Stefan Goßner. Grundlagen der Elektronik. Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen. Ein Lernbuch. 6. Überarb. Auflage

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1 Stefan Goßner Grundlagen der Elektronik Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen Ein Lernbuch 6. Überarb. Auflage Shaker Verlag Aachen 2006

2 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 (Leitungsmecbauismen im reinen Halbleiier) Störstellenieitung Leitfähigkeit des Halbleiters Erklärung der Leitungsmechanismen im Halbleiter mit Energie-Modellen! Energie-Verteilung der freien Elektronen und der Löcher Übungsaufgaben zur Physik der Halbleiter Ladungsträger Leitungsmechanismen Massenwirkungsgesetz Energie-Bänder-Schema 19 2 DER PN-ÜBERGANG Der pn-übergang ohne äußere Spannung Der ideale abrupte pn-übergang Ladungsträgerdiffusion - Bildung einer Raumladungszone Ladungsträgerdichte Raumladungsdichte Diffusionsspannting Sperrschichtweite Sperrschichtkapazität Energiebänder-Modell des pn-überganges Der pn-übergang mit äußerer Spannung Sperrpolung Husspolung Durchbruch bei hoher Feldstärke in Sperrpolung Gesamtkennlinie des pn-überganges Temperaturabhängigkeit der Kennlinie Schaltverhalten des pn-übergangs Übungsaufgaben zum pn-übergang pn-übergang Der pn-übergang im thermodynamischen Gleichgewicht pn-übergang mit äußerer elektrischer Spannung Durchbruch des pn-überganges Temperaturabhängigkeit des pn-überganges Dynamisches Verhalten des pn-überganges 35 3 METALL-HALBLEITER-ÜBERGÄNGE Schottky-Kontakt (Sperrschicht-Kontakt) Übergang von n-halbleiter zu Metall mit größerer Austriitsarbeit (W M > W H ) Übergang von p-halbleiter zu Metall mit geringerer Austrittsarbeit (W H <W H ) Eigenschaften des Schottky-Kontakts Ohmscher Kontakt Übergang von n-halbleiter zu Metall mit kleinerer Austrittsarbeit (W M <W H ) Übergang von p-halbleiter zu Metall mit größerer Austrittsarbeit (WM>WH) Ohmscher Kontakt durch hochdotierte Halbleiterzwischenschicht Übungsaufgaben zu Metall-Halbleiter-Übergängen Austrittsarbeit, Elektronenaffinität Schottkykontakte Ohmscher Kontakt 46

3 INHALTS VERZE1CHNIS , DIE DIODE Allgemeines Universal- und Richtdiode Hochsperrende Leistungsdioden Schaltdioden Die Z-Diode Kapazitätsdiode Tunneldiode Backward-Diode Schottky-Diode Weitere Diodenformen 4.11 Übungsaufgaben zu Dioden Allgemeine Fragen zu Dioden Grafische Ermittlung des Arbeitspunktes Einfache Widersiands-Diodenschaltungen Dioden-Logikschaltung 58 5 STABILISIERUNGSSCHALTUNG MIT Z-DIODE Grundschaltung Graphische Schahungsanalyse Rechnerische Schaltungsanalyse (Betrieb mit Gleichspannung) Berechnung von Grenzwerten Zulässiger Arbeitsbereich der Z-Diode Grenzwerte für die Einzelbauelemente Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung Welligkeit der stabilisierten Gleichspannung Verlustleistung der Z-Diode Genauere Betrachtung des differenuellen Widerstandes Übungsaufgaben zur Stabüisierungsschaltung mit Z-Diode Grafische Analyse der Stabilisierungsschaltung Grafische Analyse des zuiässigenvorwiderstandes Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung 72 6 NETZGLEICHRICHTER Gleichrichterschaltungen ohne Glättung (mit ohmscher Last) Einweggleichrichter Zweiwegglelchrfchter - Mittelpunktschaliung Zweiweggleichrichter - Brückengleichrichter (Graetz-Gleichrichter) Genauere Berechnung der Zweiweggleichrichter Gleichrichterschaltungen mit Glättung Glättungsarten Berechnung des Zweiweggleichrichters mit Glättungskondensator Gleichrichter mit Pufferbatterie Übungsaufgaben zu Netzgleichrichtern Welligkeit der Ausgangsspannung Ausgangsspannung und Welligkeit verschiedener Gleichrichter Dimensionierung einer Gleichrichterschaltung 92 7 DREHSTROMGLEICHRICHTER 93 II 7.1 Mittelpunkt-Schaltung (Halbbrücke) (3-pulsiger Gleichrichter) Drehstrom-Brückengleichrichter (6-pulsiger Gleichrichter) Übungsaufgaben zu Drehstromgleichrichtern

4 8 SPANNLNGSVERVIELFACHUNG Spannungsverdoppelung mit der Delonschaltung Spannungsverdoppelung mit Villardschaltung Spannlingsvervielfachung durch Kaskadierung der Villardschaltung Übungsaufgaben zur Spanmingsvervielfachung DER BIPOLARE TRANSISTOR Autbau und Herstellungsverfahren Funktionsweise Der Transistoreffekt Strömungsmechanismen im Transistor Einfluss der Kollektor-Basis-Spannung auf den Kollektorstrom Schaltzeichen - Richtungspfeile für Ströme und Spannungen Transistor-Grundschaltungen Basisschaltung Emitterschaltung Kollektorschaltung Umrechnung der Stromverstärkungen Darlington-oder Super-Beta-Schaltung Daten von Transistoren Übungsaufgaben zuaufbau und Funktionsweise des bipolaren Transistors Transistorphysik Transistoreigenschaften ARBEITSPUNKT DES BIPOLAREN TRANSISTORS / GLEICHSTROMBETRIEB Einstellung des Arbeitspunktes Einprägung des Basisstromes Einprägung der Basis-Emitter-Spannung Einstellung der Kollektor-Emitter-Spannung Stabilisierung des Arbeitspunktes Anforderungen an die Stabilität des Arbeitspunktes Ursachen für Arbeitspunkt-Verschiebungen Gegenkopplungsmaßnahmen zur Arbeitspunkt-Stabilisierung Verfahren zur Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes einer gegebenen Schaltung Stabilisierung des Arbeitspunktes bei der Schaltungsdimensionierung Dimensionierung einer Transistorschaltung und grafische Analyse des Arbeitspiuiktes Dimensionierung der Schaltung Grafische Analyse des Arbeitspiuiktes Beispielschaltungen Konstantspannungsquelle! Einfache Konstantstromquelle Stromspiegel (Konstantstromquelle) Übungsaufgaben zum Gleichstrombetrieb des Transistors Allgemeines zum Arbeitspunkt Stabilität des Arbeitspunktes bei Einprägung von I B und U BE Gewährleistung der Arbeitspunktstabilität durch geeignete Dimensionierung Berechnung der Arbeitspunktstabilität Grafische Analyse einer Transistorschaltung S39 III

5 11 DER BIPOLARE TRANSISTOR IM WECHSELSPANNUNGSVERSTÄRKER Grundschaltung eines Wechselspannungsverstärkers in Emitterschaltung 14Ü Prinzipieller Aufbau und Funktion Analyse des Arbeitspunktes Wechselstromanalyse Verzerrungen und Begrenzungen des Ausgangssignals (Aussteuerungsgrenzen) Technische Realisierung RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker in Emitterschaltung Grafische Analyse des Wechselstrom-Verhaltens Berechnung der Wechselstromgrößen Wechselspannungsverstürkung bei Stromgegenkopplung Berechnung der Kondensatoren Gesamt-Grenzfrequenzen RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker in Basisschaltung Die Schaltung Berechnung der Wechselstrom-Kenngrößen Obere Grenzfrequenz der Basisschaltung RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker in Kollektorschaltung Stromlaufplan und Daten Wechselstrom-Berechnungen Bootstrapschaltung Vergleich der Transistor-Grundschaltungen Lage des Arbeitspunktes im Kennlinienfeld Klein-und Mittelsignalverstärker Leistungsverstärker - Transistorendstufen Übungsaufgaben zum Wechselspannungsverstärker mit bipolarem Transistor Einzelfragen Auswahl einer Transistorgrundschaltung Analyse eines Wechselspannungsverstärkers Verstärker in Kaskodeschaltung DER BIPOLARE TRANSISTOR ALS SCHALTER Der ideale Schalter (zum Vergleich) Die Betriebszustände des Transistor-Schalters Ausgewählte Details aus der Halbleiter- und Transistorphysik Prinzipielle Ansteuerungsvarianten Der gesperrte Transistor Der leitende Transistor (ungesättigt, U CD >0) Der leitende Transistor (gesättigt) Kennlinien-Arbeitsbereiche des Transistors als Schalter Das dynamische Verhalten Einschaltvorgang Der Ausschaltvorgang Maßnahmen zur Verbesserung des Schaltverhaltens Schaltverlustleistung Transistorschalter bei ohmscher, kapazitiver und induktiver Last OhmscheLast Ohmisch-induktive Last Ohmisch-kapazitive Last Transistor in digitalen Grundschaltungen 200 IV 12.8 Übungsaufgaben zum Transistor als Schalter Berechnung einer Speicherzeit Transistor mit kapazitiver Last Allgemeine Fragen zum Schaltlransistor 204

6 13 DER FELDEFFEKTTRANSISTOR (FET) Allgemeines / Grundprinzip Sperrschicht-FET Aufbau und Wirkungsprinzip Einfluss der Kanalspannung auf die Kennlinie Steuerung über das Gate Die Kennlinien des Sperrschicht-FET IG-FET (isolated gate) Anreicherungstyp Verarmungstyp Vorteile der IG-FET Übersicht über alle FET-Typen Daten von FeldefTekt-Transistoren FET als Analogschalter Ein-und Ausschaltbedingungen Grundschaltung eines FET-AnalogschaSters Verbesserter FET-Analogschalter Oegentakt-FET-Analogschalter Arbeitspunkt-Einstellung - Konstantstromquelle (J-FET) J-FET-WechselspannungsTerstärker in Source-Schaltung Schaltung des J-FET-WS-Verstärkers Wechselstrom-Ersatzschaltbild des 1-FET in Source-Schaltung Berechnung des Wechselspannungsverstärkeis CMOS-Technik CMOS-inverter CMOS-NOR-Gatter CMOS-NAND-Gatter CMOS-Übertragungsgatter Übungsaufgaben zum Feldeffekttransistor Allgemeine Fragen Konstantstromquelle FET als Analogschalter Wechseäspannungsverstärker mit FET Wechselspannungsverstärker in Kaskodeschaltung AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINES OPERATIONSVERSTÄRKERS Allgemeines Interner Aufbau Eingangsstufe Koppelstufe Ausgangsstufe Gesamtschaltung des OP Eigenschaften und Daten von Operationsverstärkern Übungsaufgaben zu Aufbau und Funktionsweise des Operationsverstärkers OPERATIONSVERSTÄRKER - GRUNDSCHALTUNGEN Anwendungsbeispiele ohne Rückkopplung oder mit Mitkopplung Komparator Schmitt-Trigger Astabiler Multivibrator 246

7 15.2 Niederfrequente Anwendungsbeispiele mit Gegenkopplung 24S Invertierender Versiärker Nicbt-invertierender Verstärker Addition (mit Inversion) Subtraktion (Differenzverstärker) Integration Differentiation Tiefpass oder Verzßgerungsglied 1. Ordnung Hochpass Bandpass PI-Regler Fehler-Rechnung Fehler durch Eingangs-Offset-Spannung Fehler durch Eingangsströme (Bias-Ströme) Fehler durch Ungleichheit der Eingangsströme (Eingangs-Offsetslrom) Stabililätsprobleme - Frequenzgangkorrektur Schwingneigung durch ungewollte Mitkopplung Die Schleifen Verstärkung Frequenzgangkorrektur Stabilität bei kapazitiver Last und beim Differenzierer Übungsaufgaben zu Operationsverstärker-Grandschaltungen Allgemeine Fragen Subtrahierer PI-Regler Schmitt-Trigger SPEZIELLE SCHALTUNGSBEISPIELE MIT OPERATIONSVERSTÄRKERN Instrumentenverstärker Präzisionsgleichrichter Logarithmieren Delogarithmieren Multiplizierer Abtast-Halte-Glieder (Sample & Hold - Verstärker) Fensterkomparatoren Muln'vibratoren mit dem Timer Frequenz-Spannungs- und Spannungs-Frequenz-Wandler Digital-Analog- und Analog-Digital-Umsetzer Digital-Analog-Umsetzer Analog-Digital-Wandler Übungsaufgaben Operationsschaltungen Funktionsgenerator (Spezieller) Sample & Hold - Verstärker Netzsynchronisierung Dividierer mit R-2R-Netzwerk LEISTUNGS-HALBLEITER-BAUELEMENTE Der Thyristor Aufbau und Funktionsweise Haupteinsatzgebiete TRIAC Leistungs-MOS-FET (Kurzkan&lstrukturen) DerVMOS-FET DerDMOS-FET 302 VI

8 17.4 DerlGBT Übungsaufgaben zu Leistungs-Halbteiterbauelementen Phasenanschnittsteuerung mit Thyristoren oder Triac Hohe Strombelastbarkeit beim IG-FET OPTOELEKTRISCHE BAUELEMENTE Fotowiderstand (LDR) Fotodiode PN-Übergang unter Lichteinwirkung Diodenbetrieb der Fotodiode Foto-PIN-Diode Foto-Lawinen-Diode (Avalanche-Fotodiode) Elementbetrieb der Fotodiode Solarzelle Fototransistor Lumineszenz-Dioden Displays LED-Displays Flilssigkristall-Displays Optoelektronische Koppler Optokoppler (geschlossen) Optokopplw-Lichtschranken Laser-Dioden Lichtwellenleiter Übungsaufgaben zu optoelektronischen Bauelementen Betrieb eines Photoelements im MPP Fotoelement zur Lichtmessung HALBLEITERBAUELEMENTE OHNE PN-ÜBERGANG (HOMOGENE HALBLEITERBAUELEMENTE) Heißleiter (NTC-Widerstände) Kaltleiter (PTC-Widerstände) Varistoren (VDR) Fotowiderstand (LDR) Feldplatte IMDR] Hallgenerator Dehnungsmessstreifen 19.8 Übungsaufgaben zu homogenen Halbleitern Feldplatte - Hiulsonde 20 GLEICHSPANNUNGSWANDLER Drossel-Aufwärtswandler Drossel-Abwärtswandler Drossel-Inverswandler Einschwingvorgänge Anwendungsbeschränkungen Übungsaufgaben zu Schaltwandlern Abwärtswandler (Tiefsetzsteller) Prinzipschaltbilder Schaltwandler VII

9 21 THERMISCHE PROBLEME / WÄRMEABLEITUNG Temperaturerhöhung von Bauelementen durch Wärmefreisetzung Verlustwärme - Verlustleistung Wärmekapazität Wärmeableitung Der Wärmewiderstand Wärmewiderstand bei Wärmeieitung Wärmewiderstand bei Konvekhon Wärmestrahlung Kühlflächenberechnung Der Wärmestromkreis Berechnung des Wärmestromkreises Analogie thermischer und elektrischer Größen Berechnung von Temperaturen im stationären Betrieb Reduzierung der zulässigen Verlustleistung bei hoher Umgebungstemperatur 344 2!.4.4 Thermische Ausgleichsvorgänge Übungsaufgaben zu thermischen Problemen Wärmeableitung an einer Diode Thermische Probleme am Transistor Kühlung mit forcierter Konvektion Leistungssprung am Transistor 349 ANHANG A SCHALTCJNGSANALYSE 350 A.1 Grundlagen der Zweipoltheorie 350 A.2 Einfache Zweipole 351 A.2.1 Passive Zweipoie 351 A.2.2 Aktive Zweipole 351 A.Z.2,1 Einfache Spannungsquette 351 A Einfache Stromquelle 352 A Aquivalenzprinzip 352 A.3 Ersatzwiderstand passiver Zweipole 353 A.3.1 Berechnung bei linearen Elementen 353 A.3.2 Grafisches Verfahren bei nichtlinearen Elementen 253 A.3.2.] Reihenschaltung 353 A Parallelschaitung 354 A.3.3 Linearisierung von Kennlinien 354 A.4 Ersatzschaltung aktiver Zweipole 356 A.4.1 Aktive Zweipole mit einer Quelle 356 A.4.2 Aktive Zweipole mit mehreren Quellen 357 A,5 Zusammenschaltung aktiver und passiver Zweipole 358 A.5.1 Der lineare Grundstromkreis 358 A.5.2 Der nfchtlineare Grundstromkreis - Grafisches Schnittpunktverfahren 358 A Nichtlinearer Gleichstromkreis 358 A Stromkreis mit zeitveränderlicher Quellenspannung 359 A Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung (graßsche Superposition) 360 A.5.3 Stromkreise mit bipolarem Transistor 364 A Vier-Quadranten-Kennlinienfeld 364 A Arbeits-Ubertragungskennlmie 365 A Grafische Ermittlung des Arbeitspunktes 365 A Grafische Analyse des Wechseistromverhaltens 366 ANHANG B VIERPOLTHEORIE 367 B.l Vierpolgleichungen - Vierpolparameter 367 B. 1.1 Die Z-Parameter 369 B.l.2 Die Y-Parameter 369 B.l.3 Die H-Parameter (Hybrid-Parameter) 370 VIII

10 B.2 Transistor als linearer Vierpol 371 B.2.1 Die h-parameter des Transistors 371 B.2,2 Ermittlung der h-parameter aus den Kennlinien des Transistors 373 B.2.3 h-parameter für Emitterschaltung aus Datenblättern von NF-Transistoren 374 B.2.4 Umrechnung der h-parameter von Emitterschaltung auf die Basisschaltung 275 B.2.5 Theoretisch ermittelte Näherungswerte der Vierpolparameter des Transistors 377 ANHANG C LÖSUNGEN DER ÜBUNGSAUFGABEN 378 ANHANG D VERWENDETE GRÖSSENSYMBOLE UND SCHALTZEICHEN 409 LITERATURHINWEISE 415 IX