Präsentation SSP Immanuel Mayrhuber, Boris Scherwitzl

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1 Präsentation SSP Immanuel Mayrhuber, Boris Scherwitzl

2 Übersicht Erklärung eines pn Übergangs Halbleiterdioden Photodioden Leuchtdioden Bipolartransistor JFET MOSFET

3 pn Übergang y y y y y y Übergang von p dotiertem auf n dotiertes Material Ausbildung einer Raumladungszone (RLZ) Built In Voltage bei Silizium 0,6 0,7 Volt Polung in Sperrrichtung > Vergrößerung der RLZ Polung in Durchlassrichtung > Stromfluss Anwendung: Halbleiterdioden, Photodioden, Transistoren aller Art

4 Halbleiterdiode y Einfacher pn Übergang y Nichtlineare Strom Spannungskennlinie y Betriebsbereich 0,6 0,7 Volt y Anwendung: Gleichrichter Abb. 3 Abb. 1 Abb. 2

5 Photodiode y Halbleiterdiode, wandelt Licht in elektrischen Strom y Innerer Fotoeffekt y 3 Betriebsarten: > Fotoelement > Quasi Kurzschluss > Sperrbetrieb y Anwendung: Abb. 4 > Empfänger für LWL > Digitalkameras Abb. 5 > Optische Laufwerke

6 Leuchtdiode (LED) y Sendet Licht im IR, VIS und UV Bereich aus y Rekombination von e und Löchern in der pn Schicht y Direkte Halbleiter > Photon y Indirekte Halbleiter > Phonon y Anwendung: Anzeigen, Leuchtmittel Abb. 6 Abb. 7 Abb. 8

7 Bipolartransistor y Zwei gegeneinander geschaltete pn Übergänge y Elektronen und Löcher für Funktion notwendig y Anschlüsse: Basis B, Emitter E, Kollektor C y Basisstrom IB steuert Kollektorstrom IC y Stromverstärkungsfaktor β npn Abb. 9 pnp Abb. 10 Abb. 11 Abb. 12

8 Bipolartransistor Arbeitsbereiche: > Sperrbereich: kein Strom > Verstärkungsbereich: I C linear zu I B > Sättigungsbereich: I C unabhängig von I B

9 Feldeffekttransistor (FET) y 3 Anschlüsse y > Gate y > Source y > Drain y Leitfähigkeit der Drain Source Strecke über Steuerspannung beeinflusst y Leistungsfreie Steuerung möglich y Unterscheidung von Einzeltransistoren und integrierten FETs (Substrat) Abb. 13

10 Steuerung eines FET Steuerung über anliegende Spannung Ladungsträgerdichte und Halbleiterwiderstand ändern sich mit Kanalquerschnitt Widerstand bestimmt Stromfluss und somit Verstärkung für Dämpfungsschaltungen ist auch die Arbeit mit Wechselspannungen möglich Abb. 14

11 Sperrschicht FET (JFET) pn Übergang in Sperrrichtung Breite der sperrenden Schicht über Steuerspannung beeinflusst => steuert Kanal zwischen Drain und Source Steuerung auch über pn Übergang in Durchlassrichtung möglich Abb. 15

12 MOSFET y MOS = Metal Oxide Semiconductor y Gate von Kanal durch Substrat abgegrenzt y Ladungsträgerdichte in der Inversionsschicht (leitfähiger Kanal) wird beeinflusst y ohne invertierende Schicht kein Stromfluss möglich Abb. 16

13 n und p Kanal y theoretisch haben FETs symetrischen Aufbau (Vertauschung von Drain und Source möglich) y insgesamt sechs mögliche Bauweisen von JFETs und MOSFETs y Unterschied selbstleitend / selbstsperrend durch Dotierung des Kanals y bei selbstleitender Variante fließt bei UGS = 0 noch ein Drainstrom y weitere Steuerwirkung über Substrat gegeben

14 n Kanal JFET y n dotierter Bereich von p dotierten Zone umschlossen y Drain und Source an n Schicht angeschlossen (n Kanal) y Gate Anschluss zur Steuerung an p Kanal y offenes Gate => ohmscher Widerstand y Gate mit Source verbunden => Strom steigt bis zur maximalen Einschnürung (Up) / Arbeitsbereich y Wert von Up ist abhängig von Dotierung und Breite des Kanals

15 p/n MOSFET (NMOS / PMOS) y Bei NMOS Schaltungen wird nur Transistor als aktives Schaltelement verwendet y Gatter verbindet Drain Anschluss mit Versorgespannung y => einfache Fertigung y PMOS beruht auf Bewegung von Löchern y => geringere Beweglichkeit bzw. langsamer als NMOS Abb. 17

16 Kennlinien y Zusammenhang zwischen Strömen und Spannungen eines Transistors für den Fall statischer Größen y Ausgangskennlinienfeld zeigt Abhängigkeit von Drainstrom und Drain Source Spannung y für alle n Kanal FETs prinzipiell gleich y Unterscheidung linearer und Abschnürbereich Abb. 18

17 Kennlinien Übertragungskennlinienfeld zeigt Drainstrom für zum Absperrbereich gehörende Werte von der Drain Source Spannung in Abhängigkeit der Gate Source Spannung an identischer Verlauf bei selbstleitenden MOSFETs, selbstsperrenden MOSFETs und JFETs verschiedene Linien liegen sehr dicht beeinander Abb. 19

18 Kennlinien Eingangskennlinie Gatestrom über Gate Source Spannung FET fließt im normalen Betrieb kein oder nur sehr kleiner Gatestrom bei MOSFET nur bei Durchbruch des Oxids (Zerstörung) Eingangskennlinienfeld zeigt Kennlinie der intern vorgeschalteten Diode zum Schutz gegen Überspannungen Abb. 20

19 Vierquadrantenkennlinienfeld gemeinsame Anbringung aller vier Kennlinienfelder alle wichtigen Transistor Parameter können aus einer einzigen Abbildung herausgelesen werden Abb. 21

20 Quellen Tietze, Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, 12. Auflage, Springer Verlag graz.ac.at/~hadley/ss1/lectures07/lectures07.php ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr kompendium.de/sites/bau/ htm

21 Bildquellen Abb. 1: Besitzer: Crownmaster; Public Domain Abb. 2: ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/node91.html; Copyright by Othmar Marti and Alfred Plettl Abb. 3: Besitzer: Peter Frankfurt Abb. 4: ; GNU Free Documentation License Abb. 5: GNU Free Documentation License Abb. 6: Besitzer: Anton; GNU Free Documentation License Abb. 7: Besitzer: Anton; GNU Free Documentation License Abb. 8: LED.jpg; Besitzer: C. Pelmat Abb. 9: pnp.png; Besitzer: Honia; GNU Free Documentation License Abb. 10: Besitzer: Honia; GNU Free Documentation License Abb. 11: graz.ac.at/~hadley/ss1/lectures07/10dec07/slide7.html; Besitzer: Peter Hadley Abb. 12: Besitzer: Ulfbastel; GNU Free Documentation License Abb. 13: metal_oxide_semiconductor_fieldeffect_transistor_with_channel_de.svg/625px Scheme_of_n metal_oxide_semiconductor_field effect_transistor_with_channel_de.svg.png Abb. 14: dpreview.com/articles/nikond2hs/images/sensor.jpg Abb. 15: andrews.ac.uk/~www_pa/scots_guide/info/comp/active/jfet/jfet2.gif Abb. 16: Abb. 17: Abb. 18: kompendium.de/sites/bau/diagramm/ gif Abb. 19: kompendium.de/sites/bau/diagramm/ gif Abb. 20: kompendium.de/sites/bau/diagramm/ gif Abb. 21: kompendium.de/sites/bau/diagramm/ gif