Kapitel 7 Halbleiter/Bauelemente

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1 Kapitel 7 Halbleiter/Bauelemente

2 Bändermodel, Durch Wechselwirkung der Elektronen über mehrere Atomabstände kommt es zur Ausbildung von Energiebändern (vgl. diskrete Energien Bohr sche Atommodell) Valenzband=leicht gebunden, können eher von einem Atom zu anderen Bei T=0K ist nur das Valenzband besetzt

3 Fundamentals/Bändermodell Bänder können überlappen oder getrennt (Bandlücke) verlaufen Bandlücke Metalle=0 Isolatoren>3eV Halbleiter~0,5-1eV (InAs ~0,4eV, Ge~0,7eV, Si~1,1eV,Diamant ~5,5eV) Wenn E> Bandlücke: Leitung durch Elektronen (Leitungsband) und Löcher (Valenzband), Rekombination= Photon oder Phonon

4 Bändermodel, direkte und indirekte Halbleiter Zwei Arten von Halbleiter: (Elektronen werden als Materiewellen beschrieben mit Quasiimpuls) Direkt QImpuls der Elektronen in Valenz und Leitungsband gleich Indirekt - tja, was wohl, benötigt Phonon (Gitterschwingung) g) + Energie

5 Halbleiterelemente Elementare Halbleiter Ge, Si, α-sn, C (Fullerene), B, Se, Te Unter Druck: Bi, Ca, Sr, Ba, Yb, P, S, I Verbindungshalbleiter III-V: GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, AlN, InN, Al x Ga 1-x As II-VI: ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, Hg(1- x)cd(x)te, BeSe, BeTe, HgS Organische Halbleiter Tetracen, Pentacen, Phthalocyanine, Polythiophene, PTCDA, MePTCDI, Chinacridon, Acridon, Indanthron, Flavanthron, Perinon Mischsysteme: Polyvinylcarbazol, TCNQ Komplexe III-VI: GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe, InTe I-III-VI: CuInSe 2, CuInGaSe 2, CuInS 2, CuInGaS 2 SiC

6 Dotierung: Veränderung des elektrischen Verhaltens durch das Einbringen i von Fremdatomen N-Dotierung: Einbringen von Atomen, die ein Elektron mehr im Valenzband haben (kann leicht rausgelöst werden) Donator Elektronenleitung/n-Leitung Mehr Elektronen=n-dotiert P-Dotierung: Ein Elektron weniger im Valenzband = Loch Akzeptor Löcherleitung/P-Leitung P-dotiert Normale Dotierung: n-leitend: 1 Donator auf 10 7 Si-Atome p-leitend: 1 Akzeptor auf 10 6 Si-Atome Starke Dotierung: n-leitend: 1 Donator auf 10 4 Si-Atome (n+) p-leitend: 1 Akzeptor auf 10 4 Si-Atome (p+)

7 Dotierung

8 Übergänge p-n Übergang (p-dotiert, n-dotiert) Schottkyübergang (dotiert, Metall) Heteroübergang (mix von Halbleitern) p-n WICHTIG FÜR UNS Übergang

9 p-n Übergang: Übergang zwischen Bereichen unterschiedlicher Dotierung Diffusion und Rekombination Ferminiveau auf gleicher Energie E-Feld Raumladungszone= Sperrschicht E-feld = Diffusionsspannung, bei Si ~0,7V, Energie nötig um Spannung zu überwinden

10 p-n Übergang - + Bei Anlegung einer aüßeren Spannung wird die Sperrschicht vergrößert - + = kein Stromfluss - + Oder abgebaut + - = Stromfluss

11 p-n Übergang - + Weite der Sperrschicht: Anwendungen: Diode, Transistor

12 Diode Schaltzeichen Mechanisches Equivalent: Mechanisches Equivalent: Rückschlagventil

13 Aufbau einer Diode/Kenngrößen Spannung an Diode in Durchlassrichtung: U D (Flussspannung) Strom durch Diode in Durchlassrichtung: I D Sättigungssperrstrom: I S Diffusionsstrom: I D, D Leckstrom: I D, R Leck-Sättigungssperrstrom: I S, R Durchbruchstrom: I D, BR Emissionskoeffizient: n Temperaturspannung: U T Bahnwiderstand: R B Differentieller Widerstand: r D Arbeitspunkt: A oder AP Diodenkapazität: C D Sperrschichtkapazität: C S Diffusionskapazität: C D, D

14 Statisches Verhalten Shockley-Gleichung Sättigungssperrstrom: I S = A Emissionskoeffizient: n~1-2 Temperaturspannung:

15 Gleichrichterdiode

16 Zener Diode Lawinen Durchbruch

17 Transistor Einfachste Vorstellung zwei Dioden Zwei Arten npn/pnp

18 Transistor Bipolartransistor Feldeffekttransistor Unipolartransistor Steuerung durch Spannung Leistungslos

19 Transistor - Kennlinienfeld

20 Transistor Berechnung Gleichstromverstärkung B (h FE ) und differentielle Stromverstärkung tä β (h fe ) Näherung h FE =h fe (Datenblatt) tt) U A =Early Spannung~30-100V B~ Arbeitsbereich

21 Transistor Schaltungen

22 Emitterschaltung Invertierung des Eingangssignals (entspricht Phasendrehung um 180 ) Stromverstärkung hoch Spannungsverstärkung hoch Leistungsverstärkung ca , etwa Spannungsverstärkung Stromverstärkung Eingangswiderstand: 500 Ω 2 kω Ausgangswiderstand: kω bzw. etwa gleich dem Arbeitswiderstand R3 verzerrungsarme Verstärkung nur für sehr kleine Eingangsspannungen: wenn C3 vorhanden <0, V, ansonsten abhängig vom Verhältnis R 3 /R 4

23 Kollektorschaltung Nicht-invertierend Spannungsverstärkung nahezu 1 Stromverstärkung hoch Leistungsverstärkung tä nahezu gleich der Stromverstärkung Eingangswiderstand groß: 3kΩ 1 MΩ (Lastwiderstand Stromverst ärkung) Ausgangswiderstand klein: Ω verzerrungsfreie Übertragung g für Eingangsspannungen bis zur Versorgungsspannung

24 Basisschaltung Nicht-invertierend Stromverstärkung ggeringfügig g unter 1 Spannungsverstärkung hoch Leistungsverstärkung ca => Spannungsverstärkung Spannungsverstärkung 5 % bis 10 % größer als bei der Emitterschaltung Eingangswiderstand klein: Ω Ausgangswiderstand groß: 100 kω 1 MΩ höhere Grenzfrequenz durch geringere Rückwirkung verzerrungsfreie Verstärkung für Eingangsspannungen bis zu einem Zehntel der Versorgungsspannung

25 Bevor wir zum Operationsverstärker kommen

26 Ersatzvierpole Für lineare Netzwerke (keine Dioden/Quellen)

27 Ersatzvierpole Für lineare Netzwerke (keine Dioden/Quellen) Galvanische Verbindung

28 Ersatzvierpole Beispiel

29 Operationsverstärker Invertierender und nicht- invertierender Eingang Benutzt für Verstärker und Logikschaltungen Äußere Beschaltung wichtig Eingangswiderstand unendlich hoch, Ausgangswiderstand null. Geradeausverstärkung unendlich hoch und frequenzunabhängig. gg Alle Offset-Spannungen und Leckströme sind null. Keinerlei Rauschen und eine unendlich hohe Anstiegsrate

30 Operationsverstärker - OpAmp U A >0 für U 2 >U 1 ideal Ersatzvierpol real

31 Operationsverstärker OpAmp -ideal Ersatzvierpol ideal U E U E

32 Berechnen.ideal U E UE

33 OpAmp invertierender Verstärker U 1 wird verstärkt!!! Stabiler Punkt U E =0 K auf Masse Gegenkopplung Maschen

34 OpAmp nichtinvertierender Verstärker U 1 wird verstärkt!!! Stabiler Punkt U E =0 Gegenkopplung Spannungsfolger U 1 =U A, v=1 U 1 unbelastet R E 8 ideale Spannungsquelle

35 Addierer

36 Diff.verstärker/Subtrahierer

37 integrierer

38 Differentiator