Stefan H. GoBner

Grundlagen der Elektronik Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen

Shaker-Verlag

Stefan Gofiner

Grundlagen der Elektronik Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen Ein Lernbuch 3. uberarbeitete Auflage

Shaker Verlag Aachen 2003

INHALTSVERZEICHNIS 1 1.1

EINFUHRUNG IN DIE PHYSIK DER HALBLEITER Einordnung der Halbleiter zwischen Leitern und Isolatoren

1.2 Aufbau von Leitern und Halbleitern 1.2.1 Aufbau der Atome 1.2.2 Kristallaufbau 1.3 Leitungsmechanismen in Halbleitern 1.3.1 Eigenleitung (Leitungsmechanismen im reinen Halblei(er) 1.3.2 Storstellenleitung 1.3.3 LeitfShigkeit des Halbleiters 1.3.4 Erklarung der Leitungsmechanismen im Halbleiter mil Energie-Modellen 1.3.5 Energie-Verteilung der freien Elektronen und der Locher

2

DER PN-UBERGANG

2.1 Der pn-Ubergang ohne auflere Spannung 2.1.1 Der ideale abrupte pn-Ubergang 2.1.2 Ladungstragerdichte 2.1.3 Raumladungsdichte 2.1.4 Diffusionsspannung 2.1.5 Sperrschichtweite 2.1.6 Sperrschichtkapazitat 2.1.7 Energiebander-Modell des pn-Uberganges 2.2 Der pn-Obergang mit auBerer Spannung 2.2.1 Sperrpolung 2.2.2 Flusspolung 2.2.3 Durchbruch bei hoher Feldsfirke in Sperrpolung 2.2.4 Gesamtkennlinie des pn-Uberganges 2.2.5 Temperaturabhangigkeit der Kennlinie 2.2.6 Schaltverhalten des pn-Obergangs

3

METALL-HALBLEITER-UBERGANGE

3.1 Schottky-Kontakt (Sperrschicht-Kontakt) 3.1.1 Obergang von n-Halbleiter zu Metall mit groBerer Austrittsarbeit (WM > WH) 3.1.2 Obergang von p-Halbleiter zu Metall mit geringerer Austrittsarbeit (WM < WH) 3.1.3 Eigenschaften des Schottky-Kontakts 3.2 Ohmscher Kontakt 3.2.1 Obergang von n-Halbleiter zu Metall mit kleinerer Austrittsarbeit (W M W H ) 3.2.3 Ohmscher Kontakt durch hochdotierte Halbleiterzwischenschicht

1-1 1-1 1-1 1-1 1-3 1-5 1-5 1-7 1-12 1-13 1-15

2-1 2-1 2-1 2-2 2-2 2-3 2-4 2-4 2-4 2-5 2-5 2-7 2-9 2-11 2-11 2-12

3-1 3-2 3-2 3-4 3-6 3-7 3-7 3-8 3-10

DIE DIODE

4-1

4.1

Allgemeines

4.2

Universal- und Richtdiode

4

4.3

Hochsperrende Leistungsdioden

4-1 4-4 4-5

4.4

Schaltdioden

4-6

4.5

Die Z-Diode

4-6

4.6

Kaparitatsdiode

4-7

4.7

Tunneldiode

4-8

4.8

Backward-Diode

4.9

Schottky-Diode

4-1(1

4.10

Weitere Diodenformen

4-10

4-9

INHALTSVERZEICHNIS

5

STABILISIERUNGSSCHALTUNG MIT Z-DIODE

5.1 Grundschaltung 5.1.1 Graphische Schaltungsanalyse 5.1.2 Rechnerische Schaltungsanalyse (Betrieb mit Gleichspannung) 5.2 Berechnung von Grenzwerten 5.2.1 Zulassiger Arbeitsbereich der Z-Diode 5.2.2 Grenzwerte fur die Einzelbauelemente 5.3 Oberlagerung von Gleich-und Wechselspannung 5.3.1 Welligkeit der stabilisierten Gleichspannung 5.3.2 Verlustleistung der Z-Diode 5.3.3 Genauere Betrachtung des differentiellen Widerstandes

6

NETZGLEICHRICHTER

5-1 5-1 5-1 54 5-6 " 5-7 5-11 5-11 5-12 5-12 5 6

6-1

6.1 Gleichrichterschaltungen ohne Glattung (mit ohmscher Last) 6.1.1 Einweggleichrichter 6.1.2 Zweiweggleichrichter - Miltelpunktschaltung 6.1.3 Zweiweggleichrichter - Briickengleichrichter (Graetz-Gleichrichter) 6.1.4 Genauere Berechnung der Zweiweggleichrichter

*>"! 6-1 6-3 6-5 6-6

6.2 Gleichrichterschaltungen mit Glattung 6.2.1 Glattungsarten 6.2.2 Berechnung des Zweiweggleichrichters mit Glattungskondensator

'"" 6-9 6-10

6.3

6-17

7

Gleichrichter mit Pufferbatterie

DREHSTROMGLEICHRICHTER

7 1

7.1

Mittelpunkt-Schaltung (Halbbriicke) (3-pulsiger Gleichrichter)

7

7.2

Drehstrom-Briickengleichrichter (6-pulsiger Gleichrichter)

7 3

8

SPANNUNGSVERVIELFACHUNG

"' '

8 1

8.1

Spannungsverdoppelung mit der Delonschaltung

*''

8.2

Spannungsverdoppelung mit Villardschaltung

8 2

8.3

Spannungsvervielfachung durch Kaskadierung der Villardschaltung

*' 4

9 9.1

DER BIPOLARE TRANSISTOR

'

9A

Aufbau und Herstellungsverfahren

9.2 Funktionsweise 9.2.1 Der Transistoreffekt 9.2.2 Stromungsmechanismen im Transistor 9.2.3 EinflussderKollektor-Basis-SpannungaufdenKollektorstrom 9.3 Schaltzeichen - Richtungspfeile fur Strome und Spannungen

"'3 " 9 "^

9.4 Transistor-Grundschaltungen 9.4.1 Basisschaltung 9.4.2 Emitterschaltung 9.4.3 Kollektorschaltung 9.4.4 Umrechnung der Stromverstiirkungen 9.5 Darlington- oder Super-Beta-Schaltung

9 8

' " 9 10 ' 9 13 '

9.6

9 15

Daten von Transistoren

9 3

9 9 8

'

9 8

*' 1 4 '

INHALTSVERZEICHNIS 10

ARBEITSPUNKT DES BIPOLAREN TRANSISTORS / GLEICHSTROMBETRIEB

10-1

10.1 Einstellung des Arbeitspunktes 10.1.1 Einpragung des Basisstromes 10.1.2 Einpragung der Basis-Emitter-Spannung 10.1.3 Einstellung der Kollektor-Emitter-Spannung

10-1 10-2 10-2 10-3

10.2 Stabilisierung des Arbeitspunktes 10.2.1 Anforderungen an die Stabilitat des Arbeitspunktes 10.2.2 Ursachen fur Arbeitspunkt-Verschiebungen 10.2.3 GegenkopplungsmaBnahmen zur Arbeitspunkt-Stabilisierung 10.2.4 Verfahren zur Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes 10.2.5 Berechnung von Abweichungen des Arbeilspunktes einer gegebenen Schallung 10.2.6 Stabilisierung des Arbeitspunktes bei der Schaltungsdimensionierung

10-3 10-3 10-3 10-4 10-6 10-7 10-9

10.3 Gleichstrombetrieb des bipolaren Transistors - Beispielschaltungen 10.3.1 Konstantspannungsquelle 10.3.2 Einfache Konstantstromquelle 10.3.3 Stromspiegel (Konstantstromquelle)

11

DER BIPOLARE TRANSISTOR IM WECHSELSPANNUNGSVERSTARKER

10-11 10-11 10-12 10-13

11-1

11.1 Grundschaltung eines Wechselspannungsverstarkers in Emitterschaltung 11.1.1 Prinzipieller Aufbau und Funktion 11.1.2 Analyse des Arbeitspunktes 11.1.3 Wechselstromanalyse 11.1.4 Verzerrungen und Begrenzungen des Ausgangssignals (Aussteuerungsgrenzen) 11.1.5 Technische Realisierung 11.2 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstarker in Emitterschaltung 11.2.1 Dimensionierung der Schaltung 11.2.2 Grafische Analyse des Arbeitspunktes (Gleichstrom-Analyse) 11.2.3 Grafische Analyse des Wechselstrom-Verhaltens 11.2.4 Berechnung der WechselstromgroBen 11.2.5 Wechselspannungsverstarkung bei Stromgegenkopplung 11.2.6 Berechnung der Kondensatoren 11.2.7 Gesamt-Grenzfrequenzen 11.3 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstarker in Basisschaltung 11.3.1 Die Schaltung 11.3.2 Berechnung der Wechselstrom-KenngroBen 11.3.3 Obere Grenzfrequenz der Basisschaltung

11-1 11-1 11 -2 11-2 11-3 11-5 11-6 11 -6 11-8 11-11 11-14 11-16 11-18 11-22 11 -24 11-24 11 -24 11 -25

11.4 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstarker in Kollektorschaltung 11.4.1 Dimensionierung der Schaltung 11.4.2 Wechselstrom-Berechnungen 11.4.3 Bootstrapschaltung 11.5 Vergleich der Transistor-Grundschaltungen

11 -26 11-26 11-29 11-33 11.35

11.6 Lage des Arbeitspunktes im Kennlinienfeld 11.6.1 KJein- und Mittelsignalverstarker 11.6.2 Leistungsverstarker - Transistorendstufen

11.35 11 -36 11-37

12 12.1

DER BIPOLARE TRANSISTOR ALS SCHALTER Der ideale Schalter (zum Vergleich)

12.2 Die Betriebszustande des Transistor-Schalters 12.2.1 Ausgewahlte Details aus der Halbleiter- und Transistorphysik 12.2.2 Prinzipielle Ansteuerungsvarianten 12.2.3 Der gesperrte Transistor 12.2.4 Der leitende Transistor (ungesaltigt. U,n>0)

12-1 12-1 12-3 12-3 12-4 12-5 12-6 III

INHALTSVERZEICHNIS 12.2.5 12.2.6

Der leitende Transistor (gesattigt) Kennlinien-Arbeitsbereiche des Transistors als Schalter

12-9 12-11

12.3 Das dynamische Verhalten 12.3.1 Einschaltvorgang 12.3.2 Der Ausschaltvorgang

12-12 12-12 12-15

12.4

MaBnahmen zur Verbesserung des Schaltverhallens

12-19

12.5

Schaltverlustleistung

12-21

12.6 Transistorschalter bei ohmscher, kapazitiver und induktiver Last 12.6.1 OhmscheLast 12.6.2 Ohmisch-induktive Last 12.6.3 Ohmisch-kapazitive Last 12.7 Transistor in digitalen Grundschaltungen

13

DER FELDEFFEKTTRANSISTOR (FET)

13.1

Allgemeines / Grundprinzip

13.2 Sperrschicht-FET 13.2.1 Aufbau und Wirkungsprinzip 13.2.2 Einflussder Kanalspannung auf die Kennlinie 13.2.3 Steuerung uber das Gate 13.2.4 Die Kennlinien des Sperrschicht-FET 13.3 IG-FET (isolated gate) 13.3.1 Anreicherungstyp 13.3.2 Verarmungstyp 13.3.3 Kurzkanalstrukturen - Der VMOS-FET 13.3.4

Vorteile der IG-FET

12-23 12-23 12-23 12-25 12-26

13-1 13-1 IM 13-1 13-2 13-4 13-5 13-6 13-6 13-9 13-10 13-11

13.4

Obersicht uber alle FET-Typen

13-11

13.5

Daten von Feldeffekt-Transistoren

13-12

13.6 FET als Analogschalter 13.6.1 Ein-und Ausschaltbedingungen 13.6.2 Grundschaltung eines FET-AnaJogschalters 13.6.3 Verbesserter FET-Analogschalter 13.6.4 Gegentakt-FET-Analogschalter 13.7 Arbeitspunkt-Einstellung - Konstantstromquelle (J-FET)

13-13 13-13 13-13 13-15 13-16 13-17

13.8 J-FET-Wechselspannungsverstarker 13.8.1 Schaltung des J-FET-WS-Verstarkers 13.8.2 Wechselstrom-Ersatzschaltbild des J-FET in Source-Schaltung 13.8.3 Berechnung des Wechselspannungsverstarkers 13.9 CMOS-Technik 13.9.1 CMOS-Inverter 13.9.2 CMOS-NOR-Gatter 13.9.3 CMOS-NAND-Gatter 13.9.4 CMOS-Obertragungsgatter

13-19 13-19 13-19 13-20 13-21 13-21 13-21 13-22 13-23

14 14.1

AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINES OPERATIONSVERSTARKERS Allgemeines

14.2 Interner Aufbau 14.2.1 Eingangsstufe 14.2.2 Koppelstufe 14.2.3 Ausgangsstufe 14.2.4 GesaimschaltungdesOP741 14.3 IV

Eigenschaften und Daten von Operationsverstarkern

14-1 14-1 14-1 14-2 14-6 14-6 14-9 14-10

INHALTSVERZEICHNIS

15

OPERATIONSVERSTARKER - GRUNDSCHALTUNGEN

15.1 Anwendungsbeispiele ohne Ruckkopplung oder mit Mitkopplung 15.1.1 Komparator 15.1.2 Schmitt-Trigger 15.1.3 Astabiler Multivibrator

15-1 15-1 15-1 15-2 15-3

15.2 Niederfrequente Anwendungsbeispiele mit Gegenkopplung 15.2.1 Invertierender Verstarker 15.2.2 Nicht-invertierender Verstarker 15.2.3 Addition (mit Inversion ) 15.2.4 Subtraktion (Differenzverstarker) 15.2.5 Integration 15.2.6 Differentiation 15.2.7 Tiefpass Oder Verzogerungsglied 1. Ordnung 15.2.8 Hochpass 15.2.9 Bandpass 15.2.10 PI-Regler 15.3 Fehler-Rechnung 15.3.1 Fehler durch Eingangs-Offset-Spannung 15.3.2 Fehler durch Eingangsstrome (Bias-Strome) 15.3.3 Fehler durch Ungleichheit der Eingangsstrome (Eingangs-Offsetstrom)

15-5 15-6 15-7 15-8 15-9 15-10 15-11 15-12 15-14 15-15 15-16 15-17 15-17 15-18 15-19

15.4 Stabilitatsprobleme - Frequenzgangkorrektur 15.4.1 Schwingneigung durch ungewollte Mitkopplung 15.4.2 Die Schleifenverstarkung 15.4.3 Frequenzgangkorrektur 15.4.4 Stabilitat bei kapazitiver Last und beim Differenzierer

15-20 15-20 15-21 15-22 15-25

16

SPEZIELLE SCHALTUNGSBEISPIELE MIT OPERATIONSVERSTARKERN

16-1

16.1

Instrumentenversta'rker

16-1

16.2

Pra'zisionsgleichrichter

16-2

16.3

Abtast-Halte-Glieder (Sample & Hold - Verstarker)

16-3

16.4

Fensterkomparatoren

16-5

16.5

Multivibratoren mit dem Timer 555

16-5

16.6

Frequenz-Spannungs- und Spannungs-Frequenz-Wandler

16-8

16.7 Digital-Analog- und Analog-Digital-Umsetzer 16.7.1 Digital-Analog-Umsetzer 16.7.2 Analog-Digital-Wandler

17

DER THYRISTOR

16-10 16-10 16-13

17-1

17.1

Aufbau und Funktionsweise

17.2

Haupteinsatzgebiete

17-5

17.3

TRIAC

17-6

18 18.1

OPTOELEKTRISCHE BAUELEMENTE Fotowiderstand (LDR)

18.2 Fotodiode 18.2.1 PN-Obergang unter Lichteinwirkung 18.2.2 Diodenbetrieb der Fotodiode 18.2.3 Foto-PIN-Diode 18.2.4 Foto-Lawinen-Diode(Avalanche-Fotodiode) 18.2.5 Elementbetrieb der Fotodiode 18.2.6 Solarzelle

17-1

18-1 18-1 18-2 18-2 18-4 18-4 18-4 18-5 18-6

INHALTSVERZEICHNIS 18.3

Fototransistor

18-7

18.4

Lumineszenz-Dioden

I*"8

18.5 Displays 18.5.1 LED-Displays 18.5.2 Fliissigkristall-Displays 18.6 Optoelektronische Koppler 18.6.1 Optokoppler (geschlossen)

18-9

18.6.2 Optokoppler-Lichtschranken

I8"9 -'° 18"H 18 "H 18

I 8 "! 2

18.7

Laser-Dioden

I8'!3

18.8

Lichtwellenleiter

18

19

HALBLEITERBAUELEMENTE OHNE PN-UBERGANG (HOMOGENE HALBLEITERBAUELEMENTE)

19.1

HeiBleiter (NTC-Widerstande)

19.2

Kaltleiter (PTC-Widerstande)

19.3

Varistoren (VDR)

" 16

19-1 I'" 1 l9 3

'

I9-4

19.4

Fotowiderstand (LDR)

I9-4

19.5

Feldplatte (MDR)

I9"5

19.6

Hallgenerator

I'" 5

19.7

Dehnungsmessstreifen

•'•'

20

GLEICHSPANNUNGSWANDLER

20-1

20.1

Drossel-Aufwartswandler

20

20.2

Drossel-Abwartswandler

20 3

20.3

Drossel-Inverswandler

2

20.4

Einschwingvorgange

20 6

21

THERMISCHEPROBLEME/WARMEABLEITUNG

'' '

"- 5 "

21-1

21.1 Temperaturerhdhung von Bauelementen durch Warmefreisetzung 21.1.1 Verlustwarme - Verlustleistung 21.1.2 Warmekapazitaf 21.2 Warmeableitung 21.2.1 Der Wiirmewiderstand 21.2.2 Warmewiderstand bei Warmeleitung 21.2.3 Warmewiderstand bei Konvektion 21.2.4 WSrmestrahlung 21.2.5 Kiihlflachenberechnung 21.3 Der Warmestromkreis

21-

21.4 Berechnung des Warmestromkreises 21.4.1 Analogie thermischer und elektrischer GrSBen 21.4.2 Berechnung von Temperaturen im stationaren Betrieb 21.4.3 Reduzierung der zulassigen Verlustleistung bei hoher Umgebungstemperatur 21.4.4 Thermische Ausgleichsvorgange

21-6 21 -6 21-7 21-7 21-8

VI

1 21-1 21-1 21-2 21-2 21-2 21-3 21-3 21-3 21-4

INHALTSVERZEICHNIS ANHANG A A.I

SCHALTUNGSANALYSE

Grundlagen der Zweipoltheorie

A.2 Einfache Zweipole A.2.1 Passive Zweipole A.2.2 Aktive Zweipole A.2.2.1 Einfache Spannungsquelle A.2.2.2 Einfache Stromquelle A.2.2.3 Aquivalenzprinzip A.3 Ersatzwiderstand passiver Zweipole A.3.1 Berechnung bei linearen Elementen A.3.2 Grafisches Verfahren bei nichtlinearen Elementen A.3.2.1 Reihenschaltung A3.2.2 Parallelschaltung A.3.3 Linearisierung von Kennlinien A.4 Ersatzschaltung aktiver Zweipole A.4.1 Aktive Zweipole mit einer Quelle A.4.2 Aktive Zweipole mit mehreren Quellen A.5 Zusammenschaltung aktiver und passiver Zweipole A.5.1 Der lineare Grundstromkreis A.5.2 Der nichUineare Grundstromkreis - Grafisches Schnittpunktverfahren A.5.2.1 Nichtlinearer Gleichstromkreis A.5.2.2 Stromkreis mit zeitveranderlicher Quellenspannung A.5.2.3 Uberlagerung von Gieich- und Wechselspannung (grafische Superposition) A.5.3 Stromkreise mit bipolarem Transistor A.5.3.1 Vier-Quadranten-Kennlinienfeld A.5.3.2 Arbeits-Vbenragungskennlinie A.5.3.3 Grafische Ermittlung des Arbeitspunktes A.5.3.4 Grafische Analyse des Wechselstromverhaltens

ANHANG B

VIERPOLTHEORIE

B.I Vierpolgleichungen - V ii-rpolparameter B.I.I Die Z-Parameter B.I.2 Die Y-Parameter B.I.3 Die H-Parameter (Hybrid-Parameter) B.2 Transistor als linearer Vierpol B.2.1 Die h-Parameter des Transistors B.2.2 Ermittlung der h-Parameter aus den Kennlinien des Transistors B.2.3 h-Parameter in Datenblattern von NF-Transistoren B.2.4 Theoretisch ermittelte Naherungswerte der Vierpolparameter des Transistors B.2.4.1 Emitterschaltung B.2.4.2 Basisschaltung

ANHANG C

VERWENDETE GROSSENSYMBOLE UND SCHALTZEICHEN

LITERATURHINWEISE

A-l A-l A-2 A-2 A-2 A-2 A-3 A-3 A-4 A^t A-4 A-4 A-5 A-5 A-7 A-7 A-8 A-9 A-9 A-9 A-9 A-10 A-ll A-15 A-15 A-16 A-16 A-ll

B-l B-l B-3 B-3 B-4 B-5 B-5 B-7 B-8 B-9 B-9 B-10

C-l L-l

VII