Aktive elektronische Bauelemente

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1 Leonhard Stiny Aktive elektronische Bauelemente Aufbau, Struktur, Wirkungsweise, Eigenschaften und praktischer Einsatz diskreter und integrierter Halbleiter-Bauteile 2. Auflage

2 Aktive elektronische Bauelemente

3 Leonhard Stiny Aktive elektronische Bauelemente Aufbau, Struktur, Wirkungsweise, Eigenschaften und praktischer Einsatz diskreter und integrierter Halbleiter-Bauteile 2., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 558 Abbildungen und 23 Tabellen

4 Leonhard Stiny Haag a. d. Amper, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Die erste Auflage erschien unter dem Titel 00 Handbuch aktiver elektronischer Bauelemente 00 im Franzis Verlag, Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

5 Vorwort Dieses Buch stellt allen, ob in Ausbildung, Lehre, Studium oder Beruf, ein sowohl detailliertes als auch umfangreiches und in der Elektronikpraxis anwendbares Wissen über aktive elektronische Bauelemente zur Verfügung. Dabei werden nicht nur die im eigentlichen Sinne aktiven, sondern alle auf Halbleitern basierenden Bauteile behandelt. Das Werk vermittelt ausführliche Kenntnisse über Aufbau, Eigenschaften, Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten dieser Bauelemente. Es kann als Lehrbuch im Studium, in der beruflichen Fortbildung, zum Selbststudium und als Nachschlagewerk in der Laborpraxis verwendet werden. Das Buch bildet eine Brücke zwischen den physikalischen Grundlagen von Halbleiter-Bauelementen und deren ingenieurtechnischen Anwendungen in der Praxis der modernen Elektronik. Dabei werden auch neueste Bausteine der Computertechnologie behandelt. Damit der Anwender elektronische Bauelemente in Schaltungen zu fehlerfreien und betriebssicheren Funktionseinheiten, Baugruppen oder Geräten zusammenfügen kann, muss er die Wirkungsweise dieser Bauelemente verstanden haben. Nur ein Wissen über ihre Kenngrößen und speziellen Eigenschaften ermöglicht es, entsprechend Datenblattangaben und Herstellerunterlagen die optimalen Bauteile für eine bestimmte Anwendung auszuwählen. Sowohl für die Analyse elektronischer Schaltungen als auch bei der Schaltungsdimensionierung sind Kenntnisse von Aufbau und Funktionsweise der eingesetzten Bauelemente der Halbleiterelektronik unbedingt erforderlich. Die theoretischen und physikalischen Grundlagen der Halbleitertechnik werden als Grundgerüst vermittelt. Auf dieser Basis werden für alle Halbleiter-Bauelemente Aufbau und Wirkungsweise erläutert, spezifische Merkmale, Daten, Kenngrößen und Charakteristiken angegeben und deren Bedeutung erklärt. Für die verschiedenen Typen von Bauteilen werden übersichtlich die Vor- und Nachteile sowie mögliche Anwendungen aufgezeigt. Dabei werden alle technischen Aspekte von der Herstellung bis zum Einsatz betrachtet. Durch zahlreiche Abbildungen wird eine Vorstellung von Aufbau und Aussehen der Bauelemente vermittelt. Viele Tabellen und Beispiele mit Berechnungenunterstützendie Auswahl, Dimensionierung und Anwendung von elektronischen Halbleiter-Bauelementen. Einen in der Praxis verwertbaren Nutzen liefern in diesem Werk allgemein gehaltene, für jeden Einsatzfall gültige Beschreibungen, welche auf spezielle Ansätze leicht anpassbar und erweiterbar sind. So findet man Formeln für den täglichen Gebrauch in der V

6 VI Vorwort Laborpraxis, aber auch deren Herleitungen, um den theoretischen Hintergrund komplexer Sachverhalte verständlich zu machen. Nach einer ersten Auflage bei einem anderen Verlag erscheint dieses Werk beim Springer-Verlag in zweiter, überarbeiteter Auflage. An dieser Stelle sei noch auf mein Werk Passive elektronische Bauelemente (Springer-Verlag) hingewiesen, welches alle Aspekte dieser großen Gruppe von Bauteilen der Elektronik behandelt. Haag a. d. Amper, im Februar 2015 Leonhard Stiny

7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Grundlagen der Halbleiter Halbleiter im Periodensystem der Elemente Halbleiter zwischen Nichtleiter und Leiter Aufbau der Atome Bohr sches Atommodell Elektronenpaarbindung, Kristallgitter Schalenmodell und Wechselwirkung Bändermodell und Fermi-Statistik Direkte und indirekte Halbleiter Quanten und Wellen Direkte Rekombination Indirekte Rekombination Eigenleitung Eigenleitungsdichte Ladungsträgerlebensdauer Beweglichkeit Störstellenleitung Dotieren Störstellenleitung im Bändermodell Allgemeines zu dotierten Halbleitern Einfluss der Temperatur auf dotierte Halbleiter Auswirkung der Temperatur auf Halbleiterbauelemente Der pn-übergang Der pn-übergang ohne äußere Spannung Der ideale abrupte pn-übergang Diffusion und Rekombination im pn-grenzgebiet Ladungsträgerdichte Raumladungsdichte VII

8 VIII Inhaltsverzeichnis Diffusionsspannung Sperrschichtweite Sperrschichtkapazität Energiebänder-Modell des pn-übergangs Der pn-übergang mit äußerer Spannung Äußere Spannung in Sperrrichtung Verbreiterung der Grenzschicht Sperrsättigungsstrom Sperrschichtweite und Sperrschichtkapazität Äußere Spannung in Flussrichtung Durchbruchmechanismen beim pn-übergang Lawinendurchbruch Zener-Durchbruch Überlappung von Lawinen- und Zener-Effekt Thermischer Durchbruch (2. Durchbruch) Durchgriff (punch-through) Schaltverhalten des pn-übergangs Einschaltvorgang Kapazitives Verhalten (die Spannung steigt langsamer als der Strom) Induktives Verhalten (Überschwingen der Spannung) Aus- und Umschaltvorgang Unterbrechen des Durchlassstromes Umschalten von Fluss- in Sperrbetrieb Gesamtkennlinie des pn-übergangs Halbleiter-Metall-Übergang Halbleiterdioden Ausführung Aufbau Elektrische Funktion Bauarten Verhalten einer Diode Kennlinienbereiche Durchlassbereich Sperrbereich Durchbruchbereich Näherungen für die Diodenkennlinie Näherung 0. Ordnung Näherung 1. Ordnung Näherung 2. Ordnung Beschreibung durch Gleichungen... 80

9 Inhaltsverzeichnis IX Bestimmung der Diodenparameter mit Regressionsverfahren Kleinsignalverhalten von Dioden Arbeitspunkt Gleichstromwiderstand Wechselstromwiderstand Differenzieller Widerstand Wirkung des differenziellen Widerstandes Schaltverhalten von Dioden Ideales Schaltverhalten Umschalten von Sperr- in Flussrichtung Umschalten von Fluss- in Sperrrichtung Ein- und Ausschalten bei ohmsch-induktiver Last Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter Temperaturabhängigkeit des Sperrstromes Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung Zusammenfassung: Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter Kenn- und Grenzdaten von Dioden Grenzspannungen Grenzströme Sperrstrom Maximale Verlustleistung Auszüge aus Datenblättern von Dioden Silizium-Epitaxial-Planar-Diode 1N Silizium-Diffusions-Dioden 1N N Herstellungsmethoden für pn-übergänge Legierungstechnik Planartechnik Diffusion Epitaxie Ionenimplantation Kontaktierung Aufbau von Halbleiterdioden Einzeldiode Spitzendioden Flächendioden Leistungsdioden Gehäuse Integrierte Diode Diodentypen Schaltdiode, Universaldiode Gleichrichterdiode Schottky-Diode

10 X Inhaltsverzeichnis Suppressordiode Temperatursensoren DIAC Dreischichtdiode Fünfschichtdiode Vierschichtdiode Anwendungen der Mehrschichtdioden Kennwerte von Mehrschichtdioden Zenerdiode, Z-Diode Avalanchediode Stromregeldiode Leuchtdiode (Lumineszenzdiode, LED) Grundsätzliches Funktionsprinzip Herstellung Material und Farben, Spektrum Technische Ausführung, Aufbau Flächen- und Kantenstrahler Wirkungsgrad Eigenschaften Kennwerte und Grenzwerte Anwendungen und Einsatzbereiche Organische Leuchtdiode (OLED) Vorteile Nachteile Organische Materialien Aufbau Funktionsweise Aktivmatrix- und Passivmatrix-Displays Laserdiode (LD) Grundlagen Realisierungsbedingungen für die Funktion der Laserdiode Aufbau der Materialschichten Aufbau des Laserresonators, DFB-, DBR-Laser Kenngrößen Eigenschaften und Besonderheiten Anwendungen Beispiel für Datenblattangaben einer Laserdiode Fotodiode Funktionsweise Betriebsarten

11 Inhaltsverzeichnis XI Aufbau Eigenschaften Ausführungsformen Anwendungen Solarzelle Aufbau einer Silizium-Solarzelle Solarzellentypen Verluste in Solarzellen Eigenschaften von Solarzellen Kenndaten der Solarzelle Ersatzschaltbild der Solarzelle Bypass-Diode Kapazitätsdiode (Varaktor-Diode) Allgemeines Funktionsweise und Eigenschaften Ersatzschaltung, Güte Grenzfrequenz f c (cut-off-frequency) Temperaturabhängigkeit Anwendungen pin-diode Funktion Anwendungen der pin-diode Tunneldiode (Esaki-Diode) Grundlegendes zur Quantenphysik Tunneleffekt Aufbau und Funktion der Tunneldiode Ersatzschaltung Anwendungen der Tunneldiode Rückwärtsdiode (Backwarddiode) Gunndiode Gunn-Effekt Aufbau der Gunndiode Funktionsweise der Gunndiode Anwendungen der Gunndiode IMPATT-Diode Funktionsweise der IMPATT-Diode Anwendungen der IMPATT-Diode TRAPATT-Diode BARITT-Diode DOVETT-Diode Ladungsspeicherungsdiode

12 XII Inhaltsverzeichnis Speicherschaltdiode (Step-Recovery-Diode) Magnetdiode Aufbau Funktionsweise Eigenschaften und Anwendungen Bipolare Transistoren Definition und Klassifizierung von Transistoren Grundsätzlicher Aufbau des Transistors Richtungen von Strömen und Spannungen Betriebszustände (Arbeitsbereiche) Aktiver Zustand (Normalbetrieb, Vorwärtsbetrieb) Gesättigter Zustand (Sättigungsbetrieb) Gesperrter Zustand (Sperrbetrieb) Inverser Zustand (Inversbetrieb, Rückwärtsbetrieb) Signaldynamik und Signalgröße Funktionsweise Die drei Grundschaltungen des Bipolartransistors Einsatz als Verstärker oder Schalter Verstärkerbetrieb Schalterbetrieb Kennlinien des Transistors Eingangskennlinie Verlauf der Eingangskennlinie Differenzieller Eingangswiderstand Ausgangskennlinie Ausgangskennlinienfeld für Spannungs- und Stromsteuerung Aktiver Bereich Übersteuerungsbereich Sperrbereich Differenzieller Ausgangswiderstand Steuerkennlinien Strom-Steuerkennlinie Spannungs-Steuerkennlinie Rückwirkungskennlinie Vierquadranten-Kennlinienfeld Durchbruchspannungen und Grenzströme Durchbruch 1. Art Basis-Emitter-Diode Basis-Kollektor-Diode Kollektor-Emitter-Strecke

13 Inhaltsverzeichnis XIII Durchbruch 2.Art Grenzströme Maximale Verlustleistung Statischer Betrieb Pulsbetrieb Erlaubter Arbeitsbereich Rauschen beim Bipolartransistor Allgemeines zum Rauschen Beschreibung stochastischer Signale Rauschquellen beim Bipolartransistor Thermisches Rauschen (Widerstandsrauschen) Schrotrauschen (Schottky-Rauschen) /f -Rauschen Popcorn-Rauschen Generations-Rekombinations-Rauschen Stromverteilungsrauschen Avalanche-Rauschen Rauschzahl Definition und Eigenschaften Bereich weißes Rauschen Bereich 1=f -Rauschen Bereich hoher Frequenzen Beschreibung durch Gleichungen Abhängigkeiten der Stromverstärkung Abhängigkeit der Stromverstärkung vom Arbeitspunkt Abhängigkeit der Stromverstärkung von der Grundschaltung Stromverstärkung der Basisschaltung Stromverstärkung der Emitterschaltung Stromverstärkung der Kollektorschaltung Umrechnung der Stromverstärkungen Stromverstärkung in Abhängigkeit der Frequenz, Grenzfrequenzen ˇ-Grenzfrequenz Transitfrequenz Maximale Schwingfrequenz Dynamisches Schaltverhalten des Bipolartransistors Schaltzeiten Einschaltverzögerung t d Anstiegszeit t r Speicherzeit t s Abfallzeit t f Verkürzung der Schaltzeiten

14 XIV Inhaltsverzeichnis 5.17 Modelle und Ersatzschaltungen des Bipolartransistors Die physikalische Ersatzschaltung Das Ebers-Moll-Modell Transportmodell Gummel-Poon-Modell Gleichstrom-Kleinsignalersatzschaltbild Die formale Ersatzschaltung Allgemeines zum Vierpol h-parameter Bestimmung der h-parameter aus den Kennlinien Umrechnung der h-parameter zwischen Grundschaltungen Umrechnung von h-parametern für andere Arbeitspunkte y-parameter Umrechnung zwischen y- und h-parametern s-parameter Vierpolparameter und physikalisches Ersatzschaltbild Berechnung des Betriebsverhaltens Wechselstrom-Kleinsignalersatzschaltbild Aufbau und Herstellungsverfahren von Bipolartransistoren Spitzentransistor Legierungstransistor Mesatransistor Planartransistor Herstellung von Einzeltransistoren, innerer Aufbau Bauformen, Gehäuse von Einzeltransistoren Integrierte Transistoren, Herstellung und innerer Aufbau Herstellungsprozess am Beispiel eines npn-transistors Emitterrandverdrängung Hetero-Bipolartransistor (HBT) Darlington-Transistor Verlauf der Stromverstärkung Stromverstärkung im Bereich Stromverstärkung im Bereich 2 und Schaltverhalten Kleinsignalverhalten Weitere Besonderheiten des Darlington-Transistors

15 Inhaltsverzeichnis XV 6 Feldeffekttransistoren Allgemeine Eigenschaften Funktionsprinzip und Klassifikation Praxis mit Feldeffekttransistoren Unterschiede zwischen unipolaren und bipolaren Transistoren Die drei Grundschaltungen des Feldeffekttransistors Prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise des Sperrschicht-FET JFET ohne äußere Spannung U GS variabel, U DS klein und konstant U DS variabel, U GS D U DS und U GS variabel Kennlinien des JFET, Beschreibung durch Gleichungen Begriffe Kennlinienarten Übertragungskennlinie Ausgangskennlinienfeld Temperaturabhängigkeit der JFET-Parameter Prinzipieller Aufbau und Wirkungsweise des MOSFETs MOS-Kondensator, Grundlagen des MOSFETs Aufbau eines n-kanal MOSFET Anreicherungstyp Verarmungstyp Wirkungsweise des n-kanal MOSFET, Anreicherungstyp Wirkungsweise des n-kanal MOSFET, Verarmungstyp Kennlinien des MOSFETs, Beschreibung durch Gleichungen n-kanal MOSFET, Anreicherungstyp n-kanal MOSFET, Verarmungstyp MOSFET als steuerbarer Widerstand Temperaturabhängigkeit der MOSFET-Parameter Modelle und Ersatzschaltungen des Feldeffekttransistors Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Kleinsignalmodell Gleichstrom-Kleinsignalersatzschaltbild Wechselstrom-Kleinsignalersatzschaltbild Grenzfrequenzen bei Kleinsignalbetrieb Grenzdaten und Sperrströme Durchbruchspannungen Gate-Durchbruch Drain-Source-Durchbruch Grenzströme Drainstrom