Elektronik. Für Studenten des FB WI Prof. M. Hoffmann FB ET/IT. Handout 1 Einführung in die Elektronik

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1 Elektronik Für Studenten des FB WI Prof. M. Hoffmann FB ET/IT Handout 1 Hinweis: Bei den Handouts handelt es sich um ausgewählte Schlüsselfolien und Zusammenfassungen. Die Handouts repräsentieren nicht den vollständigen Inhalt der Vorlesung.

2 Elektronik Literaturempfehlung Übersicht und Einstieg: Patrick Schnabel Die Elektronik-Fibel 7. uflage Formelsammlung: Wolfgang Böge rbeitshilfen und Formeln für das technische Studium Bd. 4 Fachbücher der Technik, Vieweg, 5. uflage 2001 Halbleiterbauelemente und analoge Schaltungstechnik Leonhard Stiny ktive elektronische Bauelemente Vieweg, 3 uflage 2015 Grundlagen der Digitaltechnik Gerd Wöstenkühler Grundlagen der Digitaltechnik Hanser, 2. uflage 2016.

3 Grundfragen Wl und Elektronik Welche physikalischen und elektrischen Gesetzmäßigkeiten sind zu berücksichtigen? Welche rbeitsmethoden/technologien müssen für die Entwicklung, den Bau, den Einsatz oder für die Vermarktung von Elektronik beherrscht werden? Welche Ressourcen stehen zur Verfügung? Welche technischen und/oder ethischen Normen sind zu berücksichtigen? Welche gesetzlichen Vorgaben sind einzuhalten? lst ein konkreter Schaltungs-, Geräte- oder nlagenentwurf in Herstellung und Betrieb sinnvoll und wirtschaftlich? Technische Betrachtungsebenen der Elektronik nalyse: Ermittlung der prinzipiellen Wirkungsweise, der Übertragungs- oder Schaltfunktion elektronischer Bauelemente, Komponenten, Geräte oder nlagen Synthese Entwurf, Berechnung, Dimensionierung Realisierung Technologischer ufbau, Herstellung, Prüfung, Instandhaltung

4 Elektronik Zweig der Wissenschaft und Technik, der sich mit der Bewegung von Ladungsträgern in einem Vakuum, Gas, [Flüssigkeit] 1, [Festkörper] 1 oder [Leiter] 1, Halbleiter, [Nichtleiter] 1 sowie den daraus resultierenden elektrischen Leitungsphänomenen und deren nwendung befasst. Ladungsträger Elektronen e - Protonen p + Ionen n +, n - Ladung Q, q q e -1 e - 1, C q p +1 e + 1, C q I ± n e mit n 1,2,3 Masse m m e 9, kg m p 1836 m e m p 1, kg m I m tom/molekül ± n m e m I m p Ruheenergie E m c 2 E e 8, J E e 0,511 MeV E p 1, J E p 0,94 GeV E I E p Elektrische Ladung Q, q: dditive, skalare Größe, die jedem Teilchen und allgemein jedem System von Teilchen zugeordnet wird, um ihre elektromagnetische Wechselwirkung zu kennzeichnen. Ladungsträger: Teilchen wie ein Elektron, Proton, Ion oder im erweiterten Sinn ein Objekt mit teilchenähnlichen Eigenschaften wie ein Loch, welche eine von Null verschiedene Ladung haben. Leitungsvorgang Stromfluss in elektrischen Leitern / Halbleitern / Nichtleitern dq I nqv dt I n q Strom Ladungsträgerdichte Ladung 1 DKE-Definition unvollständig, Quelle: Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik und Informationstechnik in DIN und VDE v t Geschwindigkeit Zeit Fläche

5 0 Phänomenologische Einteilung elektr. Leiter, Halbleiter und Nichtleiter nach dem spezifischen elektrischen Widerstand R ρ l Ωm 1Ω m 1 10 m Nichtleiter ρ 10 6 Ωm Ωmm m ρ [Ωm] spezifischer Widerstand PTFE Bernstein Polystyrol PVC, Glimmer Diamant spezifischer Leitwert σ [1/Ωm] SiO Halbleiter sowie Ionen-, Elektronen und Mischleiter mit geringer Leitfähigkeit 10-4 Ωm < ρ < 10 6 Ωm Leiter ρ 10-4 Ωm Supraleiter ρ < Ωm Glas Gallium-rsenid reinstes Wasser Silizium Polyacethylen Germanium, Meerwasser Polyacethylen (dotiert) Graphit Nikel-Chrom Blei Silber Restwiderstand von u und Cu bei 0K

6 Beispiel: Leitungsvorgang in einem Kupfer-Massivdraht ) Wie hoch ist die Driftgeschwindigkeit v d der Elektronen in einem Kupferleiter mit einem Leiterquerschnitt von 1mm 2 bei einem Stromfluss von I 1 DC? I 6 vd 73,5 10 m/s ncu qe Ladungsträgerdichte n in Kupfer n 8,5 10 1/cm 8,5 10 Elektronen/m B) Welche Zeit t benötigt ein Elektron im Mittel, um in diesem Leiter bei einem Stromfluss von I 1 DC eine Strecke von l 1m zurück zu legen? l t Sekunden v d C) Wie groß ist der Spannungsabfall U über einem Leiterabschnitt der Länge l 1m bei einem Leiterquerschnitt von 1mm 2 und einem Stromfluss von I 1 DC? Spezifischer Widerstand ρ von Kupfer I ρcu l ρcu 17,9 10 Ω mm /m U 17,9 10 V d) Wie groß ist der elektrische Widerstand R eines Leiterabschnitts der Länge l 1m bei einem Leiterquerschnitt von 1mm 2? ρ l R 17,9 10 Cu 3 Ω Cu Ladung q Ladung der Elektronen Elementarladung e 19 q e 1, 6 10 s