Prüfung Elektronik 1

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1 Prof. Dr.-Ing. J. Siegl 01. Februar 2007 Georg Simon Ohm Fachhochschule Nürnberg FB Elektrotechnik-Feinwerktechnik-Informationstechnik; Vorname: Unterschrift Name: Matrikelnummer: Prüfung Elektronik 1 Semester EI3; Bearbeitungsdauer: 90 Minuten; Hilfsmittel: 3 Seiten selbsterstellte Unterlagen, Taschenrechner; 12 Aufgabenseiten Ein Transistor als Bauelement zieht 100mA Kollektorstrom bei einer Kollektor-Emitter- Spannung von 20V. Das Bauelement weist einen thermischen Übergangs-Widerstand R ThJG = 8K/W von Junction - J zum Gehäuse - G auf. Es wird am Gehäuse ein Kühlkörper angebracht, dessen thermischer Übergangs-Widerstand R ThKU = 12K/W beträgt. Der Übergangs-Widerstand vom Gehäuse zum Kühlkörper sei vernachlässigbar. Die Umgebungstemperatur liegt bei 50 o C. Welche statische Temperatur T j stellt sich im inneren des Bauteils ein? κ Cu = ( 1 Ωcm) ε 0 = 885, ( F m) μ 0 = 126, 10 6 ( H m) Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 1

2 2. In welche Rubriken teilt man im Allgemeinen ein Datenblatt eines elektronischen Bauteils ein? 3. Nennen Sie den typischen Anwendungsbereich eines Drahtwiderstandes. 4. Geben Sie den Wert des dargestellten Widerstands mit Toleranzangabe an. braun gelb violett rot silber Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 2

3 5. Skizzieren Sie ein typisches Ersatzschaltbild für einen bedrahteten 1kΩ-Widerstand mit 15mm Anschlussdrähten unter Berücksichtigung höherer Frequenzen. Geben Sie typische Werte für die Elemente im Ersatzschaltbild an. 6. Wie groß ist die Kapazität zwischen zwei kupferbeschichteten Lagen einer Leiterplatte mit 100mm Breite und 160mm Länge bei einer Beschichtung mit 0,2mm Dicke eines Materials mit einer Permittivitätszahl ε r = Skizzieren Sie in nachstehendem Diagramm den typischen Impedanzverlauf eines Folienkondensators mit einer Kapazität von 160nF, dessen innere Induktivität 16nH und der innere serielle Verlustwiderstand 1Ω beträgt. 1kΩ 100Ω 10Ω 1Ω 0.1Ω 10kHz 100kHz 1MHz 10MHz 100MHz Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 3

4 8. In nachstehender Schaltung wird der Schalter S1 geschlossen. Der Kollektorstrom des Transistors Q1 ändert sich wie dargestellt. a) Begründen Sie den Spannungsverlauf V(2) an der Induktivität L1 beim Abschalten des Stromes (Verlauf um 20,07us) durch eine konkrete Gleichung mit Zahlenwerten. b) Wodurch wird der Strom des Transistors bei offenem Schalter S1 bestimmt? R1 5V L1 V 47k S uH Q1 Abschaltzeitpunkt t 9. a) Welche maximale Junction-Temperatur im inneren eines Si-Halbleiters (z.b. Bipolar-Transistor) ist üblicherweise möglich? b) Wodurch ist physikalisch die Obergrenze der Junction-Temperatur gegeben? Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 4

5 10. Das Bild zeigt einen eigenleitenden Halbleiter. Wie und warum verändert sich das Bild bei einem p-dotierten Halbleiter (Skizze und Erläuterung). 11. Bestimmen Sie die Leitfähigkeit eines n-dotierten Halbleiters mit einer Dichte der Dotierstoffkonzentration von N D = /cm 3 wenn die Ladungsträgerbeweglichkeit μ n = 1250cm 2 /Vs ist (T = 300K). Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 5

6 12. In einem mit Bor p-dotierten Si-Halbleiter mit N A = /cm 3 erfolgt eine n-dotierung mit Phosphor mit N D = /cm 3. Bei T = 300K beträgt die Eigenleitungsdichte n i0 = 1, /cm 3. Welche Elektronendichte und Löcherdichte besteht vor und nach der Phosphordotierung? 13. Der nachstehend skizzierte pn-übergang sei gegeben. Wann und wodurch entsteht eine Raumladungszone im pn-übergang? Was kennzeichnen die rechteckförmigen Symbole, was die rund dargestellten Symbole? Skizzieren Sie die Ladungsverteilung ρ( x) im pn- Übergang und skizzieren Sie die Feldstärkeverteilung E(x). Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 6

7 14. Geben Sie die idealtypische Gleichung für eine Diode an und erläutern Sie die dafür erforderlichen Parameter. Skizzieren Sie ln(i D ) = f (U D ) bei U D >0 einer realen Diode; erläutern Sie die dafür erforderlichen Parameter; welcher Ast wird mit welchen Modell- Parametern charakterisiert? Welcher Parameter bestimmt die Flussspannung der Diode, geben Sie typische Werte der Parameter für eine Si-Diode an. ln(i D ) ma ua na 0V pa 1V U D fa 15. Geben Sie ein DC-Modell und ein AC-Modell für eine Si-Diode in Flussrichtung und in Sperrichtung (mit typischen Werten) an. In Flussrichtung wird die Si-Diode in einem Arbeitspunktstrom von 1mA betrieben. DC-Fluss: DC-Sperr: AC-Fluss: AC-Sperr: Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 7

8 16. Geben Sie eine Testbench mit Angaben zur Beschaltung einschließlich der Parameter der Signalquelle u 1 für die Ermittlung der Speicherzeit einer Diode an. Skizzieren Sie den Verlauf von u D und i D für Ihren Schaltungsvorschlag. Wie bestimmt sich die Diffusionskapazität C D aus der Transitzeit TT? u 1 i D t u D t t 17. Geben Sie eine Testbench mit Angaben zur Beschaltung einschließlich der Parameter der Signalquelle u 1 für die Ermittlung der Sperrschichtkapazität einer Diode an. u 1 t Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 8

9 18. a) Skizzieren Sie den physikalischen Aufbau eines planaren npn-transistors. Welche inneren (physikalischen) und äußeren Voraussetzungen sind notwendig, um den Transistoreffekt zu bewirken? b) Geben Sie ein DC-Ersatzschaltbild im Normalbetrieb an. Welche Parameter sind dafür erforderlich und welche typischen Werte liegen diesen Parametern zugrunde? 19. Wie groß ist I E, I B, I C bei 25 o C und U B = 5V, wenn U BE = 700mV beträgt. Wie ändert sich der Kollektorstrom, wenn U BE von 700mV auf 713mV erhöht wird? Wie groß ist der Kollektorstrom bei I E = 0? U B IS = A B = 200 I B I C Q1 U CE I CB0 = 10 9 A U BE I E Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 9

10 20. Geben Sie zwei geeignete Beschaltungen für einen Si-Bipolar-Transistor (B = 100) mit ohmschem Lastwiderstand RC im Kollektorpfad an, so dass der Transistor als Verstärker im Normalbetrieb bei I C (A) = 2mA arbeitet bei einer Versorgungsspannung von 5V. Berücksichtigen Sie dabei Gesichtspunkte für einen stabilen Arbeitspunkt. Wie muss der Lastwiderstand RC dabei zweckmäßig dimensioniert werden, um größtmögliche Aussteuerbarkeit zu erzielen? 21. Skizzieren Sie ein AC-Ersatzschaltbild eines im Normalbetrieb arbeitenden npn-si- Transistors mit RC = 1kΩ Lastwiderstand, wenn der Arbeitspunktstrom I C (A) = 2mA beträgt (zu berücksichtigende Parameter: r e, g m, β = 200, C C = 5pF, C D = 20pF). Geben Sie für Ihren Schaltungsvorschlag die Verstärkung und den Eingangswiderstand an. Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 10

11 22. Was versteht man unter dem Early -Effekt und wie wird dadurch das AC-Ersatzschaltbild bei VA = 50V im vorhergehenden Beispiel verändert? 23. Ein N-JFET mit U P = -2V, β = 4mA V 2 wird mit einer Spannungsquelle am Eingang mit U GS = 0V beschaltet. Im Drainpfad befindet sich der Widerstand RD. Wie groß ist der sich einstellende Drainstrom bei einer Versorgungsspannung von 10V? Unter welchen Bedingungen stellt sich Widerstandsbetrieb bzw. Stromquellenbetrieb ein? Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 11

12 24. a) Skizzieren Sie ein AC-Ersatzschaltbild eines im Stromquellenbetrieb arbeitenden N-JFET, wenn der Arbeitspunktstrom I (A) D = 2 ma beträgt; dabei ist die Beschaltung der vorigen Aufgabe zugrunde zu legen (U P = -2V, β = 4mA V 2, 10V Versorg.) b) Welcher DC-Anteil der Spannung U GS ist jetzt einzustellen? c) Wie groß ist der Lastwiderstand im Drainpfad zu wählen, um größtmögliche Aussteuerung zu erzielen? d) Welche Verstärkung ergibt sich mit dem Lastwiderestand von c)? 25. Gegeben ist die nachstehende MOS-Transistorschaltung. Schließen Sie den Bulk- Anschluss geeignet an. Kennzeichnen Sie den Drain-Anschluss. Welcher Drainstrom fließt, wenn R1 hinreichend niederohmig ist? Wie groß darf der Widerstand R1 maximal sein, so dass Stromquellenbetrieb gegeben ist? 5V M1 R1 K p = 40μA V 2 W = 10μm L = 2μm = 2V U p Prüfung Elektronik 1 WS 0607 Seite 12