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
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
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
11.4 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
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
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