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Kapitel 7 Halbleiter/Bauelemente

Transkript:

Inhaltsverzeichnis Liste der verwendeten Symbole... 1 1 Grundlagen der Halbleiterphysik... 7 1.1 Grundlegende Begriffe.................................... 7 1.1.1 DasBändermodell... 7 1.1.2 Silizium als Halbleiter.............................. 9 1.1.3 DasthermodynamischeGleichgewicht... 11 1.1.4 DotierteHalbleiter... 13 1.2 Grundgleichungen der Halbleiterphysik..................... 18 1.2.1 Berechnung der Ladungsträgerdichten................ 18 1.2.2 BestimmungderLagedesFerminiveaus... 25 1.3 Ladungsträgertransport, Strom............................ 28 1.3.1 Elektronen-undLöcherstrom... 28 1.3.2 Driftstrom... 28 1.3.3 Diffusionsstrom... 30 1.3.4 BänderdiagrammbeiStromfluss... 31 1.4 AusgleichsvorgängeimHalbleiter... 33 1.4.1 StarkeundschwacheInjektion... 33 1.4.2 DieKontinuitätsgleichung... 35 1.4.3 TemporäreStörungdesGleichgewichts... 36 1.4.4 LokaleStörungdesGleichgewichts... 39 2 Diode... 45 2.1 AufbauundWirkungsweisederDiode... 45 2.1.1 Diode im thermodynamischen Gleichgewicht.......... 45 2.1.2 Diode bei Anlegen einer äußeren Spannung........... 49 2.2 Ableitung derdiodengleichung... 50 2.2.1 DiodemitlangenAbmessungen... 50 2.2.2 DiodemitkurzenAbmessungen... 55 2.2.3 Abweichung von der idealen Diodenkennlinie.......... 55 2.2.4 Kapazitätsverhalten des pn-übergangs............... 56

VIII Inhaltsverzeichnis 2.3 Modellierung der Diode.................................. 63 2.3.1 GroßsignalersatzschaltungderDiode... 63 2.3.2 SchaltverhaltenderDiode... 63 2.3.3 KleinsignalersatzschaltungderDiode... 66 2.3.4 DurchbruchverhaltenderDiode... 68 2.4 BänderdiagrammdarstellungderDiode... 69 2.4.1 Regeln zur Konstruktion von Bänderdiagrammen...... 69 2.4.2 BänderdiagrammderDiode... 70 3 Bipolartransistor... 73 3.1 Aufbau und Wirkungsweise des Bipolartransistors........... 73 3.1.1 npn- und pnp-transistor........................... 73 3.1.2 FunktiondesBipolartransistors... 74 3.2 Ableitung dertransistorgleichungen... 77 3.2.1 TransistorimnormalenVerstärkerbetrieb... 77 3.2.2 TransistoriminversenVerstärkerbetrieb... 82 3.2.3 TransistorimSättigungsbetrieb... 83 3.2.4 Ausgangskennlinienfeld des Transistors............... 84 3.2.5 Basisweitenmodulation(Early-Effekt)... 85 3.3 Modellierung des Bipolartransistors........................ 87 3.3.1 Großsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors...... 87 3.3.2 Schaltverhalten des Bipolartransistors................ 91 3.3.3 Kleinsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors...... 93 3.3.4 FrequenzverhaltendesTransistors... 97 3.3.5 Durchbruchverhalten des Bipolartransistors........... 99 3.4 Bänderdiagrammdarstellung des Bipolartransistors.......... 100 4 Feldeffekttransistor...103 4.1 Aufbau und Wirkungsweise des Feldeffekttransistors......... 103 4.1.1 n-kanalmos-feldeffekttransistor...103 4.1.2 p-kanalmos-feldeffekttransistor...105 4.1.3 TransistortypenundSchaltsymbole...105 4.2 Ableitung dertransistorgleichungen...107 4.2.1 Stromgleichung...107 4.2.2 Ausgangskennlinienfeld...110 4.2.3 Übertragungskennlinie...113 4.2.4 Kanallängenmodulation...113 4.3 Modellierung des MOSFET............................... 115 4.3.1 Großsignalersatzschaltbild des MOSFET............. 115 4.3.2 SchaltverhaltendesMOSFET...117 4.3.3 KleinsignalersatzschaltbilddesMOSFET...121 4.3.4 Durchbruchverhalten...123 4.4 BänderdiagrammdarstellungdesMOSFET...124 4.4.1 BänderdiagrammderMOS-Struktur...124 4.4.2 BänderdiagrammdesMOSFET...127

Inhaltsverzeichnis IX 4.4.3 Wirkungsweise des Transistors im Bänderdiagramm.... 128 4.4.4 Substratsteuereffekt............................... 129 4.4.5 Kurzkanaleffekt...129 5 Der Transistor als Verstärker...131 5.1 Grundlegende Begriffe und Konzepte....................... 131 5.1.1 ÜbertragungskennlinieundVerstärkung...131 5.1.2 Arbeitspunkt und Betriebsarten..................... 133 5.1.3 Gleichstromersatzschaltung...135 5.2 Arbeitspunkteinstellung mit 4-Widerstandsnetzwerk......... 136 5.2.1 Arbeitspunkteinstellung beim Bipolartransistor....... 136 5.2.2 Arbeitspunkteinstellung beim MOSFET.............. 139 5.3 Arbeitspunkteinstellung mit Stromspiegeln................. 142 5.3.1 Stromspiegel...142 5.3.2 DimensionierungdesStromspiegels...146 5.4 WechselstromanalysevonVerstärkern...147 5.4.1 Kleinsignalersatzschaltung...147 5.4.2 Verstärkerschaltungen mit Bipolartransistor.......... 149 5.4.3 VerstärkerschaltungenmitMOSFET...154 5.4.4 Verstärkerschaltungen mit Stromspiegel.............. 158 5.4.5 MehrstufigeVerstärker...160 6 Transistorgrundschaltungen...165 6.1 Emitterschaltung,Sourceschaltung...165 6.1.1 Kleinsignalersatzschaltbild der Emitterschaltung...... 165 6.1.2 Spannungsverstärkung der Emitterschaltung.......... 167 6.1.3 Eingangswiderstand der Emitterschaltung............ 169 6.1.4 Ausgangswiderstand der Emitterschaltung............ 170 6.2 Kollektorschaltung,Drainschaltung...172 6.2.1 Kleinsignalersatzschaltbild der Kollektorschaltung..... 172 6.2.2 Spannungsverstärkung der Kollektorschaltung......... 174 6.2.3 Eingangswiderstand der Kollektorschaltung........... 175 6.2.4 Ausgangswiderstand der Kollektorschaltung........... 175 6.3 Basisschaltung,Gateschaltung...176 6.3.1 Spannungsverstärkung der Basisschaltung............ 178 6.3.2 EingangswiderstandderBasisschaltung...180 6.3.3 AusgangswiderstandderBasisschaltung...180 6.4 Push-PullAusgangsstufe...182 7 Operationsverstärker...185 7.1 DereinstufigeDifferenzverstärker...185 7.1.1 FunktiondesDifferenzverstärkers...185 7.1.2 Gleichstromanalyse des Differenzverstärkers........... 186 7.1.3 Kleinsignalanalyse des Differenzverstärkers........... 186 7.2 MehrstufigeDifferenzverstärker...192

X Inhaltsverzeichnis 7.2.1 CMOSDifferenzeingangsstufe...192 7.2.2 VerbesserteDifferenzeingangsstufe...196 7.2.3 MehrstufigerDifferenzverstärker...198 7.2.4 Vom Differenzverstärker zum Operationsverstärker.... 200 7.3 SchaltungenmitidealenOperationsverstärkern...203 7.3.1 InvertierenderVerstärker...203 7.3.2 NichtinvertierenderVerstärker...205 7.3.3 Addierer...206 7.3.4 Subtrahierer...................................... 207 7.3.5 Filterschaltungen...208 8 Frequenzverhalten analoger Schaltungen...211 8.1 Grundlegende Begriffe.................................... 211 8.1.1 Frequenz-undPhasengang...211 8.1.2 DiekomplexeÜbertragungsfunktion...216 8.1.3 VerhaltenimZeitbereich...220 8.2 Übertragungsfunktionen von Verstärkerschaltungen.......... 223 8.2.1 Komplexe Übertragungsfunktion und Grenzfrequenz... 223 8.2.2 BerechnungderGrenzfrequenzen...225 8.3 Grenzfrequenz von Verstärkergrundschaltungen.............. 230 8.3.1 Emitterschaltung...231 8.3.2 Miller-Effekt...................................... 233 8.3.3 Emitterschaltung mit Gegenkopplungswiderstand...... 234 8.3.4 Kollektorschaltung...236 8.3.5 Basisschaltung...239 8.4 Methoden zur Abschätzung der Grenzfrequenzen............ 241 8.4.1 Kurzschluss-Zeitkonstanten-Methode...241 8.4.2 Leerlauf-Zeitkonstanten-Methode...243 9 Rückkopplung in Verstärkern...247 9.1 Grundlegende Begriffe.................................... 247 9.1.1 PrinzipderGegenkopplung...247 9.1.2 RückkopplungundVerzerrungen...248 9.1.3 RückkopplungundFrequenzgang...249 9.1.4 Rückkopplungsarten...251 9.2 Serien-Parallel-Rückkopplung (Spannungsverstärker)......... 252 9.2.1 Spannungsverstärker mit idealer Rückkopplung........ 252 9.2.2 Spannungsverstärker mit realer Rückkopplung........ 255 9.3 Parallel-Parallel-Rückkopplung (Transimpedanzverstärker).... 261 9.3.1 Transimpedanzverstärker mit idealer Rückkopplung.... 261 9.3.2 Transimpedanzverstärker mit realer Rückkopplung.... 263 9.4 Parallel-Serien-Rückkopplung(Stromverstärker)...268 9.4.1 Stromverstärker mit idealer Rückkopplung............ 268 9.4.2 StromverstärkermitrealerRückkopplung...269 9.5 Serien-Serien-Rückkopplung (Transadmittanzverstärker)...... 271

Inhaltsverzeichnis XI 9.5.1 Transadmittanzverstärker mit idealer Rückkopplung... 271 9.5.2 Transadmittanzverstärker mit realer Rückkopplung.... 272 9.6 Rückkopplung und Oszillatoren........................... 274 9.6.1 Übertragungsfunktion der rückgekoppelten Anordnung. 274 9.6.2 Schwingbedingung...278 9.6.3 Schleifenverstärkung der rückgekoppelten Anordnung.. 279 9.7 Stabilität und Kompensation von Verstärkerschaltungen...... 281 9.7.1 Bode-Diagramm des Operationsverstärkers........... 282 9.7.2 Stabilitätskriterium................................ 284 9.7.3 Kompensation durch Polverschiebung................ 286 9.7.4 KompensationdurchPolaufsplittung...289 10 Logikschaltungen...293 10.1 Grundlegende Begriffe.................................... 293 10.1.1 Dioden-Transistor-Logik(DTL)...295 10.1.2 Transistor-Transistor-Logik(TTL)...296 10.1.3 ECL-Schaltungen...297 10.2 MOS-Logikschaltungen...303 10.2.1 n-mos-inverterschaltungen...303 10.2.2 CMOS-Komplementärinverter...305 10.2.3 EntwurfvonCMOS-Gattern...311 10.2.4 DimensionierungvonCMOS-Gattern...312 10.2.5 C 2 MOSLogik...315 10.2.6 Domino-Logik...318 10.2.7 NORA-Logik...319 A Anhang...321 A.1 ÄquivalenteZweipole...321 A.1.1 Bestimmung von Ersatzspannungsquellen............. 321 A.1.2 BestimmungvonErsatzsstromquellen...322 A.2 Ein-undAusgangswiderstandvonVerstärkern...323 A.2.1 BestimmungdesEingangswiderstandes...323 A.2.2 BestimmungdesAusgangswiderstandes...323 A.3 Vierpolparameter...324 A.3.1 Darstellung von Vierpolen mit g-parametern...324 A.3.2 Darstellung von Vierpolen mit h-parametern...325 A.3.3 Darstellung von Vierpolen mit y-parametern...325 A.3.4 Darstellung von Vierpolen mit z-parametern...326 Literatur...327 Sachverzeichnis...329

http://www.springer.com/978-3-540-23445-6