Dotierter Halbleiter

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1 FH München FK 03 Maschinenbau Diplomprüfung Elektronik SS 007 Freitag, Prof. Dr. Höcht (Prof. Dr. Kortstock) Zugelassene Hilfsmittel: Alle eigenen Dauer der Prüfung: 90 Minuten 1 Homogene Halbleiter (1.1 und 1. sind unabhängig voneinander lösbar) An ein Hallelement (dotierter Gallium-Arsenid- Halbleiterkristall) wird die Spannung U B gelegt. Zudem wird es einer magnetischen Flußdichte B ausgesetzt (siehe Abbildung). An den beiden senkrecht zum Stromfluß angebrachten Elektroden ist eine Hallspannung in der angegebenen Polarität meßbar. 1.1 Begründen Sie, ob es sich um einen p-typ oder einen n-typ-halbleiter handelt, indem Sie einen geeigneten Ladungsträger (Loch bzw. Elektron) Name: Vorname: Sem.: Unterschrift: Hörsaal: Platz-Nr.: in das Bild oben rechts zeichnen und den Vektor der Ladungsträgergeschwindigkeit sowie die Lorentzkraft auf den Ladungsträger eintragen. (3P) Halbleitertyp: Dotierter Halbleiter 1. Zusammenhang zwischen Ladungsträgergeschwindigkeit v und angelegter Spannung U B 1..1 Wie hängen allgemein die angelegte Spannung U B, die Beweglichkeit µ der Ladungsträger, die Ladungsträgergeschwindigkeit v im Kristall und die Abmessungen des Kristalls zusammen? l U B - B b d 1.. Die gemessene Hallspannung ergibt sich mit Hilfe Gallium-Arsenid b der Lorentzkraft zu U H = B U B µ. Das Eigenleitungsträgerdichte / cm l Elektronenbeweglichkeit Halbleiterplättchen habe die Abmessungen 8500cm Vs l = 1.0cm, b = 1.0cm, d = 0.1mm. Es wird mit Löcherbeweglichkeit 450cm Vs einer Spannung von U B = 10.0V betrieben und Elementarladung As liefert bei einem Magnetfeld mit 5 10 Vs m eine Hallspannung von 4.5 mv. Wie groß ist die Ladungsträgerbeweglichkeit? Ist dieses Hallplättchen n- oder p-dotiert? (3P)

2 ETr_SS07_3.doc Diplomprüfung Elektronik SS 007 Seite von 6 Seiten Transistor als Schalter (.1 und. sind unabhängig voneinander lösbar).1 Ansteuerung einer Generatorspule Die Erregerspule eines Generators (ohmscher Widerstand R C ) wird über einen Leistungstransistor T ein- und ausgeschaltet, je nach Stellung des Kontakts. Folgende Daten des Transistors T sind gegeben: Kontakt Stromverstärkung: B = 30 U CE Sat = 0.5V U BE0 = 0.8V r BE = 0. Ω Die Versorgungsspannung sei konstant U B = 14.0V. Die Erregerspule durchfließt ein Strom I C = 3.0 A, wenn Transistor T durchgeschaltet hat. I C1 R C1 R C T I B I C Ohmscher Widerstand der Erregerwicklung U CE U B.1.1 Berechnen Sie den ohmschen Widerstand R C der Erregerwicklung. (P).1. Berechnen Sie den erforderlichen Basisstrom I B, wenn der Transistor T vierfach übersteuert werden soll..1.3 Berechnen Sie den Widerstand R C1oberhalb des Kontakts. (3P)

3 ETr_SS07_3.doc Diplomprüfung Elektronik SS 007 Seite 3 von 6 Seiten. Schwellwertschalter (Komparator) aus Z-Diode und Transistor Mit der nebenstehenden Schaltung soll die Größe einer Spannung am Eingang der Schaltung überwacht werden. Sobald die Eingangsspannung U E einen bestimmten Wert überschreitet, schaltet der Transistor T 1 durch und am Kollektor liegt nur mehr die Sättigungsspannung U CE1 sat U E R v U T D I B1 T1 I C1 R C1 U CE1 U B..1 Ausgangskreis Die Schaltelemente des Ausgangskreises haben folgende Daten: U B = 14.0V, R C 1 = 35Ω. Zusätzlich ist das Ausgangskennlinienfeld des Transistors gegeben. I /A C1 0,45 0,4 0,35 0, , Ermitteln Sie allgemein die Gleichung der Arbeitsgeraden I C1= f ( U CE1, R C1, U B ) und tragen Sie diese in das Kennlinienfeld ein. (3P) 0, 0,15 0,1 0, I /ma B1,0 4,0 6,0 8, U /V CE1..1. Entnehmen Sie dem Kennlinienfeld den nötigen Basisstrom I B1 nötig, wenn der Transistor durchgeschaltet hat, sowie die am Transistor und am Kollektorwiderstand liegenden Spannungen. Berechnen Sie den Basisstrom I B1, wenn 10-fache Übersteuerung gefordert ist. (P) I B1 nötig = I B1 = U CE = Spannung an R C1 : U RC1 =

4 ETr_SS07_3.doc Diplomprüfung Elektronik SS 007 Seite 4 von 6 Seiten.. Eingangskreis : Z-Diode D und Transistor T 1 Nun wird die Schaltung aus Z-Diode D und die Basis- -Emitterstrecke des Transistors T 1 untersucht. Die Z-Diode und die Basis-Emitterstrecke haben folgende Daten: U Z0 = 6.4 V r Z = 8 Ω U BE0 = 0.6 V r BE = 3 Ω U E R V U T D U Z I B1 U BE1...1 Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild der Basis- Emitterdiode mit vollständiger Beschriftung (Spannungen, Ströme, Zählpfeile) (P) Ersatzschaltbild: Ab welcher Spannung U BE0 gilt dieses Ersatzschaltbild? Antwort:... Tragen Sie in das nebenstehende Diagramm die idealisierte Kennlinie der Basis-Emitterdiode ein. (P) I B1/mA Das Ersatzschaltbild der Z- Diode ist genauso aufgebaut, wie das der Basis-Emitterdiode. Zeichnen Sie in das nebenstehende Diagramm auch die Kennlinie der Z-Diode (P) (P) Ermitteln Sie mit Hilfe der beiden Kennlinien, welche Spannung U T nötig ist, um den Basisstrom I B1 = 80 ma fließen zu lassen U /V (3P)

5 ETr_SS07_3.doc Diplomprüfung Elektronik SS 007 Seite 5 von 6 Seiten...5 Kann bei diesem Strom eine Z-Diode mit maximaler Verlustleistung P V max = 500 mw verwendet werden? Begründen Sie Ihre Antwort durch Rechnung....6 Wie groß muß der Vorwiderstand R V gewählt werden, wenn dieser Strom bei U E = 10 V fließen soll? 3 Schaltung mit Operationsverstärkern Eine Schaltung mit Operationsverstärkern soll so ausgelegt werden, daß die beiden Eingangsspannungen u E1 und u E addiert und mit dem Faktor multipliziert werden, so daß gilt: u a = + ( u E1 + u E ). Dazu ist wegen des Pluszeichens vor dem Faktor die Hintereinanderschaltung zweier Operationsverstärkerschaltungen nötig. Die erste Schaltung bildet die Zwischenspanung = (u u ), die zweite bildet das Produkt u a = u a 1. u a 1 E1 + E Zeichnen Sie die gesamte Schaltung einschließlich der Beschriftung sämtlicher Widerstände und der Spannungen u E1, u E, u a1 und u a. (3P) 3.1 Dimensionieren Sie die Schaltung so, daß jedes der beiden Rückkopplungsnetzwerke den eigenen Operationsverstärker maximal mit 0.5 ma belastet, wenn keiner der beiden Operationsverstärkter übersteuert ist. (Hinweis: Kann bei allen Verstärkern unter dieser Bedingung überhaupt die Ausgangsspannung bis zur Betriebsspannung ± UB voll ausgesteuert werden?). Lassen Sie zur Berechnung der Einfachheit halber die Belastung jeder Schaltung durch die nachfolgende unberücksichtigt. Die Versorgungsspannung der Operationsverstärker beträgt U B = ± 10 V. (6P)

6 ETr_SS07_3.doc Diplomprüfung Elektronik SS 007 Seite 6 von 6 Seiten 4 Digitalschaltung mit einfachen RS-Flipflops Gegeben ist die folgende Schaltung mit zwei einfachen RS- Flipflops, die von einem Taktsignal angesteuert werden. & S1 Q1 & R1 Q1 & & S R Q Q Takt 4.1 Ergänzen Sie im nebenstehenden Impulsdiagramm die Signale Q1, S, R, Q, S1 und R1. (6P) Takt Q1 S R 4. Welche Funktion erfüllt der Ausgang Q dieser Schaltung im Hinblick auf den Takt? Q S1 R1