Lehrveranstaltung Einführung in die Elektronik · - Skript Elektronik - Lehrbriefe . Grundlagen elektronischer Bauelemente . Köhler / Mersiowski, Nachauflage durch Buff / Hartmann,

Vorlesender Dr. Gernot Ecke ZMN 315 Tel: 69 3407 [email protected] WEB-Seiten des Fachgebietes Nanotechnologie: http://www.tu-ilmenau.de/mne-nano/vorlesungen-und-praktika/ http://www.tu-ilmenau.de/nano dort: Überarbeitetes Vorlesungsskript, Übungsaufgaben, Folien zur Vorlesung, Beispielklausur und Ergebnisse

Skript und Übungsaufgaben auch bei zu kaufen

zum Seminar mitbringen: Vorlesungsmitschrift, Taschenrechner, Aufgabensammlung, Skript

Lehrveranstaltung

Einführung in die Elektronik Donnerstag, 11.00 – 12.30 Uhr Helmholtz-HS

- Skript Elektronik

- Lehrbriefe Grundlagen elektronischer Bauelemente Köhler / Mersiowski, Nachauflage durch Buff / Hartmann, TU Ilmenau 1998

- www.elektronik-kompendium.de

- Elektronik für Physiker K. H. Rohe Teubener Studienbücher; ISBN 3-519-13044-0

- Gerthsen Physik H. Vogel Springer Verlag, 20. Auflage, ISBN 3-540-65479-8

- Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik H. Lindner, H. Brauer, C. Lehmann Carl Hanser Verlag, Leipzig 2008, ISBN 978-3-446-41458-7

- Lehr- und Übungsbuch Elektronik G. Koß, W. Reinhold, F. Hoppe Carl Hanser Verlag, Leipzig 2005, ISBN 3-446-40016-8

Lite

ratu

r

http://www.elektronik-kompendium.de/

Einführung in die Elektronik WS 2014 - 2015 Einführung in die Elektronik G. Ecke Donnerstag Vorlesung

Seminare

11.00 - 12.30 Helmholtz-Hörsaal

BTC 3.FS, TKS 3.FS, TPH 1.FS, WIW-ET 3.FS 1, WIW-ET 3.FS 2, WIW-MB 3.FS 2, WIW-MB 3.FS 3, WIW-MB 3.FS 4, WSW 3.FS

Th. Stauden Dienstag G 09.00 - 10.30 Sr HU 210 WSW 3.FS

Dienstag U

09.00 - 10.30 Sr K 2026 WIW-MB 3.FS 4

H. Jacobs Dienstag U

13.00 - 14.30 Sr HU 117 WIW-ET 3.FS 1

Dienstag G

13.00 - 14.30 Sr HU 011 WIW-ET 3.FS 2

G. Ecke

Dienstag U

17.00 - 18.30 Sr H 1527 TKS 3.FS

Dienstag G 17.00 - 18.30 Sr C 108 BTC 3.FS K.-H. Drüe

Mittwoch G

09.00 - 10.30 Sr HU 204 WIW-MB 3.FS 3

Mittwoch U

09.00 - 10.30 Sr K 2003A WIW-MB 3.FS 2

G. Ecke Mittwoch U 13.00 – 14.30 Sr H2509 WIW-MB 3.FS 1

L. Schlag Mittwoch G+U 07.00 - 08.30 Sr C 108 TPH 1.FS

Inhalt der Lehrveranstaltung:

0. Vorbemerkungen 0.1. Begriff ‚Elektronik’ 0.2. Bedeutung der Elektronik 0.3. Geschichte der Elektronik 1. Eigenschaften fester Körper 1.1. Metalle 1.2. Energiebänder im Festkörper 1.3. Fermi-Gas 1.4. Isolatoren 1.5. Halbleiter 1.5.1. Reine Halbleiter, Eigenhalbleiter 1.5.2. Gestörte Halbleiter, dotierte Halbleiter 1.5.2.1. n-Dotierung 1.5.2.2. p-Dotierung

2. Passive elektronische Bauelemente 2.1. Widerstände 2.1.1. Festwiderstände 2.1.2. andere Widerstände 2.2. Kondensatoren 2.2.1. Allgemeines 2.2.2. Technische Ausführungen 2.3. Induktivitäten 2.3.1. Allgemeines 2.3.2. Technische Ausführungen 2.3.3. Spezielle Anwendungen 2.3.3.1. Das Relais 2.3.3.2. Der Transformator 2.4. Zusammenschaltungen passiver Bauelemente 2.4.1. Hochpass / Tiefpass 2.4.1.1 Der Tiefpass 2.4.1.2. Der Hochpass 2.4.2. Der Schwingkreis 2.4.2.1. Der Parallelschwingkreis 2.4.2.2. Der Reihenschwingkreis

3. Aktive elektronische Bauelemente 3.1. Halbleiterdioden 3.1.1. Der p-n-Übergang 3.1.1.1. p-n- Übergang im stromlosen Zustand 3.1.1.2. p-n- Übergang bei angelegter Spannung 3.1.2. Die Diode, Gleichstromverhalten 3.1.3. Kleinsignalverhalten 3.1.3.1. das quasistatische Verhalten 3.1.3.2. das dynamische Verhalten 3.1.4. Das Schaltverhalten der Diode 3.1.5. Gleichrichterschaltungen 3.1.5.1. Die Einweggleichrichtung 3.1.5.2. Die Zweiweggleichrichtung 3.1.6. spezielle Halbleiterdioden 3.1.6.1. Die Schottkydiode 3.1.6.2. Die Kapazitätsdiode 3.1.6.3. Die Tunneldiode 3.1.6.4. Die Zenerdiode 3.1.6.5. Die Leuchtdiode

3.2. Bipolartransistor 3.2.1. Grundlagen 3.2.1.1. Aufbau des Bipolartransistors 3.2.1.2. Transistorwirkung 3.2.2. Basisschaltung 3.2.3. Emitterschaltung 3.2.3.1. Kennlinien 3.2.3.2. Widerstandsgerade und Arbeitspunkt 3.2.3.3. Verlustleistungshyperbel 3.2.3.4. Stromversorgungsschaltungen 3.2.3.5. Temperatureinfluss 3.2.3.6. Temperaturkompensationsschaltungen 3.2.3.7. Widerstandsgerade Eigenschaften der Emitterschaltung 3.2.4. Kleinsignalersatzschaltbild, h-Parameter 3.2.5. y-Parameter 3.2.4. Transistor als Schalter

3.3. Feldeffekttransistoren (FET) 3.3.1. Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (SFET) 3.3.1.1. Aufbau, Funktion 3.3.1.2. Kennlinien 3.3.2. Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (IGFET) 3.3.2.1. Aufbau 3.3.2.2. MOS-Kapazität 3.3.2.3. Funktion des MOSFET 3.3.2.4. Typen von MOSFETs 3.3.2.5. Grundschaltungen 3.3.2.6. CMOS-Technologie 3.3.2.7. Kleinsignalersatzschaltbild 3.4. Operationsverstärker 3.4.1. Aufbau und Prinzip 3.4.2. Idealer Operationsverstärker 3.4.3. realer Operationsverstärker 3.4.3. Grundschaltungen mit Operationsverstärkern

4. Herstellungstechnologie von Integrierten Schaltungen 4.1. Halbleitergrundmaterial: Si 4.2. Schaltkreisherstellung 4.2.1. Einführung 4.2.2. Wichtige Teilschritte der Bauelementefertigung 4.2.2.1. Dotierung 4.2.2.2. Schichtherstellung 4.2.2.3. Schichtstrukturierung 4.2.2.4. Verkappen und Anschließen (Packaging) 4.2.3. Reinraumtechnik 4.2.4. Technologiebegleitende Analytik 4.2.4.1 Ziele und Aufgaben der Analytik 4.2.4.2. Atomar-chemische Analytik 4.2.4.3. Strukturelle Analytik 4.2.4.4. Elektrische Analytik 4.2.4.5. Morphologische Analytik

Elektronik 0. Vorbemerkungen

0.1 Begriff „Elektronik“

0.2 Bedeutung der Elektronik

0.3 Geschichte der Elektronik

Transistorradio, Schaltplan und Aufbau

Transistorradio, etwas aufwändiger

Si-Scheibendurchmesser 1970 50 mm 1980 100 mm 1990 150 mm 1995 200 mm 2001 300 mm ca. 2012 450 mm kleinere Strukturen - kleinere Schaltkreisflächen oder komplexere IC Jahr Strukturbreite Speicherkapazität das entspricht: 1975 5 µm 4 kbit DRAM 1/4 A4-Seite 1985 1,5 µm 1 Mbit DRAM 64 A4-Seiten 1990 1 µm 4 Mbit 256 A4-Seiten 1995 0,6 µm 16 Mbit 1000 A4-Seiten 2000 0,18 µm 256 Mbit 16000 A4-Seiten 2003 0,13 µm 512 Mbit 32000 A4-Seiten (100 Bücher) 2009 0,050 µm 4 Gbit 800 Bücher = 1 Bibliothek?

Trends in der Chiptechnologie

Elektronik 1. Eigenschaften fester Körper

1.1 Metalle

1.2 Energiebänder im Festkörper

1.3 Fermi-Gas

1.4 Isolatoren

1.5 Halbleiter


1.1 Metalle


1.3 Fermi-Gas

1.4 Isolatoren

1.5 Halbleiter

Energie um Einzelatome und Atome im Festkörper

dGeringerAtomabstand

GroßerAtomabstand

Metall Isolator

W

6

5

4

3

2

1

0

Energiebänder und Bandabstand in Abhängigkeit vom Abstand der Atome


1.1 Metalle


1.3 Fermi-Gas

1.4 Isolatoren

1.5 Halbleiter

T = 0

T > 0

WF

kT

W

kT 25 meV, T = 300 K

f (W)1

0

( )1exp

1

+

−

=

kTWW

WfF

Fermi-Verteilungsfunktion


1.1 Metalle


1.3 Fermi-Gas

1.4 Isolatoren

1.5 Halbleiter

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

ParaffinDiamantGlasSchieferReinstes Wasser

reines Ge

Ag

Au, Cu

SnPb

Hal

blei

ter

log ρ [Ω cm]

Der spezifische Widerstand ρ ist eine Stoffeigenschaft, die einen riesigen Größenordnungsbereich überspannt.


1.1 Metalle


1.3 Fermi-Gas

1.4 Isolatoren

1.5 Halbleiter

Diamantgitter (kfz) (Si)

Zinkblende-Gitter (GaAs, CdS, ZnS u.a.)

Hexagonales Gitter (Wurtzitgitter) (GaN, SiC, ZnO, AlN)

Elektronik 2. Passive elektronische Bauelemente

2.1 Widerstände

2.2 Kondensatoren

2.3 Spulen

2.4 Zusammenschaltung passiver Bauelemente

Typ Pv, max To, max R ∆R/R TK [W] [°C] [Ω] % [1/K] Draht 0,5-600 200-350 10-1-105 0,1-10 +10-4

Kohleschicht 0,1-5 125 10-1-1012 1-20 -10-4…-10-3

Metallschicht 0,1-2 170 100-107 0,1-2 10--6 …10-4 Metalloxid 0,5-200 180-250 10-1-106 2-10 ±10-5..±5*10-4

Eigenschaften technischer Widerstände:

Farbcode für Widerstände sengpielaudio

4-Ring-Code - Farbcode Widerstand TabelleFarbe 1.Ring 2.Ring Multiplikator Toleranz +/-keine 20%silber 0,01 10% 1.Ziffergold 0,1 5% 2.Zifferschwarz 0 0 1 Multiplikatorbraun 1 1 10 1% Toleranzrot 2 2 100 2%orange 3 3 1Kgelb 4 4 10K 1.Ziffergrün 5 5 100K 0,50% 2.Zifferblau 6 6 1M 0,25% 3.Zifferviolett 7 7 10M 0,10% Temp.-grau 8 8 100M 0,05% Koeff.weiß 9 9 1G

5- und 6-Ring-Code - Farbcode Widerstand TabelleFarbe 1.Ring 2.Ring 3.Ring Multiplikator Toleranz +/- Temperatur-keine 20% M Koeffizientsilber 0,01 10% Kgold 0,1 5% J schwarz 0 0 0 1 200 ppm/Kbraun 1 1 1 10 1% F 100 ppm/Krot 2 2 2 100 2% G 50 ppm/Korange 3 3 3 1K 15 ppm/Kgelb 4 4 4 10K 25 ppm/Kgrün 5 5 5 100K 0,50% Dblau 6 6 6 1M 0,25% C 10 ppm/Kviolett 7 7 7 10M 0,10% B 5 ppm/Kgrau 8 8 8 100M 0,05% Aweiß 9 9 9 1G

Beispiel:

5

6

00

= 5,6 k / 10 % / 500 V

Widerstandsrechner: http://www.uni-ulm.de/wwe/PHP/widerstand2.php

E6

E12

E24

E6

E12

E24

± 20%

± 10%

± 5%

± 20%

± 10%

± 5%

1,00

1,00

1,00

3,30

3,30

3,33

1,10

3,60

1,20

1,21

3,90

3,90

1,30

4,30

1,50

1,50

1,50

4,70

4,70

4,70

1,60

5,10

1,80

1,80

5,60

5,60

2,00

6,20

2,20

2,20

2,20

6,80

6,80

6,80

2,40

7,50

2,70

2,70

8,20

3,00

9,10

E-Reihen für die Widerstandsstaffelung

Je größer die E-Reihe, desto kleiner sind die Toleranzen der Bauteile: E3 = über 20 %, E6 = 20 %, E12 = 10%, E24 = 5 %, E48 = 2 %, E96= 1 %, E192 = 0,5 %

Mäanderform integrierter Widerstände:

E-Reihen für die Widerstandsstaffelung

Potentiometerkurven


2.1 Widerstände

2.2 Kondensatoren

2.3 Spulen


Ud

+ Q

- Q

e-

e-

AE

Kapazität = Ladungsspeicherung

Strom- und Spannungsverlauf an einer Kapazität

Ersatzschaltbild für hohe Frequenzen:

Styroflexkondensator Wickelkondensator

Keramikkonsendator

Elektrolytkondensator

Kondensatorarten

Materialdaten der drei in der Elektronik verwendeten Elektrolytkondensator-Bauarten

Anode

Dielektrikum

Dielektri- Zitätskon-

stante

Spannungs-festigkeit in V/µm

Aluminium

Al2O3

8,4

700

Tantal

Ta2O5

28

625

Niob

Nb2O5

42

455

Drehkondensator

mit Luft-Dielektrikum mit Kunststoff-Dielektrikum

Drehkondensatoren


2.1 Widerstände

2.2 Kondensatoren

2.3 Spulen


I (t)

H

U

U, I

t

U ind

t=0

I

Induktivität

Phasenverschiebung an Induktivitäten

Strom- und Spannungsverlauf an einer Spule

Relative Permeabilitäten µr

abstimmbare Kreuzwickelspule

Technische Spulen

Funktion des Relais

verschiedene Relais

Reed-Relais

Reed-Schalter Prinzip eines Reed-Relais

Technische Relais

Schaltsymbol Transformator mit ein bzw. zwei Sekundärwicklungen

Magnetfluß im Trafo

Drehstromtrafo

Flachtrafo Ringkerntrafo

kleiner Eisenkerntrafo Technische Transformatoren


2.1 Widerstände

2.2 Kondensatoren

2.3 Spulen


102 103 104 105 10610-2

10-1

100

Tiefpass

Ampl

itude

nver

hältn

is

Frequenz in Hz

102 103 104 105 106-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Tiefpass

Phas

endr

ehun

g [°]

Frequenz in HzTiefpass

102 103 104 105 106

Grenzfrequenz

-40

dB-2

0 dB

0 dB

Tiefpass

Ampl

itude

nver

hältn

is

Frequenz

Tiefpass – Darstellung in dB

102 103 104 105 10610-2

10-1

100Grenzfrequenz

Tiefpass Hochpass

Ampl

itude

nver

hältn

is

Frequenz in Hz

Hochpass 102 103 104 105 106-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Tiefpass Hochpass

Phas

endr

ehun

g [°]

Frequenz in Hz

http://www.walter-fendt.de/ph11d/schwingkreis.htm http://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/lrc_swing.html

Der

Sch

win

gkre

is

http://www.walter-fendt.de/ph11d/schwingkreis.htm http://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/lrc_swing.html

Parallelschwingkreis

Spule Kondensator

Reihenschwingkreis

Erzwungene Schwingung

Transistorradios, Schaltpläne

Elektronik 3. Aktive elektronische Bauelemente

3.1 Halbleiterdioden

3.1.1 Der p-n-Übergang

3.1.2 Die Diode, Gleichstromverhalten

3.1.3 Kleinsignalverhalten

3.1.4 Schaltverhalten der Diode

3.1.5 Gleichrichterschaltungen

3.1.6 Spezielle Dioden

x0x

NA NDD

otie

rung

abrupter, symmetrisch dotierter p-n-Übergang

Der p-n-Übergang

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

p-Gebiet n-Gebiet

B- B- B-

B- B- B-

B- B- B-

B- B- B-

B- B- B-

B- B- B-

Konzentrationen beweglicher Ladungsträger in log. Darstellung

Konzentrationen beweglicher Ladungsträger und der Dotandenionen in lin. Darstellung

Resultierende Raumladung in lin. Darstellung

Elektrische Feldstärke in lin. Darstellung

Potential in lin. Darstellung

p n D

er p

-n-Ü

berg

ang

p-n-Übergang in Durchlassrichtung

p-n-Übergang in Durchlassrichtung

p-n-Übergang in Sperrrichtung

Aufbau einer Si-Planardiode

Prinzipieller Aufbau einer Si-Diode









Diode, Schaltsymbol

Dio

den,

Bau

form

en

Diodenkennlinie und Kennliniengleichung

)1( −⋅= ⋅ TUnU

S eII

Einfluss des Halbleiters auf die Diodenkennlinie

)1( −⋅= ⋅ TUnU

S eII

Temperaturverhalten

T T









t

II = I (e -1)s

Un UT

U0

t

U

U =U + sin t0

verzerrtes Ausgangssignal

Wec

hsel

span

nung

an

eine

r Dio

de

Signalverzerrungen an einer Diode

Abbau der in den Diffusionsschwänzen gespeicherten Ladung beim Umschalten von Durchlass- in Sperrrichtung

http://www.krucker.ch/Skripten-Uebungen/AnSys/ELA4-D.pdf

Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität von der angelegten Sperrspannung

m

DIFF

D

SDS

UU

CUC

−

=

1

)( 0

CS0 – Nullspannungskapazität m - Gradationsexponent UDIIFF - Diffusionsspannung

Abhängigkeit der Diffusionskapazität vom Diodenstrom

DDD r

TUC 1)( ⋅=

T – Zeitkonstante, Trägerlebensdauer rD – differentieller Widerstand

http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/node91.html

R RBp Bng

Cs

Cd

rD

Dynamisches Ersatzschaltbild der Diode









Schaltverhalten der Halbleiterdiode

IDUq2

UD

R1 R2

Uq1

Prinzipschaltung

IDUD

IF

UF

t

Idealer Spannungs- und Stromverlauf

IDUD

IR0

IF

tFtS

tRR

t

realer Spannungs- und Stromverlauf









Einweggleichrichtung

ohne Kondensator

mit Kondensator

?

Zweiweggleichrichtung

ohne Kondensator, mit Trafo mit Mittelanzapfung

?

Zweiweggleichrichtung

ohne Kondensator, mit Graetz- oder Brückengleichrichtung

Brückengleichrichter









Schottkydiode

Kennline und Symbol

Aufbau

Bänderschema

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Baenderdiagramm_metal-n-type.png

Flussspannungen von LED: GaAIAs/GaAs (rot und infrarot): 1,2–1,8 V InGaAIP (rot und Orange): 2,2 V GaAsP/GaP (gelb): 2,1 V GaP, InGaAlP (grün, ca. 570 nm): 2,2–2,5 V GaN/GaN (grün): 3,0–3,4 V InGaN (grün, 525 nm): 3,5–4,5 V InGaN (blau und weiß): 3,3–4 V

Bandlücke und Gitterkonstanten von Halbleitern


3.2 Bipolartransistoren

3.2.1 Grundlagen

3.2.2 Die Basisschaltung

3.2.3 Die Emitterschaltung

3.2.4 Kleinsignalersatzschaltbild, h-Parameter

3.2.5 y-Parameter

3.2.6 Der Transistor als Schalter

npn-Transistor pnp-Transistor

zwei Beispiele für den schematischen Aufbau von npn-Transistoren

Bipolartransistor, Aufbau

vertikaler npn-Transistor

Kleinleistungstransitor und Leistungstransistor

Bipolartransistor, Aufbau

Bipolartransistor, Ladungsträger- und Dotierprofil

E B C

U EB

R

U BC

Funktionsprinzip des Bipolartransistors in Basisschaltung

Funktionsprinzip des Bipolartransistors in Basisschaltung

)1( −−=′ ⋅−

T

EBUn

U

ESE eII )1( −−=′ ⋅−

T

CBUn

U

CSC eII

′⋅ EN IA′⋅ CI IA

UEB UCB

Transistorgrundgleichungssystem und Gleichstromersatzschaltbild nach Ebers-Moll

(1)

(2)

)1()1( −⋅+−−= ⋅−

⋅−

T

CB

T

EBUn

U

CSIUn

U

ESE eIAeII

)1()1( −−−⋅= ⋅−

⋅−

T

CB

T

EB

UnU

CSUn

U

ESNC eIeIAI



3.2.1 Grundlagen




3.2.5 y-Parameter


Eingangskennlinie und Ausgangskennlinienfeld in Basisschaltung



3.2.1 Grundlagen




3.2.5 y-Parameter


Eingangskennlinie und Ausgangs-kennlinienfeld in Emitterschaltung

Übertragungskennlinie eines npn-Bipolartransistors

a) Einganskennlinie, b) Ausgangskennlinienfeld und c) Übertragungskennlinie eines Si-Planartransistors

a) b) c)

Spannungsrückwirkung eines Bipolartransistors

Vierquadranten-Kennlinienfelder von Si-npn-Transistoren

IB

AP R

Uq

UCE

IC

IB=100 µA Uq=10 V R=500 Ω

ICmax

UCEmax

PVmax

Ausgangskennlinenfeld und Arbeitsgerade; Blau: Belastungsgrenzen

Arbeitspunkt im Vierquadranten-Kennlinienfeld

a) Basistromeinspeisung von der Betriebsspannung b) Basistromeinspeisung vom Kollektor

c) Basisspannungsteiler (mit R4-Stromgegenkopplung) d) Spannungsgegenkopplung)

Bipolartransistor, Stromversorgungs- schaltungen

a) Basistromeinspeisung von der Betriebsspannung

b) Basistromeinspeisung vom Kollektor

c) Basisspannungsteiler (mit R4-Stromgegenkopplung) d) Spannungsgegenkopplung)

Bipolartransistor, Stromversorgungs- schaltungen

Temperaturabhängigkeit des ICB0 und des Transistor-Ausgangskennlinienfeldes in Emitterschaltung (schematisch)

Ausgangskennlinienfeld eines npn-Transistors BD 825 bei 21°C und 80°C



3.2.1 Grundlagen




3.2.5 y-Parameter


u1

i1

u2

i2

h11

h12u2

h22 h21i1

1

Kleinsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors in h-Parameter-Darstellung

u1=h11i1 + h12u2 (1) I2 =h21i1 + h22u2 (2)

EEE

EB hhh

hh1221

1111 1 −+∆+

=

EEE

EB hhh

hhh1221

1212 1 −+∆+

−∆=

EEE

EEB hhh

hhh1221

2121 1 −+∆+

−∆=

EEE

EB hhh

hh1221

2222 1 −+∆+

=

EEEEE hhhhh 21122211 −=∆

Umrechnung der h-Parameter der Emitterschaltung in die der Basisschaltung

Für den Arbeitspunkt UCE=6 V und IC = 2mA für f= 1 kHz Transistor: SC 206

Ω= kh 1.2114

12 108.3 −⋅=h2921 =h

Sh 522 108.4 −⋅=

hRhRhz

S

Sa ∆+⋅

+=

22

11

hRhRhvL

Lu ∆⋅+

⋅−=

11

21

22

211211 1 h

R

hhhz

L

e

+

⋅−=

22

21

1 hRhv

Li ⋅+=

RL - Gesamtlastwiderstand am Ausgang des Transistors Rs - Gesamtwiderstand am Eingang des Transistors bei kurzgeschlossener Signalquelle

Kenngrößen von Transistorschaltungen

Eingangswiderstand

Ausgangswiderstand

Stromverstärkung

Spannungsverstärkung



3.2.1 Grundlagen




3.2.5 y-Parameter


1111

1h

y =

11

1212 h

hy −=

11

2121 h

hy =

1122 h

hy ∆=

21122211 hhhhh −=∆

Umrechnung der h- in y-Parameter und umgekehrt Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden.

11

1212 y

yh =

11

2121 y

yh =

1122 y

yh ∆=

21122211 yyyyy −=∆



3.2.1 Grundlagen




3.2.5 y-Parameter


IB

t

1

2

t

U /Rq1 1

U /Rq2 2ts tf

IB

t

U /Rq2 2

ts tf

10%

90%

td tr

Schalterstellung

10%

Schaltverhalten des Bipolartransistors

Prinzipschaltung

Stromverläufe

R2

R1

Uq11

21Uq2

Uq12




3.3 Feldeffekttransistoren

3.4 Operationsverstärker

Erfindung des Feldeffekttransistors

Julius Edgar Lilienfeld Mathematiker, Physiker, Philosoph 1882 – 1963 Erfindung 1925 Patent 1926 (Auswanderung 1927)

Patentschrift 1926

Prinzip eines Feldeffekttransistors:





3.3.1 Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SFET)

Aufbau und Schaltsymbol eines n-Kanal-SFET

Aufbau und Schaltsymbol eines p-Kanal-SFET

Schaltzeichen

n-Kanal-Sperrschicht-FET

p-Kanal-Sperrschicht-FET

Ausgangskennlinienfeld

Übertragungskennline

Einfluß von UGS und UDS auf den Kanal des SFET

Übertragungskennline und Ausgangs-KLF eines n-Kanal-SFET

Kennlinien einen p-Kanal-SFET 2N 2386

Übertragungskennlinie, temperaturabhängig

Ausgangskennlinienfeld





3.3.1 Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SFET)

3.3.2 Feldeffekttransistoren mit isolierendem Gate (IGFET)

n-Kanal-MOSFET

p-Kanal-MOSFET

MOSFET, Aufbau

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+ n-

Hal

blei

ter

SiO

2

Met

all

UMS

Spannungsloser Zustand

MO

S-Ka

pazi

tät

UMS

Positive Spannung am Gate

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+ n-

Hal

blei

ter

SiO

2

Met

all

Anreicherung

MO

S-Ka

pazi

tät

UMS

Negative Spannung am Gate Verarmung

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+ n-

Hal

blei

ter

SiO

2

Met

all

MO

S-Ka

pazi

tät

UMS

Negative Spannung am Gate Inversion

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+ n-

Hal

blei

ter

SiO

2

Met

all

MO

S-Ka

pazi

tät

UMS

Negative Spannung am Gate Starke Inversion

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+

P+ P+ P+ n-

Hal

blei

ter

SiO

2

Met

all

MO

S-Ka

pazi

tät

Anreicherung

Verarmung

Inversion

MO

S-Ka

pazi

tät

Verarmung

Starke Inversion

MO

S-Ka

pazi

tät

Aufbau und Dimensionierung eines MOSFET

Einfluß von UGS und UDS auf den Kanal des MOSFET

Einfluß von UGS und UDS auf den Kanal des MOSFET

n-MOS

p-MOS

Schaltsymbole und Übertragungs- Kennlinien von MOSFETs

Ausgangskennlinienfeld eines n-Enhancement-MOSFET

Ausgangskennlinienfeld und Übertragungskennlinie eines n-Depletion-MOSFET

Sourceschaltung

Gateschaltung

Drainschaltung

Anreicherungs-MOSFET Verarmungs-MOSFET Grund- schaltungen

Stromversorgungsschaltung für n-Anreicherungs-MOSFET

CMOS-Inverter Eingang: 0 Eingang: 1

Kombination von n-MOSFET und p-MOSFET in der CMOS-Technologie





3.4 Operationsverstärker

Differenzverstärker

Prinzipieller Aufbau

Operationsverstärker (Prinzip) Schaltsymbol

alt

neu

OPV

Kenngröße Idealer Operationsverstärker Realer Operationsverstärker

Leerlaufverstärkung Unendlich ca. 105 ... 106

Eingangswiderstand Re unendlich Ω 1 ΜΩ bis 1000 MΩ

Untere Grenzfrequenz fmin 0 Hz 0 Hz

Unitity-Gain-Frequenz-Bandbreite unendlich Hz > 100 MHz

Gleichtaktverstärkung VGl 0 ca. 0,2

Gleichtaktunterdrückung G unendlich ca. 5.000.000

Rausch-Ausgangsspannung Urausch 0 V ca. 3 µV

Offsetspannung 0 V 2 mV

Ausgangsleistung unendlich W 500 mW

Ausgangswiderstand 0 Ω 150 Ω

OPV‘s: Bauformen und Kenngrößen

Nichtinvertierender Verstärker Invertierender Verstärker

Grundschaltungen mit OPV‘s

R2

R1

UEDUE

UA

-

+

R2

R1

UED

UE UA

-

+

Impedanzwandler Strom-Spannungswandler Astabiler Multivibrator

Bistabiler Multivibrator Summierverstärker

Differenzierer

Integrierer Grundschaltungen mit OPV‘s

Elektronik 4. Herstellungstechnologie von integrierten Schaltungen

4.1 Halbleitergrundmaterial: Si

4.2 Schaltkreisherstellung

4.3 Reinraumtechnik

4.4 Technologiebegleitende Analytik

Documents

Lehrveranstaltung Einführung in die Elektronik · - Skript Elektronik - Lehrbriefe . Grundlagen elektronischer Bauelemente . Köhler / Mersiowski, Nachauflage durch Buff / Hartmann,