Skriptum zur Vorlesung Elektronik 1 Inhalte Modul 1 (Januar März) Dr.-Ing. Jens Timmermann Ausgabe: Januar 2012, Version 2.0 Elektronik 1; Dr. Ing. Jens Timmermann - 1
Vorbemerkungen Dieses Skript richtet sich an die Hörer der Vorlesung Elektronik 1 der DHBW Ravensburg, Campus Friedrichshafen. Es ist nicht gestattet, dieses Skript außerhalb der Dualen Hochschule zu verbreiten, zu veröffentlichen oder ins Internet zu stellen. Kontaktdaten: Dr.-Ing. Jens Timmermann jens.timmermann@astrium.eads.net Elektronik 1; Dr. Ing. Jens Timmermann - 2
1 Inhalt 1. Phänomenologische Beschreibung von Halbleitern... 7 1.1. Kristallstruktur... 7 1.2. Atombindung und Aufbau des Si-Halbleiterkristalls:... 7 1.3. Einfluss von Fremdatomen im Kristall... 9 1.3.1. Eigenleitung und Photoeffekt... 9 1.3.2. n-dotierter Halbleiter (Elektronenleitung)... 10 1.3.3. p-dotierter Halbleiter (Löcherleitung)... 11 2. Physikalische Grundlagen von Halbleitern...13 2.1. Besetzungswahrscheinlichkeiten und Fermi-Niveau im undotierten Halbleiter 13 2.2. Besetzungswahrscheinlichkeiten und Fermi-Niveau im dotierten Halbleiter.. 14 2.3. Ladungsträgerkonzentration im undotierten Halbleiter... 17 2.4. Ladungsträgerkonzentration im dotierten Halbleiter... 21 2.5. Stromfluss im dotierten Halbleiter... 22 2.5.1. Driftstromdichte... 22 2.5.2. Diffusionsstromdichte... 23 2.5.3. Gesamtstromdichte... 24 2.5.4. Thermodynamisches Gleichgewicht:... 25 3. pn-übergang und Diode...26 3.1. pn-übergang ohne äußere Spannung... 26 3.2. pn-übergang mit äußerer Spannung... 30 3.2.1. Betrieb in Sperr-Richtung... 31 3.2.2. Sperrschicht-Kapazität und Kapazitätsdiode... 32 3.2.3. Betrieb in Durchlass-Richtung und Herleitung der Charakteristik... 32 Elektronik 1; Dr. Ing. Jens Timmermann - 3
3.3. Ideale Diodenmodelle... 37 3.3.1. Modell 1: Shockley-Modell... 37 3.3.1.1. Statischer und differentieller Widerstand... 39 3.4. Reales Verhalten von Halbleiterelementen (Eigenschaften)... 41 3.4.1. Kennlinie für Silizium- und Germanium-Diode... 41 3.4.2. Durchbruch-Mechanismen... 43 3.4.3. Sperrschichtkapazität und Diffusionskapazität... 44 3.4.4. Temperaturabhängigkeit... 45 3.4.4.1. Temperaturabhängigkeit des Sperrstroms... 45 3.4.4.2. Temperaturabhängigkeit der Durchlaßspannung... 45 3.4.5. Leistungsdioden... 46 3.5. Datenblatt und Diodenbezeichnungen... 47 3.5.1. Diodenbezeichnungen... 51 3.5.1.1. Kodierung gemäß JEDEC... 51 3.5.1.2. Kodierung gemäß Pro Electron... 52 3.5.2. Typisches Datenblatt... 52 4. Schaltungsberechnung mit Dioden...58 4.1. Numerische und graphische Lösung... 58 4.2. Dioden-Ersatzschaltbild im statischen Fall... 60 4.2.1. Gleichstrom-Ersatzschaltbild der Diode... 61 4.2.2. Gleichstrom-Kleinsignal-Ersatzschaltbild... 63 4.3. Schaltungsberechnung und Ersatzschaltbilder im dynamischen Fall... 64 4.4. Grundlagen der Schaltungsberechnung... 65 4.4.1. Einführung in die komplexe Wechselstromlehre... 65 4.4.2. Impedanzen für f=0 und f... 70 4.4.3. Netzwerkknoten und Netzwerkliste... 70 Elektronik 1; Dr. Ing. Jens Timmermann - 4
4.4.4. Elementarregeln zur Schaltungsberechnung... 71 4.4.4.1. Regel 1: Spannungsquelle... 72 4.4.4.2. Regel 2: Stromquelle... 72 4.4.4.3. Regel 3: Widerstand... 72 4.4.4.4. Regel 4: Induktivität... 72 4.4.4.5. Regel 5: Kapazität... 73 4.4.4.6. Regel 6: Diode... 73 4.4.5. Netzwerkregeln... 73 4.4.5.1. Regel 7: Knotenregel (1. Kirchhoff sches Gesetz)... 73 4.4.5.2. Regel 8: Maschenregel (2. Kirchhoff sches Gesetz)... 74 4.4.6. Weitere wichtige Regeln... 75 4.4.6.1. Regel 9: Serienschaltung von Impedanzen... 76 4.4.6.2. Regel 10: Parallelschaltung von Impedanzen... 76 4.4.6.3. Regel 11: Spannungsteiler-Regel... 76 4.4.6.4. Regel 12: Stromteiler-Regel... 79 4.4.7. Regeln zur Vereinfachung von Schaltungen... 80 4.4.7.1. Regel 13: Ändern der Reihenfolge in parallelgeschalteten Zweige... 80 4.4.7.2. Regel 14: Schaltungsteile parallel zu einer Spannungsquelle... 80 4.4.7.3. Regel 15: Schaltungsteile seriell zu einer Stromquelle... 81 5. Anwendungen von Dioden...82 5.1. Gleichrichterschaltung... 82 5.1.1. Einweg-Gleichrichterschaltung in Grundform... 82 5.1.2. Einweg-Gleichrichterschaltung mit Ladekondensator... 84 5.1.3. Einweg-Gleichrichterschaltung mit Siebkette... 85 5.2. Zweiweg-Gleichrichterschaltung... 86 5.3. Schaltzwecke... 87 Elektronik 1; Dr. Ing. Jens Timmermann - 5
5.3.1. Schalter in der Digitaltechnik... 87 5.4. Spannungsvervielfachung... 89 5.4.1. Spannungsverdopplung durch Delon-Schaltung... 89 5.5. Schaltungsberechnung mit SPICE, PSPICE... 90 6. Integrierte Technik und Halbleiterprozesse...91 6.1. Miniaturisierung von Schaltungen... 91 6.2. Integration von Schaltungen und Mikroelektronik... 91 6.3. Wafer und deren Herstellung... 91 6.3.1. Wafer-Sorten... 92 6.3.2. Prinzipielle Herstellung von Wafern... 92 6.3.2.1. Czochralski-Methode (Tiegelzieh-Verfahren)... 94 6.3.2.2. Zonenschmelz-Verfahren... 94 6.4. Halbleiter-Epitaxie... 95 6.4.1. Chemische Gasphasenepitaxie... 95 6.4.2. Atomlagen-Epitaxie... 96 6.4.3. Metallorganische Gasphasen-Epitaxie... 96 7. Thermischer Widerstand und Kühlung...97 7.1.1. Wärmeabführung ohne Kühlkörper... 97 7.1.2. Wärmeabführung mit Kühlkörper... 98 8. Referenzen... 101 9. Stichwortverzeichnis... 103 Elektronik 1; Dr. Ing. Jens Timmermann - 6