Der Elektrik-Trick für die Oberstufe

Transkript

1 1. Halbleiter 1.1 Was sind eigentlich Halbleiter Halbleiter sind Festkörper, die sich abhängig von ihrem Zustand als Leiter oder als Nichtleiter verhalten können. Halbleiterwerkstoffe HauptsächlicheAnwendung Si Silizium Dioden, Transistoren, Integrierte Schalt., Solarzellen Ge Germanium Hochfrequenz-Transistoren GaAs Galliumarsenid Leuchtdioden, Laser, Hochfrequenztransistoren InSb Indiumantimonid InAs Indiumarsenid Hallgeneratoren CdS Cadmiumsulfid Fotowiderstände, Solarzellen SiC Siliziumcarbid Leuchtdioden Das wichtigste Halbleitermaterial ist Silizium. Halbleitermaterialien müssen extrem rein sein. (ca. 1 Fremdatom auf 10 9 Halbleiteratome.) Bei extrem niedrigen Temperaturen ist Silizium ein Isolator. Jedes Atom hat 4 Elektronen, die mit den Elektronen der 4 Nachbarn eine feste Doppelbindung bilden. Bei Erwärmung brechen diese Bindungen teilweise auf, es stehen freie Elektronen zur Verfügung. Sie hinterlassen ein Loch, das man sich wie eine positive Ladung vorstellen kann. (Es fehlt ja ein Elektron.) Elektronen und Löcher stehen für einen Ladungstransport zur Verfügung und sind im elektrischen Feld beweglich. Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 1

2 1.2 Dotierte Halbleiter Zur Herstellung von elektronischen Komponenten werden Kristalle benötigt, die einen Elektronenüberschuss (n-dotiert) oder einen Löcherüberschuss (=Elektronenmangel, p- dotiert) haben. Diese Materialeigenschaften erhält man durch gezielten Einbau von Fremdatomen in das Kristallgitter. p-dotierung Es werden einzelne Siliziumatome durch Atome eines Materials ersetzt, dass weniger als 4 Valenzelektronen enthält. Es entsteht ein zusätzliches Loch für jedes Fremdatom, ein positiver Ladungsträger. Materialien: Bor 1 n-dotierung Es werden Atome mit zusätzlichen Elektronen in den Kristall eingebaut, so dass ein Elektronenüberschuß entsteht. Materialien: Phosphor, Arsen (!!!!!!) Filmlink: 1 Abbildungen: Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 2

3 1.3 Die Halbleiterdiode Die Halbleiterdiode ist das einfachste elektronische Bauelement. Es besteht lediglich aus einer n-dotierten und einer p-dotierten Zone PN-Übergang in Durchlassrichtung Eine äußere Gleichspannung wird so angelegt, dass der Pluspol am P-Gebiet und der Minuspol am N-Gebiet liegt. Von der Spannung werden die Elektronen im N-Gebiet und die Löcher im P- Gebiet in Richtung Sperrschicht und darüber hinaus getrieben, wo sie rekombinieren. Da die Spannungsquelle ständig Ladungsträger nachliefert, fließt ein Strom. Bildquelle: Leonhard Stiny: Grundwissen Elektrotechnik, Franzis-Verlag Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 3

4 1.3.2 PN-Übergang in Sperrrichtung Freie Elektronen im N-Gebiet wandern in Richtung Pluspol und die Löcher in Richtung Minuspol. Die Grenzschicht verarmt noch stärker an freien Ladungsträgern. Die ursprüngliche Sperrschicht wird noch breiter, der Widerstand höher. Ab einer gewissen Sperrspannung kommt es zum Durchbruch, d.h. der Strom steigt plötzlich stark an. (Zener- oder Lawinendurchbruch) Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 4

5 1.3.3 Die reale (Kleinsignal-)Diode Der Flussstrom liegt zunächst deutlich unter 1 ma, ab der Knickspannung (0,6.. 0,7 V bei Si, 0,3..0,4 V bei Ge) erfolgt dann ein rascher Anstieg. Der maximale Flussstrom liegt bei Kleinsignaldioden meist zwischen 100 ma und einigen A. Darüber wird die Diode thermisch überlastet. Der Sperrstrom liegt in der Größenordnung von einigen na. Die Durchbruchspannung liegt typischerweise bei ca. 100V Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 5

6 1.4 Ermittlung von Diodenstrom und -spannung Gleichung 1: R I D + U d = U SS (Maschenregel) Gleichung 2: Diodenkennlinie Die Gradengleichung wird in das Diagramm mit der Diodenkennlinie eingetragen. I D = 0 => U D = U SS = 2V U D = 0 => I D = U SS / R = 2 ma Der Schnittpunkt ist der Arbeitspunkt. Arbeitspunkt: U D = 0,7 V, I D = 1,3 ma Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 6

7 1.5 Diodentypen Unterscheidungskriterien: Material (Si, Ge (heute kaum noch), GaAs) Funktionsprinzip (z.b. Zenerdiode, Kapazitätsdiode) Anwendung (z.b. Universal-, Schalter-, Abstimmdiode) Photodiode Der Strom durch einer in Sperrrichtung betriebenen Diode steigt mit der Beleuchtungsstärke der Sperrschicht an. Lumineszensdiode Leuchtdioden (LED) werden aus Gallium-Arsenid-Phosphid- Verbindungen hergestellt. Bei Betrieb in Durchlassrichtung senden sie eine Strahlung aus. Es sind Dioden für rotes, gelbes, grünes, infrarotes und auch für blaues Licht lieferbar. Zur Strombegrenzung müssen LEDs immer mit einem Vorwiderstand oder einer Konstantstromquelle betrieben werden. Die zulässige Sperrspannung liegt sehr niedrig (3V.. 6V), so dass bei Verpolung eine Zerstörung droht. Film: Tutorial LED: Kapazitätsdiode Eine in Sperrrichtung betriebene Diode kann technisch als Kondensator verwendet werden, dessen Kapazität mit der Sperrschicht geändert werden kann. Anwendung: Empfänger und automatische Scharfabstimmung in Radios und Fernsehern. Schottkydiode Schottky-Dioden enthalten keinen PN-Übergang. Eine Metallfläche ist direkt mit einem N-Halbleitermaterial (Si) verbunden. Bereits bei einer Durchlassspannung von ca. 0,35 V erfolgt ein steiler Stromanstieg. (PN-Diode: 0,6.. 0,7 V) Die gespeicherte Ladung ist sehr klein, so dass Schottky-Dioden für sehr schnelle Schalter (< 1 ns) und hohe Frequenzen (> 15 GHz) eingesetzt werden können. Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 7

8 Zenerdiode Eine Zenerdiode wird im Durchbruchbereich betrieben. Zenerdioden sollten im Durchbruchbereich eine möglichst vertikale Kennlinie haben, d.h. die Spannung sollte unabhängig vom Strom sein. Zenerdioden sind mit verschiedenen Durchbruchspannungen lieferbar, z.b. 3,3V / 6,8V / 12 V / 15 V 5% Anwendung: Spannungsstabilisierung, Überspannungssicherung 1.6 Anwendung von Dioden Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 8

9 Film zu Z-Dioden: Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 9

10 Halbwellengleichrichter Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 10

11 Vollweggleichrichter Nachteil: Es ist ein Transformator mit Mittelanzapfung notwendig! Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 11

12 Brückengleichrichter Freilaufdiode Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 12

13 1.7 Aufgaben zu Halbleiterdioden Aufgabe I Zeichnen Sie eine Schaltung mit einem Brückengleichrichter (Trafo, Gleichrichter, Lastwiderstand) und skizzieren Sie den Stromfluss in der positiven und der negativen Halbwelle der Eingangsspannung. Aufgabe II In einer Reihenschaltung aus zwei Glühlampen, zwei Schaltern und einer 6V-Wechselspannungsquelle sind die Lampen und Schalter wie in der Abbildung zu sehen mit Dioden überbrückt. Geben Sie an, welche Lampe(n) für alle 4 möglichen Kombinationen der Schalterstellungen leuchtet/leuchten und skizzieren Sie den Stromfluß auf einem Extrablatt. S1 S2 L1 L2 1 offen offen 2 offen geschlossen 3 geschlossen offen 4 geschlossen geschlossen Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 13

14 Aufgabe III: An die Eingänge A und B sollen über Umschalter entweder 5V oder 0V angelegt werden können. Erstellen Sie für beide Schaltungen eine Tabelle für die Signale A, B, X. Aufgabe IV: Leuchtdiode a. Welche Vorteile bieten LEDs gegenüber Glühlampen? b. Eine Leuchtdiode soll über einen Vorwiderstand an eine Batterie angeschlossen werden. Zeichnen Sie die Schaltung mit der richtigen Polarität der Bauteile. c. Die Leuchtdiode hat eine Schwellspannung von 1,6 V. Welcher Vorwiderstand ist nötig, wenn ein Strom von 12mA bei einer Batteriespannung von 4,8V durch die Diode fließen soll? Aufgabe V: Kennlinie Für den Durchlassbereich von D1 und D2 wurde die oben abgebildete Kennlinie ermittelt. Das Strommessgerät zeigt 30mA an. a. Wie groß ist der Strom durch D1 und D2? b. Berechnen Sie die Spannung die an R1 abfällt und dessen Widerstand. c. Berechnen Sie den Widerstand der beiden Dioden für den gegebenen Arbeitspunkt. Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 14

15 Aufgabe VI: Welche Lampe leuchtet? Aufgabe VII: Zenerdiode Gegeben: U 0 = 20 V U z = 6,8 V P zmax = 1 W R 2 = 200Ω a. Wie groß ist der maximal zulässige Strom durch die Diode? (147 ma) b. Wie groß sind die Ströme I1 und I2 bei einem Kurzschluss oder bei Leerlauf am Ausgang? c. Bestimmen Sie R v, so dass die Zenerdiode niemals überlastet wird. (90 Ω) Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 15

16 1.8 Transistoren Bis in die 1950er Jahre war die Vakuumröhre für alle Verstärker und (die meisten) Gleichrichter alternativlos. Ende der 1940er Jahre führte jedoch die Forschung an Halbleitermaterialien zum ersten funktionsfähigen Transistor, einem zuverlässigen, kleinen und energiesparenden Schalter und Verstärker. Film zur Einführung aus der Reihe Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik : Der Bipolartransistor Der Name Bipolartransistor rührt daher, dass am Stromfluss beide Ladungsträger beteiligt sind, d.h. sowohl Elektronen, als auch Löcher. Ein Bipolartransistor ist aus 3 Schichten aufgebaut, wobei die beiden äußeren die gleiche Dotierung haben und die mittlere die entgegengesetzte. Je nach Dotierung unterscheidet man NPN und PNP-Transistoren. Die drei Anschlüsse haben die Namen Emitter, Basis und Kollektor. NPN-Transistor PNP-Transistor Quelle: wikipedia.de Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 16

17 Film zur Funktionsweise des NPN-Transistors: Film zu den Kennlinien eines Transistors: (!!!) Datenblatt des Kleinleistungstransistors BC548: Der Transistor in Leifi-Physik: Aufbau von Transistoren Quelle:wikipedia.de Arbeitsauftrag: Bearbeiten Sie die Musteraufgaben aus Leifi-Physik. Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 17

18 1.8.2 Betriebszustände des Bipolartransistors I. Aktiver Bereich (I C = β I B ) Im aktiven Bereich leitet die BE-Diode und die CB-Diode sperrt. Der Transistor arbeitet dann als Stromverstärker: Der Basisstrom wird um den Faktor b verstärkt am Kollektor wiedergegeben (typ.: b = 100). Anwendung: Stromverstärker II. Sättigung (I C < β I B ) In der Sättigung beginnt die BC-Diode zu leiten und die Stromverstärkung verringert sich. Zwischen Kollektor und Emitter liegt dann eine Sättigungsspannung von typ. 0,2V. Anwendung: Schalter im Zustand AN III. Cut-Off (I C = I B = 0) Im Cutoff-Bereich sperren beide Dioden. Es fließt kein Basisstrom und daher auch kein Kollektorstrom. Anwendung: Schalter, Zustand AUS. Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 18

19 1.8.3 Grafische Arbeitspunktbestimmung beim Bipolartransistors Beispiel Kleinsignalverstärker: Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 19

20 Eingangskreis:

21 Ausgangskreis:

22 Nichtlineare Verzerrungen: Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 22

23 Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 23

24 Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 24

25 Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 25

26 Der Elektrik-Trick für die Oberstufe Der Feldeffekttransistor Sperrschicht-FET (Junction-FET/JFET) Leitender Kanal aus n-dotiertem Halbleiter. An beiden Enden des Kanals Anschlüsse (Drain, Source) Entlang des Kanals p-dotierter Halbleiter mit Gate-Anschluß Sperrspannung am pn-übergang bewirkt nichtleitende Raumladungszone, die den Kanal einschnürt Steuerung der Kanalbreite durch UGS Kanalverengung für UDS > 0 Eine genauere Betrachtung der Feldeffekttransistoren befindet sich bei den MOS-FET, die heute eine dominierende Rolle spielen. Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 26

27 MOS-FET (Metall-Oxid-Silizium) Für alle Feldeffekttransistoren gilt: I G = 0 I S = I D Filme zu selbstsperrenden MOS-Fets: Funktionsweise: MOSFET als Schalter: (englisch) Herstellung Halbleiter-Chip: Selbstleitend Depletion-Typ Selbstsperrend Enhacement-Typ Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 27

28 Vergleich von n-kanal-fets Schaltsymbole Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 28

29 6.3.3 Vergleich FET <=> Bipolartransistor Elektrotechnik für die ETA-Oberstufe 29