Elektronische Bauelemente

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1 Michael Reisch 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Elektronische Bauelemente Funktion, Grundschaltungen, Modellierung mit SPICE i l Mit 985 Abbildungen Springer

2 Inhaltsverzeichnis Grundlagen Elektrische Netzwerke, CAD-Werkzeuge Ideale Netzwerkelemente Widerstände Kapazitäten Induktivitäten Unabhängige Quellen Gesteuerte Quellen Netzwerke aus linearen Elementen Impedanzen, Admittanzen Ersatzzweipole Übertragungsfaktor, Bode-Diagramm Der RC-Tiefpaß Der RC-Hochpaß Der LRC-Reihenschwingkreis Praktischer Schaltungsaufbau Leiterplatten Hybridschaltungen Verlustleistung und Eigenerwärmung Thermischer Widerstand, thermische Zeitkonstante Zulässige Verlustleistung und Wärmeabfuhr Zulässige Verlustleistung bei Impulsbetrieb Rauschen Grundlagen Thermisches Rauschen Schrotrauschen /f-Rauschen Qualität und Zuverlässigkeit 59 Passive Bauelemente Widerstände Physikalische Grundlagen Ohmsche Widerstände Varistoren (VDR-Widerstände) 84

3 2.1.4 Heißleiter Kaltleiter (PTC-Widerstände) Kondensatoren Physikalische Grundlagen Kenngrößen und Ersatzschaltbild des realen Kondensators Zuverlässigkeit von Kondensatoren Bauformen Metallpapierkondensatoren Folienkondensatoren Keramikkondensatoren Elektrolytkondensatoren Spulen und Übertrager Physikalische Grundlagen Induktionskoeffizienten ausgewählter Leiterformen Definition von Induktivitäten in SPICE Spulen Kernformen Vormagnetisierung, Drosselspulen Eigenschaften und Modellierung ferro- und ferrimagnetischer Kernmaterialien Transformatoren und Übertrager Leitungen Grundlagen Die beschaltete Leitung Modellierung der Leitung in SPICE Leitungsformen Verkoppelte Leitungen Resonatoren und Filter Resonatoren und Filter mit RLC-Kombinationen Leitungsresonatoren Schwingquarze und Quarzfilter Oberflächenwellenbauelemente Dielektrische Resonatoren und Filter 221 Operationsverstärker Prinzipien, Kenndaten NF-Kenngrößen, NF-Ersatzschaltung Frequenzverhalten und Kleinsignalmodell Kenngrößen für transienten Großsignalbetrieb Operationsverstärkertypen Lineare Grundschaltungen Der invertierende Verstärker Der nichtinvertierende Verstärker Der Subtrahierer 247

4 xm Der Addierer Der Integrierer Der Differenzierer Der Logarithmierer Strom-Spannungs-Wandler Negative Widerstände Gesteuerte Stromquellen Gyrator Aktive Filter Rückkopplung und Stabilität Gegenkopplung, Stabilitätsanalyse Frequenzgangkorrektur Mitkopplung, Oszillatoren Rauschen von Operationsverstärkern Nichtlineare Schaltungen Spannungskomparatoren Der Schmitt-Trigger Ideale Diode, Präzisionsgleichrichter Hinweise zum praktischen Einsatz von OPs Makromodelle für die Schaltungssimulation Halbleiter Halbleitermaterialien, Leitungsmechanismen Elektronen und Löcher Grundelemente des Bändermodells Energiebänder, Bandschema Ergänzung: Elektronen und Bandstruktur Halbleiter im thermischen Gleichgewicht Das Massenwirkungsgesetz Zustandsdichte und Besetzungswahrscheinlichkeit Reine Halbleiter Dotierte Halbleiter Halbleiter im Nichtgleichgewicht Die Stromgleichungen Generation und Rekombination Die Kontinuitätsgleichungen Die Poisson-Gleichung Die Diffusionsgleichungen Abschirmung injizierter Minoritäten, Gunn-Effekt Ergänzung: Quasi-Fermipotentiale Herstellung von Halbleiterbauelementen Herstellung von Si-Einkristallen, Wafer Thermische Oxidation von Silizium Schichtabscheidung Dotierung Strukturübertragung Metallisierung 343

5 xiv INHALTSVERZEICHNIS 5 Halbleiterdioden Der pn-übergang Der pn-übergang im thermischen Gleichgewicht Der pn-übergang bei Flußpolung Der pn-übergang bei Sperrpolung Diodenkennlinie, Parameterbestimmung Kennlinie und Bahnwiderstand Temperaturabhängigkeit des Diodenstroms Speicherladungen Sperrschichtkapazität Minoritätsspeicherladung, Diffusionskapazität Schaltverhalten, Ladungssteuerungstheorie Großsignalmodell der pn-diode Ersatzschaltung und Modellanweisung Modellierung der Diodenkennlinie Modellgenauigkeit und Bauteiltoleranzen Kleinsignalmodell der pn-diode Das quasistatische Kleinsignalmodell Rauschen der pn-diode Gleichrichterdioden Aufbau und elektrische Eigenschaften Kenndaten, Grenzwerte Parallel- und Serienschaltung von Gleichrichterdioden Einweggleichrichter Zweipulsige Brückenschaltung Schalten induktiver Lasten Spannungsvervielfacher Spannungsbegrenzung, Freilaufdioden Z-Dioden Kenngrößen, Modellierung Spannungsstabilisierung, Spannungsreferenz Überspannungsschutz Varaktoren Kapazitätsdioden, Eigenschaften Anwendungen Speichervaraktoren, Step-recovery-Dioden pin-dioden Aufbau und Bänderschema Elektrische Eigenschaften Anwendungen Tunneldioden Die Kennlinie der Tunneldiode Kleinsignalbetrachtung Schottky-Dioden, Kontakte 429

6 xv Schottky-Kontakte im thermischen Gleichgewicht Die Kennlinie der Schottky-Diode Ersatzschaltbild Bauformen Anwendungen Niederohmige Kontakte Der MOS-Kondensator Stationäre Zustände des MOS-Kondensators Der MOS-Kondensator im nichtstationären Betrieb Stromfluß durch das Gate-Oxid Laufzeitdioden IMPATT-Dioden BARITT-Dioden Gunn-Elemente HeteroÜbergänge Der abrupte HeteroÜbergang Halbleiter für HeteroStrukturen Anwendung: Resonante Tunneldioden Aktive Vierpole Transistoren als Verstärker und Schalter Vierpole Darstellungen und Ersatzschaltbilder Kleinsignalanalyse, Vierpolkenngrößen Leitwertparameter Die Wahl des Bezugspunkts Hybridparameter Kenngrößen beschalteter Vierpole Rauschende linearer Vierpole Äquivalente Rauschbandbreite Signal-Rausch-Verhältnis, Rauschzahl Verstärker Rückkopplung Gegenkopplung Mitkopplung, Oszillatoren Bipolartransistoren Einführung Wirkungsweise, Grundbegriffe Der Transferstrom Das elementare Großsignalmodell Das Ebers-Moll-Modell Temperaturabhängigkeit Das elementare Kleinsignalmodell 517

7 7.1.7 NF-Hybridparameter T-Ersatzschaltung Mitlaufeffekt, thermische Stabilität Transistorkapazitäten und Grenzfrequenzen Sperrverhalten, Grenzdaten, Zuverlässigkeit Restströme Grenzspannungen, Durchbrüche Der sichere Arbeitsbereich Zuverlässigkeit Grundschaltungen Emitterschaltung Seriengegenkopplung Parallelgegenkopplung Schaltbetrieb Kollektorschaltung (Emitterfolger) Basisschaltung Differenzverstärker Darlington-Schaltung Komplementäre Endstufe Kaskode Stromquellen Stromspiegel, aktive Last Bandabstandsreferenzen Kippschaltungen Digitalschaltungen Großsignalmodell Ersatzschaltung und Modellanweisung Transferstrom, Gummel-Poon-Ansatz Gummel-Plot, Stromverstärkung, Parameterbestimmung Temperaturabhängigkeit Transitzeit Bahnwiderstände Kleinsignalbeschreibung Kleinsignalersatzschaltung nach Giacoletto HF-Leitwertparameter Nichtquasistatische Beschreibung des Kleinsignalverhaltens Die maximale Schwingfrequenz Rauschen Rauschen der Verstärkerstufe in Emitterschaltung Bauformen Einzeltransistoren Integrierte Bipolartransistoren Heterostruktur-Bipolartransistoren (HBTs) 647

8 xvii 8 Feldeffekttransistoren MOSFETs - Eine Einführung Gegenüberstellung von Bipolartransistor und MOSFET Der n-kanal-mosfet in einfachster Näherung Kennlinien im LEVELl-Modell NF-Kleinsignalbeschreibung Sourceschaltung und nmos-inverter Drainschaltung (Sourcefolger) mit n-kanal-mosfet Gateschaltung Transistorkapazitäten, Transitfrequenz Der n-kanal-mosfet als Schalter Temperaturverhalten P-Kanal-MOSFETs Kanalimplantation, Buried-channel-MOSFETs MOSFETs in integrierten Schaltungen Die Idee der Skalierung Durchbruchspannungen Zur Herstellung integrierter MOSFETs Elektrisches Verhalten von Kurzkanal-MOSFETs Degradation, Elektromigration Elektrostatische Entladungen SOI-MOSFETs, Dünnfilmtransistoren CMOS - Grundschaltungen und Technologie Statische CMOS-Logik Pseudo-nMOS-Logik Dynamische CMOS-Logik Analogschaltungen Herstellung integrierter CMOS-Bausteine Hinweise zum Einsatz integrierter CMOS-Bausteine BiCMOS MOS-Speicherbausteine SRAMs DRAMs ROMs, EPROMS, EEPROMS Leistungs-MOSFETs und IGBTs Aufbau von Leistungs-MOSFETs Eigenschaften und Kenndaten von Leistungs-MOSFETs Anwendungsbeispiele Praktische Hinweise zum Umgang mit Leistungs-MOSFETs IGBTs MOSFET-Modelle LEVELl-Modell LEVEL 2-Modell und LEVEL 3-Modell LEVEL 4-Modell 780

9 ii INHALTSVERZEICHNIS Transistorkapazitäten Kleinsignalbeschreibung des MOSFET Kleinsignalersatzschaltung für mittlere Frequenzen Kleinsignalersatzschaltung für den HF-Bereich Rauschen Beschreibung in SPICE Sperrschichtfeldeffekttransistoren Aufbau eines JFET Kennlinien des JFET Das SPICE-Modell des JFET Kleinsignalbeschreibung des JFET Verstärkerstufe mit n-kanal-jfet in Sourceschaltung Konstantstromquelle mit N-Kanal-JFET GaAs-MESFETs SPICE-Modelle für MESFETs MODFETs 814 Optoelektronische Bauelemente Grundlagen Licht Strahlungsgrößen Absorption und Dämpfung Lichtwellenleiter Wärmestrahlung Detektoren für optische Strahlung Kenngrößen für Fotodetektoren Fotowiderstände (LDR) pin-fotodioden Avalanche-Fotodioden (APDs) Schottky-Fotodioden Fotodioden mit lateraler Ortsauflösung Fototransistoren Pyroelektrische IR-Detektoren Solarzellen Kenngrößen und Ersatzschaltung Einkristalline Solarzellen Polykristalline Siliziumsolarzellen Dünnschichtsolarzellen Solarzellenarrays Charge Coupled Devices Surface Channel CCDs (SCCDs) Buried Channel CCDs (BCCDs) Ladungsbewertung CCD-Sensoren, Eigenschaften und Kenngrößen 906

10 xix Bauformen und Beispiele Lichtemittierende Dioden Leuchtdioden (LEDs) Laserdioden Optokoppler Kenngrößen Frequenzverhalten, Ansprechgeschwindigkeit Anwendungen Modellierung in PSPICE Thyristoren Rückwärtssperrende Thyristoren Aufbau und Wirkungsweise Herstellung von Thyristoren Grenzwerte, Sperrvermögen Zünden des Thyristors, Durchlaßzustand Löschen des Thyristors Parallel- und Reihenschaltung von Thyristoren Phasenanschnittsteuerung mit Thyristoren Sonderformen des Thyristors Asymmetrisch sperrende Thyristoren, RCTs Gate Turn-Off Thyristoren (GTO) MOS-gesteuerte Thyristoren (MCTs) Thyristor-Tetroden Modellierung von Thyristoren in PSPICE DIACs und TRIACs DIACs TRIACs Unijunctiontransistoren SPICE Steuerdatei, Netzliste, Modellanweisungen Die Netzliste Die.MODEL-Anweisung Die.SUBCKT-Anweisung SCHEMATICS Ergebnisausgabe Die.OUT-Datei PROBE Erste Schritte Kennlinien,.DC-Analyse Frequenzgänge,.AC-Analyse Einschwingvorgänge,.TRAN-Analyse Steuerbefehle 995

11 Gleichstromanalyse Transientenanalyse Frequenzanalyse Weitere Steueranweisungen Spannungs- und Stromquellen Unabhängige Quellen V, I Gesteuerte Quellen 1014 Anhang 1019 A.l Fourier- und Laplace-Transformation 1019 A.l.l Fourier-Reihen 1019 A.l.2 Fourier-Transformation 1020 A.1.3 Laplace-Transformation 1021 A.1.4 Anwendung auf lineare Systeme 1023 A.l.5 Autokorrelation, Wiener L Khintchine-Relation 1026 A.2 Widerstände: Kennzeichnung und Normwertreihen 1027 A.3 Kennzeichnung von Keramikkondensatoren 1028 A.4 Materialeigenschaften von Silizium 1029 A.5 HF-Diodenleitwert 1031 A.6 Drifttransistoren 1032 A.7 S-Parameter 1033 A.7.1 Die Streumatrix 1033 A.7.2 Umrechnung von s-parametern 1034