Grundlagen Elektronik

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1 Grundlagen Elektronik Halbleiter Aufbau und Eigenschaften von Silizium Herstellung eines Halbleiters 1. Diode Der PN-Übergang & Die Diffusionsspannung Eigenschaften einer Halbleiterdiode Erklärung der Dioden-Kennlinie Beispiel einer Gleichrichterschaltung Eigenschaften der Z-Diode 2. Bipolarer Transistor Aufbau und Wirkungsweise Vergleich: Transistor & Röhre o Aufbau einer Röhre o Funktionsweise und Eigenschaften einer Röhre Transistoreffekt bei NPN & PNP Transistoren Transistor als Schalter & Verstärker Beispiel einer Temperaturstabilisierung Kennlinien einer Verstärkerschaltung Verstärkungsfaktor Elektrischer Schwingkreis Eigenschaften von Spule & Kondensator -Phasenverschiebung Erklärung des Parallelschwingkreis Entstehung der Schwingung Berechnung der Resonanzfrequenz und der Kreisgüte Phasenrichtige Rück-bzw. Mitkopplung Beispiel: Meißner-Oszillator-Schaltung

2 Halbleiter Was ist ein Halbleiter? Unter einem Halbleiter versteht man ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Metalls und der eines Isolators liegt. Das Bedeutet, dass ein Halbleiter in reiner Form keine freien Elektronen hat, und somit ein Isolator ist. Erst durch zuführen von Energie (z.b. Wärme oder Licht) kann die Eigenleitfähigkeit gesteigert werden. Halbleiter sind z.b. Silizium, Germanium, Gallium, etc. Beispiel: Silizium Reines Silizium ist Kristallförmig und ein Isolator. Alle 4 Valenzelektronen sind im Kristallgitter gebunden. Herstellung eines Halbleiters: Vom Sand zum Silizium Das Ausgangsmaterial für Silizium ist Quarzsand, mit der chemischen Formel SiO2. Durch Reduktion mit Kohlenstoff wird das Silizium bis zu einem Reinheitsgrad von ca. 98% gereinigt: Um noch reineres Silizium zu erhalten, wird das Silizium in das gasförmige Siliziumtetrachlorid überführt. Anschließend wird das Siliziumtetrachlorid mit Wasserstoff wieder reduziert, so dass man am Ende hochreines Silizium hat, das nun granulatartig mit einem Reinheitsgrad von nahezu 100% vorliegt. Als Abfallprodukte bleiben Salze übrig, welche die Verunreinigungen des Siliziums enthalten.

3 Dotierung von Silizium Da reines Silizium ein Isolator ist, muss es gezielt mit Fremdatomen verunreinigt werden um eine Elektrische Leitfähigkeit zu erwirken. Dieser Vorgang wird Dotieren genannt. Es gibt P-und N-dotierte Halbleiter. P-Halbleiter werden mit einem Stoff mit geringerer Wertigkeit dotiert, N-Halbleiter dagegen mit einem Stoff mit höherer Wertigkeit (Wertigkeit = freie Elektronen) Die Stellen, an denen Fremdatome in das Kristallgitter eingebunden sind, werden allgemein als Störstellen bezeichnet. N-Silizium: Bei N-dotiertem Silizium wird ein 5-wertiger Stoff in die Gitterstruktur des Halbleiters eingefügt (z.b. Phosphor). Diese Stellen werden allgemein als Donatoren bezeichnet. Da nur 4 Elektronen des Phosphors für die Bindungen im Gitter benötigt werden, bleibt somit ein freies Elektron übrig (negativer Ladungsträger). P-Silizium:

4 Bei P-dotiertem Silizium wird ein 3-wertiger Stoff in die Gitterstruktur des Halbleiters eingefügt (z.b. Aluminium oder Bor). Diese Stellen werden allgemein als Akzeptoren bezeichnet. Da nur 3 der 4 für die Bindung benötigten Elektronen vorhanden sind, entsteht ein so genanntes positives Loch (freier Platz für ein Elektron oder auch als positiver Ladungsträger bezeichnet). P-oder N-dotierte Halbleiter haben also frei Elektronen bzw. können freie Elektronen aufnehmen, somit kann ein Strom durch den Halbleiter fließen. Man Spricht hierbei auch von einer Störstellenleitfähigkeit.

5 Halbleiter Diode Was macht eine Diode? Eine Diode ist ein elektrisches Bauteil, welches den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt. Somit gibt es also ein Sperrrichtung und eine Durchlassrichtung. Aufbau einer Diode: Der PN-Übergang Eine Diode besteht aus 2 Hälften. Einer P-und einer N-dotierten. Beim Zusammenfügen der beiden Hälften kommt es an der Kontaktstelle zu Diffusionsströme zischen den beiden Hälften. Elektronen aus dem N-dotierten Teil wandern in den P-dotierten Teil.

6 Die Diffusionsspannung Da Elektronen aus dem n-dotierten Teil in den P-dotierten Teil wandern, entsteht in der N-Hälfte eine positive Ladung (positiv geladene Donatoren). Auf der anderen Seite entsteht eine negative Ladung, da dort die Elektronen aufgenommen werden (negativ geladene Akzeptoren). Es entsteht eine Raumladungszone (RLZ) zwischen den beiden Halbleitern. Die RLZ wird auch als Sperrschicht bezeichnet und ist ca. 1/1000 mm dick. Da beide Hälften eine unterschiedliche Spannung (Diffusionsspannung) haben, entsteht ein Elektrisches Feld. Die Größe der Diffusionsspannung hängt vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Ud -Silizium ca. 0,6 bis 0,7V Ud -Germanium ca 0,2 bis 0,4V

7 Der PN-Übergang In Durchlassrichtung Der Pluspol der Stromquelle saugt Elektronen aus der Sperrschicht ab, der Minuspol "presst" Elektronen in die n-schicht. Ab der Durchbruchspannung (Schleusenspannung), welche so groß ist wie die Diffusionsspannung, ist die Sperrschicht vollständig aufgelöst. Elektronen wandern dann vom n-anschluss in Rekombinationssprüngen durch die N-und P-Schicht zum P-Anschluss der Diode. Der elektrische Widerstand der Diode hat sich dabei verringert. Die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet. In Sperrrichtung Der Pluspol der Stromquelle saugt einige Elektronen aus der n-schicht ab und der Minuspol der Stromquelle "presst" gleichzeitig einige Elektronen in die p-schicht, die in Rekombinationssprüngen zur Sperrschicht wandern (Sogwirkung des Pluspols) und die Sperrschicht noch weiter verbreitern. Der elektrische Widerstand der Diode hat sich dadurch vergrößert. Die Diode ist in Sperr-Richtung geschaltet.

8 Diodenkennlinie Die Spannung, bei welcher der Vorwärtsstrom merklich anzeigen beginnt, wird Schleusenspannung genannt. Die Schleusenspannung Us ist zur Überwindung der Diffusionsspannung nötig. Statischer Durchlasswiderstand (RF) Dieser Widerstand der Diode ist nicht konstant, sondern hängt vom gewählten Arbeitspunkt ab. Oberhalb von Us ist RF sehr klein œ unterhalb ist RF bereist sehr groß. Dynamischer Durchlasswiderstand (rf) Der Dynamische Durchlasswiderstand lässt sich aus der Stromstärke IF infolge einer Spannungserhöhung UF für einen bestimmten Arbeitspunkt ermitteln.

9 Beispiel: Doppelweg-Gleichrichter

10 Zener-Diode Die Z-Diode (Zener-Diode) ist eine Silizium-Halbleiterdiode, die in Sperrrichtung betrieben wird. In Durchlassrichtung arbeitet sie wie eine normale Diode. Ab einem bestimmten Spannungswert, der Zenerspannung, wird die Z-Diode (in Sperrrichtung!) niederohmig. Die Zenerspannung kann bei der Herstellung durch die Dotierung des Silizium-Kristalls im Bereich 2 bis 600V festgelegt werden. Diodenkennlinie Ab der Zenerspannung nimmt der Strom Iz schlagartig zu. Der so genannte Zenereffekt wird durch das elektrische Feld ausgelöst, dass ab einer bestimmten Größe zur Herauslösung der Elektronen aus ihren Kristallbindungen führt. Die Elektronen führen zur Bildung des Stromes Iz. Die Ladungsträger, die durch den Zenereffekt frei wurden, werden durch das elektrische Feld sehr stark beschleunigt. Dies führt dazu, dass weitere Elektronen aus ihren Kristallbindungen herausgestoßen werden. Die Sperrschicht wird mit freien Ladungsträgern überschwemmt. Dies nennt man Lawineneffekt.

11 Spannungsstabilisierung Über den Vorwiderstand Rv wird der maximale Strom bestimmt, der durch die Z-Diode, bei Nichtbelastung fließen darf.

12 Bipolarer Transistor Aufbau und Wirkungsweise Ein Bipolarer Transistor besteht aus 3 dotierten Siliziumteilen (NPN oder PNP) und 3 Anschlüssen (Basis, Kollektor & Emitter). An den Verbindungsstellen der unterschiedlich dotierten Halbleiterteile entstehen (wie bei der Diode) Sperrschichten. Der NPN Transistor wird mit einer positiven Basisspannung gesteuert, der PNP dagegen mit einer negativen.

13 Vergleich: Transistor & Röhre Aufbau einer Röhre (Röhrentriode) Legt man nun an das Gitter eine im Vergleich zur Glühwendel negative Spannung an, wird mit zunehmend negativer werdender Spannung der Strom durch die Röhre immer kleiner, bis der Stromfluss aufhört. Denn genauso, wie Elektronen von einem positiven Potential angezogen werden, werden sie von einem negativen Potential abgestoßen. Bei einer Röhrentriode kann man mit einer geringen Spannungsänderung am Gitter eine relativ große Stromänderung durch die Röhre bewirken. Die Röhrentriode wirkt daher als Verstärker.

14 Nachteile gegenüber dem Transistor Heizung erforderlich Betrieb erst nach Warmlauf möglich (Aufheizphase der Katode) Röhren verschleißen und müssen ausgetauscht werden Erschütterungsempfindlichkeit Hohe Verlustleistung Kennlinienverlauf deutlich schlechter als bei Transistoren Die Kennlinien ändern sich über die Lebensdauer Hochspannung zum Betrieb erforderlich Leistungsverstärker benötigen Anpasstransformator im Signalpfad mit all' seinen Nachteilen Großer Platzbedarf Im Vergleich zu Transistoren extrem hoher Preis

15 Transistoreffekt

16 Die mittlere Basisschicht des Transistors ist extrem dünn gebaut. Folglich ist besonders die obere BC-Diode dem Ansturm der vom Emitter aus vordringenden Elektronen nicht gewachsen und wird gewissermaßen "überrannt" (Elektronen diffundieren durch die in Sperr-Richtung liegende obere Sperrschicht des Transistors). Der Pluspol der Stromquelle des Laststromkreises übt eine große Sogwirkung auf diese Elektronen aus und saugt diese (durch die Glühlampe L hindurch) ab. Elektronen wandern dann in der Minusleitung als ständig freie Elektronen zur Emitter-Schicht, von dort aus als kurzzeitig freie Elektronen in Rekombinationssprüngen zum Basisanschluss und dann entweder als ständig freie Elektronen durch den Widerstand R zum Pluspol der Stromquelle des Steuerstromkreises, oder zum größeren Teil ab der Basisschicht weiter in Rekombinationssprüngen zum Kollektoranschluss und dann als ständig freie Elektronen über die Lampe L zum Pluspol der Stromquelle des Laststromkreises.

17 Transistor: Einsatzmöglichkeiten

18 Verstärker Beispiel: Emitterschaltung

19 Transistor: Verstärker

20 Vierquadranten-Kennlinie Verstärkungsfaktor: Anhand des Verstärkungsfaktors kann man z.b. für einen bestimmten Basisstrom den entsprechenden Kollektorstrom ausrechnen.

21 Elektrischer Schwingkreis Eigenschaften von Spule & Kondensator Kondensator = Strom vor Spannung Spule = Spannung vor Strom Strom und Spannung sind jeweils +/-90 phasenverschoben! Schaltet man nun Spule und Kondensator zusammen so fängt die Schaltung an zu schwingen. Beispiel: Parallelschwingkreis Kondensator ist geladen. Schalter wird umgelegt. Kondensator entlädt sich über Spule. Spule baut ein Magnetfeld auf. (so lange ein Strom fließt) Sobald der Kondensator leer fließt kein Strom mehr und das Magnetfeld der Spule bricht zusammen. Dadurch wird in der Spule eine Spannung induziert, welche entgegen der Ursache gerichtet ist. (andere Polung) Durch die induzierte Spannung der Spule wir der Kondensator wieder aufgeladen. Ist das Magnetfeld zusammengebrochen, beginnt der Kreislauf erneut.

22 Da Spule und Kondensator einen gewissen Widerstand haben, schwingt die Schaltung nur kurze Zeit! Resonanzfrequenz Kreisgüte Eigenfrequenz der Schaltung Die Breite f des Minimums bzw. Maximums der Bei f0 sehr niederohmig! Resonanzkurve in der Umgebung der Resonanzfrequenz f0 wird durch den Ohmschen Widerstand verursacht. (70% von f0)

23 Meißner-Oszillator Schwingungsbedingungen Damit ein Oszillator auch mit den Verlusten der Bauteile weiter schwingen kann, muss das Signal verstärkt werden. Das geschieht meist durch Rück-bzw. Mitkopplung. Dabei wird ein Teil der Ausgangsspannung um 180 phasenverschoben zum Eingang zurück geleitet. Dies wird beim Meißner-Oszillator mit einem Trafo (induktiv) realisiert. Aufbau des Meißner-Oszillators Erklärung: R1 & R2: Vorspannung für den Transistor (Einstellung der Verstärkung) C1 & Trafo (als Spule): Für die Schwingung verantwortlich Trafo (an Basis): Für die Mitkopplung verantwortlich C2: Gleichstromentkopplung R3 & C3: Arbeitspunkt-Stabilisierung

24 Prinzip der Verstärkung (Ausgleich der Verluste) Mit dem Spannungsteiler R1 & R2 wird die Verstärkung des in die Spule induzierten Stromes im Transistor eingestellt. In die Spule wird immer dann ein Strom induziert, wenn in der Spule im Schwingkreis ein Stromfluss vorhanden ist. Dabei verstärkt der Transistor allerdings nur Stromflüsse vom oberen Ende zum unteren Ende der Spulen, so dass über den Transistor immer dann ein Strom in den Schwingkreis fließt, wenn in diesem ein Strom von der Spule über die transistorseitige Verbindung zum Kondensator fließt. Das hat die Wirkung, dass immer zum richtigen Zeitpunkt dem Schwingkreis Energie zugeführt wird, um die Verluste auszugleichen. Quellen Internet: Halbleiter: Bauteile: Schwingkreis: Unterrichtsmaterial der Robert Bosch Schule (RFT)