Grundlagen der Elektronik

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1 Stefan Goßner Grundlagen der Elektronik Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen Ein Lernbuch Shaker Verlag Aachen 2001

2 1 EINFÜHRUNG IN DIE PHYSIK DER HALBLEITER 1.1 Einordnung der Halbleiter zwischen Leitern und Isolatoren 1.2 Aufbau von Leitern und Halbleitern Aufbau der Atome Kristallaulbau 1.3 Leitungsmechanismen in Halbleitern Eigenleitung (Leitungsrrechamsmen im reinen Halbleiter) Slörsicücnleitung Erklärung der Leitungsmechanismen im Halbleiter mit Energie-Modellen Energie-Verteilung der freien Elektronen und der Löcher 2 DER PN-ÜBERGANG 2.1 Der pn-übcrgang ohne äußere Spannung Der ideale abrupte pn-übcrgang Ladungsträgerdichte Raumladungsdichte Diffusionsspannung Sperrschichtweite Sperrschichtkapazität Energiebänder-Modell des pn-überganges 2.2 Der pn-übcrgang mit äußerer Spannung Sperrpolung Flußpofuag Durchbruch bei hoher Feldstärke in Sperrpolung Gesamlkennlinie des pn-überganges Temperaturabhängigkeit der Kennlinie Schaltverhaltcn des pn-übergangs 3 METALL-HALBLEITER-ÜBERGÄNGE 3.1 Schottky-Kontakt (Sperrschicht-Kontakt) Übergang von n-halbleiter zu Metall mit größerer Austrittsarbeil (W M > W H ) Übergang van p-halbleiter zu Metall mit geringerer AustriUsarbeit (W M < W,,) Eigenschaften des Scholtky-Kontakts 3.2 Ohmschcr Kontakt Übergang von n-halbleiter zu Metall mit kleinerer Auslrittsarbeil (W M < W,,) Übergang von p-halbleiter zu Metall mit größerer AustriUsarbeit (W M > W u ) Ohmscher Kontakt durch hochdotierte Halbleilerzwischenschicht 4 DIE DIODE 4.1 Allgemeines 4.2 Universal- und Richtdiode 4.3 Hochsperrende Leistungsdioden 4.4 Schaltdioden 4.5 Die /.-Diode 4.6 Kapazitätsdiode 4.7 Tunncldiode 4.8 ßackward-Diode 4.9 Schottky-Diode 4.10 Weitere Diodenformen

3 5 STABILISIERUNGSSCHALTUNG MIT Z-DIODE S-l 5.1 Grundschaltung, Graphische Schallungsanalyse 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 diffcrcnticllen Widerstandes NETZGLEICHRICHTER Gleich richte rschattungen ohne Glättimg (mit ohmschcr Last) Einweggleichrichter Zweiweggkichrichler - Mittelpunktschaltung Zweiweggleichrichter - Brückenglcichrichtcr (Gractz-Gleichrichter) Genauere Berechnung der Zweiwegglcichrichtcr Gleichrichterschaltungen mit Glättung GlälUmgsarten Berechnung des Zweiweggleichrichters mit Glättungskandcnsator Gleichrichter mit PuiTcrbatterie DREHSTROMGLEICHRICHTER Mittelpunkt-Schaltung (Halbbrücke) (3-pulsiger Gleichrichter) Drchstrom-Brückengleichrichter (6-pulsiger Gleichrichter) SPANNUNGSVERVIELFACHUNG Spannungsvcrdoppclung mit der Delonschaltung Spanmingsvcrdoppetung mit Villardschaltung Spannungsvcrviclfachung durch Kaskadierung der Villardschaltung DER BIPOLARE TRANSISTOR Aufbau und Herstellungsverfahren Funktionsweise Der Transistoreffekt Strömungsmechanismen im Transistor Einfluß der Kollektor-Basis-Spannung auf den KolleklorsLrom Schaltzeichen - Richtungspfeile für Ströme und Spannungen Transistor-Grundschaltungen Basisschaltung Emitterschaltung Kollektorschaltung Umrechnung der Stromverstärkungen Darlington- oder Supcr-Bcta-Sehaltung ARBEITSPUNKT DES BIPOLAREN TRANSISTORS / GLEICHSTROMBETRIEB Einstellung des Arbeitspunktes Einprägung des Basisstromes Einprägung der Basis-Emitter-Spannung Einstellung der Kollektor-Emitter-Spannung 10-3 II 10.2 Stabilisierung des Arbeitspunktes Anforderungen an die Stabilität des Arbeitspunktes Ursachen für Arbeitspunkt-Verschiebungen Gcgcnkopplungsmaflnahmen zur Arbeitspunkt-Stabilisierung Verfahren zur Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes einer gegebenen Schaltung Stabilisierung des Arbeitspunktes bei der Schaltungsdimensionierung Gleichstrombctrieb des bipolaren Transistors - Beispielschaltungcn Konsiantspannungsquellc Konstantstromquctre DER BIPOLARE TRANSISTOR IM WECHSELSPANNUNGSVERSTÄRKER Grundschaltung eines Wcchselspannungsvcrstärkers in Emitterschaltung Prinzipieller Aufbau und Funktion Analyse des Arbeitspunktes Wechselstromanalyse Verzerrungen und Begrenzungen des Ausgangssignales (Aussteuerungsgrenzen) Technische Realisierung n j i ] _2 ] i_ K KC-gekoppelter Wcchselspannungsverstärker in Emitterschaltung , ,6 Dimensionicrung der Schaltung Grafische Analyse des Arbeitspunktes (Gleichstrom-Analyse) Grafische Analyse des Wechselstrom-Verhaltens Berechnung der Wechselslromgrörjen Wcchselspannungsvcrstärkung bei Stramgegenkopplung Berechnung der Kondensatoren ] ] fj RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker in Kollektorschaltung Dimensionierung der Schaltung Wechselstrom-Berechnungen Bootstrapschaltung RC-gekoppelter Wcchselspannungsverstärker in Basisschaltung Die Schaltung Berechnung der Wechselstrom- Kenngrößen Obere Grenzfrequenz der Basisschaltung Vergleich der Transistor-Grundschaltungcn Transistorendstufen DER BIPOLARE TRANSISTOR ALS SCHALTER Der ideale Schalter (zum Vergleich) Die Bctriebszustände des Transistor-Schalters Ausgewählte Details aus der Halbleiter- und Transistorphysik Prinzipielle Ansteuerungsvarianten Der gesperrte Transistor ] Der leitende Transistor (ungesättigt, U C B > 0) ] Der leitende Transistor (gesättigt) Kennlinien-Arbeitsbereiche des Transistors als Schaller Das dynamische Verhalten Einschaltvorgang Der Ausscbaltvorgang Maßnahmen zur Verbesserung des Schattvcrhaltens ScrraltverLustJcistung Transistorschalter bei ohmscher, kapazitiver und induktiver Last OhmscheLast Ohmisch-induktive Ijst Ohmisch-kapaziiivc Last Transistor in digitalen Grundschaltungen III

4 13 DER FELDEFFEKTTRANSISTOR (FET) Allgemeines / Grundprinzip Sperrschicht-FET Aufbau und Wirkungsprinzip Einfluß der Kanalspannung auf die Kennlinie Steuerung über das Gate Die ikennlinicn des Sperrschicht-FHT IG-FET (isolated gate) Anreicherungstyp Verarmungstyp Kurzkanalstrukluren - Der VMOS-FET Vorteile der IG-FBT Übersicht über alle FET-Typen FET als Analogschalter Ein- und Ausschaltbcdingungen Grundschallungeines FET-Analogschalters Verbesserter FET-Analogschalter Gegentakt-FET-Analogschalter Arbeitspunkt-Einstellung - Konstantstromquelle (J -FET) J-FET-Wechsclspannungsverstärker Schaltung des J-FET-WS-Vcrstärkers Wechselstrom-Ersatzschaltbild des J-FET in Source-Schaltung Berechnung des Wechsclspannungsverslärkers CMOS-Teehnik CMOS-Inverter CMOS-NOR-Galter CMOS-NAND-Gaiter CMOS-Übertragungsgatter DER OPERATIONSVERSTÄRKER Allgemeines Anwcndungsbeispiele ohne Rückkopplung oder mit Mitkopplung Komparator Schmitt-Trigger Anwendungsbcispielc mit Gegenkopplung Invertierender Verstärker Nicht-invcrticrcndcr Verstärker Addition (mit Inversion ) Subtraktion (Differenzverstärker) Integration Differentiation Tiefpaß oder Verzögerungsglied 1. Ordnung Hochpaß Bandpaß PI-Rcgler Fehler-Rechnung Fehler durch Eingangs-Offsel-Spannung Felder durch Eingangsströme (Bias-Ströme) Fehler durch Ungleichheit der Eingangsströme (Eingangs-Oftsetstrom) Aufbau und Funktionsweise eines Operationsverstärkers Eingangsstufe Koppelstufe Ausgangsstufe Gesamtschaltung des OP SPEZIELLE SCHALTUNGSBEISPIELE MIT OPERATIONSVERSTÄRKERN Instrumentenverstärker ^5, Präzisionsgleichrichter jg_ Abtast-Halte-Glicder (Sample & Hold - Verstärker) Astabiler Multivibrator JJ.J 15.5 Fensterkomparatoren ij.g 15.6 Multivibratoren mit dem Timer Frequenz-Spannungs- und Spannungs-Frequcnz-Wandler Digital-Analog- und Analog-Digital-Umsetzer Digital-Analog-Umsetzer Analog-Üigital-Wandler DER THYRISTOR i6.i 16.1 Aufbau und Funktionsweise J D.J 16.2 Haupteinsatzgebiete ] g TRIAC 16. s 17 OPTOELEKTRISCHE BAUELEMENTE Fotowiderstand (LDR) 17.] 17.2 Fotodiode yi PN-Übergang unter lichteinwirkung Diodenbetrieb der Fotodiode Foto-PIN-Diode 17_ Foto-Lawincn-Diode (Avalanche-Fotodiode) Elementbetrieb der Fotodiode iy Solarzelle i7_g 17.3 Fototransistor j 7 _ Lumineszenz-Dioden Yl-% 17.5 Displays 7 _^ LED-Displays Flüssigkristall-Displays [7_Q 17.6 Optoelektronische Kuppler Optokoppler (geschlossen) Optokoppler-Lichtschranken Laser-Dioden Lichtwcllenleiter HALBLEITERBAUELEMENTE OHNE PN-ÜBERGANG (HOMOGENE HALBLEITERBAUELEMENTE) Heißleiter (NTC-Widerstande) lg_i 18.2 Kaltleiter (PTC-Widerstände) ls Varistoren (VDR) ]g_ Fotowiderstand (LDR) Feldplatte (M DR) 18_ Hallgenerator jg_j 18.7 Dehnungsmeßstreifen jg_ 0 IV V

5 19 GLEICHSPANNUNGSWANDLER Drosscl-Aufwärtswandlcr 19-1 A 19.2 Drossel- Abwärtswandler Drossel-lnverswandler 19-S 19.4 Einschwingvorgänge THERMISCHE PROBLEME /WÄRMEABLEITUNG Temperaturerhöhung von Bauelementen durch Wärmefreisetzung Verinstwärnie - Verlustleistung Wärmekapazität 2 -L 20.2 Wärmeableitung Der Wärmewiderstand Wärmewiderstand bei Wärmcleitung Wärmewidersland bei Konvcktion Wärmestrahlung Kühlfiäctienbercchnung Der Wämiestromkreis Berechnung des Wärmcstromkrcises Analogie thermischer und elektrischer Größen Berechnung von Temperaturen im stationären Betrieb Reduzierung der zulässigen Verlustleistung bei hoher Umgebungstemperatur Thermische Ausgleichsvorgänge 20-8 ANHANG B VIERPOLTHEORIE B.l Vicrpoigleichungen - Vierpolparametcr B. 1.1 Die Z-Parameter B.l.2 Die Y-Parameter B. 1.3 Die H-Parameter (Hybrid-Parameter) B.2 Transistor als linearer Vierpol B.2.1 Die h-parameter des Transistors B.2.2 Ermittlung der h-parameter aus den Kennlinien des Transistors B.2.3 h-parameter in Datenblättern von NF-Transistoren B 2.4 Theoretisch ermittelte Näherungswerte der Vierpolparameter des Transistors B Emitterschaltung B Basisschaltung ANHANG C LITERATURHINWEISE VERWENDETE GRÖSSENSYMBOLE UND SCHALTZEICHEN ANHANG A SCHALTUNGSANALYSE A-l A.l Grundlagen der Zweipottheorie A-l A.2 Einfache Zweipole A-2 A.2.1 Passive Zweipole A-2 A.2.2 Aktive Zweipole A-2 A2.2J Einfache Spannungsquelle A-2 A Einfache Stromquelle A-3 A Äquivalenzprinzip A-3 A.3 Ersatzvriderstand passiver Zweipole A-4 A.3.1 Berechnung bei linearen Elementen A-4 A.3.2 Gralisches Verfahren bei nichtlineareh Elementen A-4 A Reihenschaltung A-4 A Parallelschaltung A-5 A3.3 Lincarisierung von Kennlinien A-5 A.4 Ersatzschaltiuig aktiver Zweipole A-7 A.4. l Aktive Zweipole mit einer Quelle A-7 A.4.2 Aktive Zweipole mit mehreren Quellen A-S A.5 Zusammenschaltung aktiver und passiver Zwcipole A-9 A.5.1 Der lineare Grundstromkrcis A-9 A.5.2 Der nichtlineare Gmndstromkreis - Grafisches Schnittpunklverfahren A-9 A Nichtlinearer Gleichstromkreis A-9 A Stromkreis mit zeüveründerlicher Quellenspannung A-I0 A Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung (grafische Superpasition) A-lI A.5.3 Stromkreise mit bipolarem Transistor A-15 A Vier-Quadranten-Kennlinienfeld A-15 A Arbeits-Ühertragungskennlinie A-16 A Grafische Ermittlung des Arbeitspunktes A-16 A.5.3A Grafische Analyse des Wechselstromverhaltens A-ll VI