x) p0 lp ln x

4 p-n-übergang in Sperr- Richtung Sperrschicht p n - + Minoritätsträger

5 P-N-Diode in Sperrichtung Ausweitung p n Sperrschicht

6 Strom-Spannungs-Kennlinie des p-n-übergangs Id Io Sperrstrom U0 Ud

7 Id Z-Diode Sperrstrom Io Uz U0 Ud Durchbruch

8 Einweg-Gleichrichter Diode i (t) u (t) R u (t) i (t) t

9 Brücken-Gleichrichter u(t) _ + R

10 Kapazität-Variationsdiode Ck Ck u (t) C L Cvar Uvar

11 Erstzschaltungen von realer passiver Bauelemente Widerstand R L C L Kondensator R Spule L R C

12 Ersatzschaltbild einer Diode U D I DD I DR I D,BR C DD C S R B

13 Lineare Kleinsignal- Ersatzschaltungen einer Diode NF- Ersatzschaltbild HF- Ersatzschaltbild R B r D L G R B r D C D C G C D

14 Thyristor P n p n Zünd-Elektrode - Flußrichtung + + Sperrichtung -

15 Thyristor-Kennlinie I Sperrbereich Durchlassbereich nach Zündung Durchbruch ohne Zündung U

16 Bipolare Transistor-Struktur n p n E B C E-B-Sperrschicht B--C-Sperrschicht

17 Bipolarer Transistor mit äußerer Beschaltung I e Emitter Basis Kollektor Ic n p n E B C E-B-Sperrschicht B--C-Sperrschicht Ib Rbe Rce

18 Transistor-Schaltzeichen für bipolare Transistoren npn-transistor pnp-transistor

19 Eingangskennlinie des bipolaren Transistors I E U CB steigt I C = 0 U BE

20 Arbeitspunkt-Einstellung R1 in R2 Vcc C B GND Rc out E Re Ic Ausgangs-Kennlinienfeld Arbeitsgerade Arbeitspunkt Ib Arbeitspunkt-Einstellung für Kleinsignalbetrieb Uce

21 R1 in R2 Vcc C B GND Rc out E Re Ic Ausgangs-Kennlinienfeld Arbeitsgerade Arbeitspunkt Ib Uce Arbeitsmodus des Transistors Ic "Sättigung" Ausgangs-Kennlinienfeld BE-Diode CB-Diode gesp. leitend gesp. inaktiv invers aktiv leitend normal aktiv Sättigung Ib Lastkennlinie Inversbetrieb Uce

22 Kleinsignalverstärker in Emitterschaltung Vcc in C k R 1 I q I b B C E R c I c C k out U be R 2 GND R e C e

23 Kleinsignal-Ersatzschaltbild - NF h I 11 in 1 / h 22 h 21 I Iin

24 Kleinsignal-Ersatzschaltbild HF des bipolaren Transistors in Emitterschaltung c b c b r bb b c g b e cb e g ce c ce e GND S 21 u b e e

25 Verstärker mit Transistor in Emitterschaltung bei höheren Frequenzen c b c b r bb b c R 1 R 2 g g b e ce c R ce C cb e e GND S 21 u b e e

26 Großsignalbetrieb Arbeitsmodus des Transistors BE-Diode Ic "Sättigung" Ausgangs-Kennlinienfeld CB-Diode gesp. leitend gesp. inaktiv invers aktiv leitend normal aktiv Sättigung Ib Lastkennlinie Inversbetrieb Uce

27 Ebers-Moll-Ersatzschaltung E C I EB0 α F I E α R I C B I CB0

28 Großsignal-Ersatzschaltung für höhere Frequenzen C CE E I EB0 α F I E C C EB C CB α R I C B I CB0

29 Integrierter Bipolarer Transistor emitter n++ p+ n- base burried layer n++ Grundsubstrat (Silizium) collector n+ isolator (vertical cut)

30 Integrierter Bipolarer Transistor Emitter Basis Kollektor n++ p+ n- Basis burried layer n++ (vergrabene Schicht) n+ Isolator

31 Feldeffekt-Transistor drain gate RD Us HL- Kristall + - source

32 Stammbaum der FETs IGATE-FET FET MESFET Si-MOSFET n-kanal p-kanal GaAs-IGATE- FET J-FET (Si) SI-MESFET GaAs-MESFET GaAs-MODFET normalon normaloff normaloff normalon normalon normaloff GaAs-FET-ICs nmos CMOS pmos BICMOS bipolar

33 n-kanal-mos-transistor (Schnitt) Metall n+ Kontakt Feld-Oxid Poly-Silizium SiO 2 Sperrschicht n+ Silizium Grundsubstrat (p - dotiert)

34 Metall n-kanal MOS-Transistor (Funktion) n+ - source Kontakt + U GS U th : Schwellen spannung U GS > U th : Stromfluss gate Poly-Silizium SiO 2 Sperrschicht Kanal drain n+ RD U DS - + U DS << U GS

35 n-kanal MOS-Transistor: Abschnürung - + U DS > U GS source U GS drain Metall n+ Kontakt gate Poly-Silizium SiO 2 Sperrschicht Kanal Abschnürung n+ RD l l eff - + U DS

36 p-kanal MOS-Transistor Metall p+ Kontakt Feld-Oxid Poly-Silizium SiO 2 Sperrschicht p+ Silizium Grundsubstrat (n - dotiert)

37 p-kanal MOS-Transistor, Funktion + - U DS Metall source p+ Kontakt + - gate U GS Poly-Silizium SiO 2 Sperrschicht Kanal p+ drain p p p p p Strom fließt, wenn die Gate-Elektrode gegenüber dem Kanal eine mindesten um Uth niedrigere Spannung hat!

38 Struktur des integrierten MOS- Transistors gate poly-silicon n+ oxide n+ source drain bulk (p-) silicon n-channel enhancement MOS transistor gate poly-silicon p+ p+ oxide source drain bulk (n-) silicon p-channel enhancement transistor

39 MOS-Transistor: Kanal und Abschnüreffekt gate poly-silicon oxide leitender Kanal n+ n+ source drain bulk (p-) silicon Ugs >> Uds leitender Kanal n+ n+ source drain bulk (p-) silicon Ugs = Uds

40 Ausgangskennlinien des MOS- Transistors Ids Anlaufbereich Sättigungsbereich Ugs als Parameter Uds

41 n-kanal-typen p-kanal-typen selbstsperrend selbstsperrend Uds > 0, Ugs > 0 Uds < 0, Ugs < 0 n-diffusion p-diffusion p-substrat selbstleitend Uds > 0, Ugs < 0 n-substrat selbstleitend Uds < 0, Ugs > 0 Polysilizium Gate-Oxid Feldoxid Metall p-substrat n-substrat

42 Kurzkanal-Effekte Tunnel-Effekt Gate Source Poly-Si Drain n + n+ Sperrschicht Sperrschicht dox p - Substrat Lkeff Lk Kanalverkürzung

43 Struktur des MOS-Transistors W Gate Source Poly-Si Drain n + n+ Sperrschicht Sperrschicht dox p - Substrat Lkeff Lk

44 Ersatzschaltbild des MOS- Transistors G S Rs Cgb Cgs Id Cgd Rd D Cdb B

45 Struktur eines MESFET Source Gate Drain n - Diff. n- Diff. Grundsubstrat (semi-isolierend) Sperrschicht

46 Recessed-Gate-MESFET Source Drain Gate Grundsubstrat