Grundlagen der Elektronik

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1 Stefan H. GoBner Grundlagen der Elektronik Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen Shaker-Verlag

2 Stefan Gofiner Grundlagen der Elektronik Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen Ein Lernbuch 3. uberarbeitete Auflage Shaker Verlag Aachen 2003

3 1 EINFUHRUNG IN DIE PHYSIK DER HALBLEITER Einordnung der Halbleiter zwischen Leitern und Isolatoren Aufbau von Leitern und Halbleitern Aufbau der Atome Kristallaufbau Leitungsmechanismen in Halbleitern Eigenleitung (Leitungsmechanismen im reinen Halblei(er) Storstellenleitung LeitfShigkeit des Halbleiters Erklarung der Leitungsmechanismen im Halbleiter mil Energie-Modellen Energie-Verteilung der freien Elektronen und der Locher DER PN-UBERGANG Der pn-ubergang ohne auflere Spannung Der ideale abrupte pn-ubergang Ladungstragerdichte Raumladungsdichte Diffusionsspannung Sperrschichtweite Sperrschichtkapazitat Energiebander-Modell des pn-uberganges Der pn-obergang mit auberer Spannung Sperrpolung Flusspolung Durchbruch bei hoher Feldsfirke in Sperrpolung Gesamtkennlinie des pn-uberganges Temperaturabhangigkeit der Kennlinie Schaltverhalten des pn-obergangs METALL-HALBLEITER-UBERGANGE Schottky-Kontakt (Sperrschicht-Kontakt) Obergang von n-halbleiter zu Metall mit groberer Austrittsarbeit (W M > W H ) Obergang von p-halbleiter zu Metall mit geringerer Austrittsarbeit (W M < W H ) Eigenschaften des Schottky-Kontakts Ohmscher Kontakt Obergang von n-halbleiter zu Metall mit kleinerer Austrittsarbeit (W M <W H ) Obergang von p-halbleiter zu Metall mit groberer Austrittsarbeit (W M >W H ) Ohmscher Kontakt durch hochdotierte Halbleiterzwischenschicht DIE DIODE Allgemeines Universal- und Richtdiode Hochsperrende Leistungsdioden Schaltdioden Die Z-Diode Kaparitatsdiode Tunneldiode Backward-Diode Schottky-Diode Weitere Diodenformen (1 4-10

4 5 STABILISIERUNGSSCHALTUNG MIT Z-DIODE Grundschaltung Graphische Schaltungsanalyse Rechnerische Schaltungsanalyse (Betrieb mit Gleichspannung) Berechnung von Grenzwerten Zulassiger Arbeitsbereich der Z-Diode 5 " Grenzwerte fur die Einzelbauelemente Oberlagerung von Gleich-und Wechselspannung Welligkeit der stabilisierten Gleichspannung Verlustleistung der Z-Diode Genauere Betrachtung des differentiellen Widerstandes NETZGLEICHRICHTER Gleichrichterschaltungen ohne Glattung (mit ohmscher Last) *>"! Einweggleichrichter Zweiweggleichrichter - Miltelpunktschaltung Zweiweggleichrichter - Briickengleichrichter (Graetz-Gleichrichter) Genauere Berechnung der Zweiweggleichrichter Gleichrichterschaltungen mit Glattung '"" Glattungsarten Berechnung des Zweiweggleichrichters mit Glattungskondensator Gleichrichter mit Pufferbatterie DREHSTROMGLEICHRICHTER 7.1 Mittelpunkt-Schaltung (Halbbriicke) (3-pulsiger Gleichrichter) 7.2 Drehstrom-Briickengleichrichter (6-pulsiger Gleichrichter) 71 7 "' 7 ' 3 8 SPANNUNGSVERVIELFACHUNG 8.1 Spannungsverdoppelung mit der Delonschaltung *'' 8.2 Spannungsverdoppelung mit Villardschaltung 8.3 Spannungsvervielfachung durch Kaskadierung der Villardschaltung *' 4 9 DER BIPOLARE TRANSISTOR 9.1 Aufbau und Herstellungsverfahren 9.2 Funktionsweise "' Der Transistoreffekt 9 " Stromungsmechanismen im Transistor 9 "^ EinflussderKollektor-Basis-SpannungaufdenKollektorstrom Schaltzeichen - Richtungspfeile fur Strome und Spannungen 9.4 Transistor-Grundschaltungen Basisschaltung 9 " Emitterschaltung 9 ' Kollektorschaltung 9 ' Umrechnung der Stromverstiirkungen 9.5 Darlington- oder Super-Beta-Schaltung *' Daten von Transistoren 81 8 ' 2 9A 9 ' 8 9 ' 8 9 ' 15

5 10 ARBEITSPUNKT DES BIPOLAREN TRANSISTORS / GLEICHSTROMBETRIEB Einstellung des Arbeitspunktes Einpragung des Basisstromes Einpragung der Basis-Emitter-Spannung Einstellung der Kollektor-Emitter-Spannung Stabilisierung des Arbeitspunktes Anforderungen an die Stabilitat des Arbeitspunktes Ursachen fur Arbeitspunkt-Verschiebungen GegenkopplungsmaBnahmen zur Arbeitspunkt-Stabilisierung Verfahren zur Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes Berechnung von Abweichungen des Arbeilspunktes einer gegebenen Schallung Stabilisierung des Arbeitspunktes bei der Schaltungsdimensionierung Gleichstrombetrieb des bipolaren Transistors - Beispielschaltungen Konstantspannungsquelle Einfache Konstantstromquelle Stromspiegel (Konstantstromquelle) DER BIPOLARE TRANSISTOR IM WECHSELSPANNUNGSVERSTARKER Grundschaltung eines Wechselspannungsverstarkers in Emitterschaltung Prinzipieller Aufbau und Funktion Analyse des Arbeitspunktes Wechselstromanalyse Verzerrungen und Begrenzungen des Ausgangssignals (Aussteuerungsgrenzen) Technische Realisierung RC-gekoppelter Wechselspannungsverstarker in Emitterschaltung Dimensionierung der Schaltung Grafische Analyse des Arbeitspunktes (Gleichstrom-Analyse) Grafische Analyse des Wechselstrom-Verhaltens Berechnung der WechselstromgroBen Wechselspannungsverstarkung bei Stromgegenkopplung Berechnung der Kondensatoren Gesamt-Grenzfrequenzen RC-gekoppelter Wechselspannungsverstarker in Basisschaltung Die Schaltung Berechnung der Wechselstrom-KenngroBen Obere Grenzfrequenz der Basisschaltung RC-gekoppelter Wechselspannungsverstarker in Kollektorschaltung Dimensionierung der Schaltung Wechselstrom-Berechnungen Bootstrapschaltung Vergleich der Transistor-Grundschaltungen Lage des Arbeitspunktes im Kennlinienfeld KJein- und Mittelsignalverstarker Leistungsverstarker - Transistorendstufen DER BIPOLARE TRANSISTOR ALS SCHALTER Der ideale Schalter (zum Vergleich) Die Betriebszustande des Transistor-Schalters Ausgewahlte Details aus der Halbleiter- und Transistorphysik Prinzipielle Ansteuerungsvarianten Der gesperrte Transistor Der leitende Transistor (ungesaltigt. U,n>0) 12-6 III

6 Der leitende Transistor (gesattigt) Kennlinien-Arbeitsbereiche des Transistors als Schalter Das dynamische Verhalten Einschaltvorgang Der Ausschaltvorgang MaBnahmen zur Verbesserung des Schaltverhallens Schaltverlustleistung Transistorschalter bei ohmscher, kapazitiver und induktiver Last OhmscheLast Ohmisch-induktive Last Ohmisch-kapazitive Last Transistor in digitalen Grundschaltungen DER FELDEFFEKTTRANSISTOR (FET) Allgemeines / Grundprinzip Sperrschicht-FET IM Aufbau und Wirkungsprinzip Einflussder Kanalspannung auf die Kennlinie Steuerung uber das Gate Die Kennlinien des Sperrschicht-FET IG-FET (isolated gate) Anreicherungstyp Verarmungstyp Kurzkanalstrukturen - Der VMOS-FET Vorteile der IG-FET Obersicht uber alle FET-Typen Daten von Feldeffekt-Transistoren FET als Analogschalter Ein-und Ausschaltbedingungen Grundschaltung eines FET-AnaJogschalters Verbesserter FET-Analogschalter Gegentakt-FET-Analogschalter Arbeitspunkt-Einstellung - Konstantstromquelle (J-FET) J-FET-Wechselspannungsverstarker Schaltung des J-FET-WS-Verstarkers Wechselstrom-Ersatzschaltbild des J-FET in Source-Schaltung Berechnung des Wechselspannungsverstarkers CMOS-Technik CMOS-Inverter CMOS-NOR-Gatter CMOS-NAND-Gatter CMOS-Obertragungsgatter AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINES OPERATIONSVERSTARKERS Allgemeines Interner Aufbau Eingangsstufe Koppelstufe Ausgangsstufe GesaimschaltungdesOP Eigenschaften und Daten von Operationsverstarkern IV

7 15 OPERATIONSVERSTARKER - GRUNDSCHALTUNGEN Anwendungsbeispiele ohne Ruckkopplung oder mit Mitkopplung Komparator Schmitt-Trigger Astabiler Multivibrator Niederfrequente Anwendungsbeispiele mit Gegenkopplung Invertierender Verstarker Nicht-invertierender Verstarker Addition (mit Inversion ) Subtraktion (Differenzverstarker) Integration Differentiation Tiefpass Oder Verzogerungsglied 1. Ordnung Hochpass Bandpass PI-Regler Fehler-Rechnung Fehler durch Eingangs-Offset-Spannung Fehler durch Eingangsstrome (Bias-Strome) Fehler durch Ungleichheit der Eingangsstrome (Eingangs-Offsetstrom) Stabilitatsprobleme - Frequenzgangkorrektur Schwingneigung durch ungewollte Mitkopplung Die Schleifenverstarkung Frequenzgangkorrektur Stabilitat bei kapazitiver Last und beim Differenzierer SPEZIELLE SCHALTUNGSBEISPIELE MIT OPERATIONSVERSTARKERN Instrumentenversta'rker Pra'zisionsgleichrichter Abtast-Halte-Glieder (Sample & Hold - Verstarker) Fensterkomparatoren Multivibratoren mit dem Timer Frequenz-Spannungs- und Spannungs-Frequenz-Wandler Digital-Analog- und Analog-Digital-Umsetzer Digital-Analog-Umsetzer Analog-Digital-Wandler DER THYRISTOR Aufbau und Funktionsweise Haupteinsatzgebiete TRIAC OPTOELEKTRISCHE BAUELEMENTE Fotowiderstand (LDR) Fotodiode PN-Obergang unter Lichteinwirkung Diodenbetrieb der Fotodiode Foto-PIN-Diode Foto-Lawinen-Diode(Avalanche-Fotodiode) Elementbetrieb der Fotodiode Solarzelle 18-6

8 18.3 Fototransistor 18.4 Lumineszenz-Dioden I*" Displays LED-Displays I 8 " Fliissigkristall-Displays 18 -' 18.6 Optoelektronische Koppler 1 8 "H Optokoppler (geschlossen) 18 "H Optokoppler-Lichtschranken I 8 "! Laser-Dioden I 8 '! Lichtwellenleiter 19 HALBLEITERBAUELEMENTE OHNE PN-UBERGANG (HOMOGENE HALBLEITERBAUELEMENTE) HeiBleiter (NTC-Widerstande) I'" Kaltleiter (PTC-Widerstande) 19.3 Varistoren (VDR) I Fotowiderstand (LDR) I Feldplatte (MDR) I 9 " Hallgenerator I'" Dehnungsmessstreifen ' ' 20 GLEICHSPANNUNGSWANDLER Drossel-Aufwartswandler 20.2 Drossel-Abwartswandler 20.3 Drossel-Inverswandler 20.4 Einschwingvorgange 21 THERMISCHEPROBLEME/WARMEABLEITUNG Temperaturerhdhung von Bauelementen durch Warmefreisetzung Verlustwarme - Verlustleistung Warmekapazitaf Warmeableitung Der Wiirmewiderstand Warmewiderstand bei Warmeleitung Warmewiderstand bei Konvektion WSrmestrahlung Kiihlflachenberechnung Der Warmestromkreis Berechnung des Warmestromkreises Analogie thermischer und elektrischer GrSBen Berechnung von Temperaturen im stationaren Betrieb Reduzierung der zulassigen Verlustleistung bei hoher Umgebungstemperatur Thermische Ausgleichsvorgange " 16 l9 ' 3 20 '' 20 ' 3 2 " " VI

9 ANHANG A SCHALTUNGSANALYSE A-l A.I Grundlagen der Zweipoltheorie A-l A.2 Einfache Zweipole A-2 A.2.1 Passive Zweipole A-2 A.2.2 Aktive Zweipole A-2 A Einfache Spannungsquelle A-2 A Einfache Stromquelle A-3 A Aquivalenzprinzip A-3 A.3 Ersatzwiderstand passiver Zweipole A-4 A.3.1 Berechnung bei linearen Elementen A^t A.3.2 Grafisches Verfahren bei nichtlinearen Elementen A-4 A Reihenschaltung A-4 A3.2.2 Parallelschaltung A-5 A.3.3 Linearisierung von Kennlinien A-5 A.4 Ersatzschaltung aktiver Zweipole A-7 A.4.1 Aktive Zweipole mit einer Quelle A-7 A.4.2 Aktive Zweipole mit mehreren Quellen A-8 A.5 Zusammenschaltung aktiver und passiver Zweipole A-9 A.5.1 Der lineare Grundstromkreis A-9 A.5.2 Der nichuineare Grundstromkreis - Grafisches Schnittpunktverfahren A-9 A Nichtlinearer Gleichstromkreis A-9 A Stromkreis mit zeitveranderlicher Quellenspannung A-10 A Uberlagerung von Gieich- und Wechselspannung (grafische Superposition) A-ll A.5.3 Stromkreise mit bipolarem Transistor A-15 A Vier-Quadranten-Kennlinienfeld A-15 A Arbeits-Vbenragungskennlinie A-16 A Grafische Ermittlung des Arbeitspunktes A-16 A Grafische Analyse des Wechselstromverhaltens A-ll ANHANG B VIERPOLTHEORIE B-l B.I Vierpolgleichungen - V ii-rpolparameter B-l B.I.I Die Z-Parameter B-3 B.I.2 Die Y-Parameter B-3 B.I.3 Die H-Parameter (Hybrid-Parameter) B-4 B.2 Transistor als linearer Vierpol B-5 B.2.1 Die h-parameter des Transistors B-5 B.2.2 Ermittlung der h-parameter aus den Kennlinien des Transistors B-7 B.2.3 h-parameter in Datenblattern von NF-Transistoren B-8 B.2.4 Theoretisch ermittelte Naherungswerte der Vierpolparameter des Transistors B-9 B Emitterschaltung B-9 B Basisschaltung B-10 ANHANG C VERWENDETE GROSSENSYMBOLE UND SCHALTZEICHEN C-l LITERATURHINWEISE L-l VII