Organisatorisches und physikalische Grundlagen der Elektrotechnik
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Prof. Brunner SS 2006 Elektronik für Physiker Angewandte Physik II: Elektronik für Diplomphysiker Prof. Dr. Karl Brunner Raum E099, Tel. 888-5898, [email protected] Infos unter: www.physik.uni-wuerzburg/EP3 → Studenten → Vorlesungen → Elektronik für Dipl.Phys. → login: „student“, „epinfo“ • Termine von Vorlesung, Praktikum • Übungsblätter zum Praktikum • Vorlesungsfolien (.pdf) • Aktuelle Infos, Datenblätter, Schaltpläne, etc. Prof. Brunner SS 2006 Elektronik für Physiker Angewandte Physik II: Elektronik für Diplomphysiker Prof. Dr. Karl Brunner • Vorlesung – Mo. 13:15 -14:45 h, Hörsaal 3 • Elektronik-Praktikum – Raum A034, vereinbarte Termine, 2 Stunden Dauer – Gruppeneinteilung: heute, 24.4.2005 – Beginn: ab 10.5.2005 (wg. Stiftungsfest 11.5. → DoGruppen beginnen bereits am 4.5.) • Schein – Bestandene Klausur und alle 10 Praktikumsversuche – Klausur am Semesterende (24.7.), Keine Nachklausur ! Prof. Brunner SS 2006 Elektronik für Physiker E-Praktikum (Übung) • Termine alles s.t., Dauer: 2 volle Stunden A: B: C: D: E: Mittwoch Donnerstag Donnerstag Donnerstag Freitag 13 - 15 h 9 - 11 h 13 - 15 h 15 - 17 h 11 - 13 h (geändert) • Gruppeneinteilung nach Listeneintrag: – – – – – On-line Anmeldung mit persönlichen Daten Und heute: Eintrag in eine Liste für Übung A…E 2 Studenten (Name 1, Name 2) bilden Gruppe 5 Übungstermine mit maximal je 10 Gruppen Spontaner Gruppenwechsel i. a. nicht möglich Prof. Brunner SS 2006 Elektronik für Physiker Inhalt: • Grundlagen der Elektronik: Halbleiterphysik – Bandstruktur, Dotierung, effektive Masse, Elektronstreuung • Passive Bauelemente – Widerstände, Kondensatoren, Spulen, – RC-Glieder, LRC-Schwingkreise – Dioden: • • • • pn-Übergang, Raumladungszone Drift, Diffusion, e-h-Rekombination Diodentypen: Zenerdiode, LED, Laser Anwendungen • Aktive Bauelemente – Transistoren (bipolar, unipolar, HEMT), Grundschaltungen – Operationsverstärker • Digitale Schaltungstechnik – Logische Schaltungen – Microcontroller und einfache Programmierung Terminplan Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 2006 atum Vorlesung Praktikum 24.04.06, 18. KW V01: Organisatorisches und physikalische Grundlagen der Elektrotechnik, Festkörper --- 01.05.06, 19. KW 1. Mai (Keine Vorlesung) Übung 1 für DoGruppen 08.05.06, 20. KW V02: Grundlagen der Halbleiterphysik, Bauelemente: R, C, RC-Glied, 15.05.06, 21. KW V03: Spule, LRC-Schwingkreis, Trafo, pn-Diode, Raumladungszone, Zener-Diode, Schottky-Diode Übung 2 22.05.06, 22. KW V04: spez. Dioden: Avalanche-, Tunnel-, Leucht-, Laserdiode Übung 3 29.05.06, 23. KW V05: Bipolar-Transistor: Funktionsprinzip, Grundschaltungen Übung 4 05.06.06, 24. KW Pfingsten (Keine Vorlesung) Keine Übungen, außer Do, 8.6. 12.06.06, 25. KW V06: Feldeffekttransistor: J-, MES-, MOSFET Übung 5 19.06.06, 26. KW V07: CMOS, Operationsverstärker Übung 6 26.06.06, 27. KW V08: Schaltwerke, Microcomputer Übung 7 03.07.06, 28. KW V09: Microcomputer, -Programmierung Übung 8 10.07.06, 29. KW V10: Schnittstellen, Logik-Grundfunk-tionen, Schaltnetze Übung 9 17.07.06, 30. KW V11: DA-, AD-Wandler Übung 10 24.07.06, 31. KW Klausur Nachholtermin Passive Übung 1 Elektronik für Physiker • Literatur: Prof. Brunner SS 2006 CD (gibt es zu Praktikumsbeginn): - Skript: Einführung in die Elektronik (J. P. Reithmaier) - PSpice (Simulations-Software für elektronische Schaltungen) - Hinweise zur Anwendung, etc. • Skript: Einführung in die Elektronik – J.P. Reithmaier, TP, Univ.-Würzburg (auf CD) • Elektronik für Physiker – K. H. Rohe, Teubner Studienbücher Physik (analoge Elektronik) • Physics of Semiconductor Devices – S.M. Sze, Wiley, New York • Halbleiter-Schaltungstechnik • U. Tietze und Ch. Schenk, Springer-Verlag (mit CD: PSpice) • • Lehrbücher für Festkörper-, Halbleiterphysik (Ashcroft, Kittel,…) The Art of Electronics – P. Horrowitz, W. Hill, Cambridge University Press • Halbleiter-Elektronik Bd. 1, Bd. 2 – R. Müller, Springer-Verlag (1995, 1991) • Elektronik – H. Hinsch, Springer • Elektrotechnik I, II, Grundlagenlehrbuch – Paul, Springer-Verlag • Das kleine Werkbuch Elektronik – Dieter Nührmann, Franzis Prof. Brunner SS 2006 Elektronik für Physiker Inhalt der CD zum E-Praktikum Dateien und Ordner: • zuerst.txt - Vorliegender Text + Infos • Vorlesung/ Vorlesungsscript.pfd • • • PSpice Install.doc Install.pdf - Ordner mit dem Programm PSpice (DesignLab Evaluation 8) - Installationsanleitung (Microsoft Word oder Wordpad) - Installationsanleitung (Adobe Acrobat Reader) • • Tips.doc Tips.pdf - Anwendungshinweise (Microsoft Word oder Wordpad) - Anwendungshinweise (Adobe Acrobat Reader) • • • • Adobe Daten Doc TS - Ordner mit dem Programm Adobe Acrobat Reader - Ordner mit Datenblättern - Ordner mit Online-Handbüchern - Ordner mit Bibliotheken (UserLib) und Simulationsbeispielen (Projects) aus Tietze-Schenk Prof. Brunner SS 2006 Elektronik für Physiker Übungen • Ausgabe der Übungsblätter in Vorlesung • Theoretische Bearbeitung und Simulationen als Hausaufgabe • Abfrage und Besprechung der Aufgaben in Übung • Durchführung der Messungen, Darstellung der Ergebnisse • Führung eines Protokoll-Ordners Prof. Brunner SS 2006 Elektronik für Physiker Vorlesungsinhalt: 1. Einführung: Physikalische Grundlagen der 1. Elektrotechnik 2. Festkörper 3. Halbleiter 2. Passive Bauelemente – – – – Ohmscher Widerstand Kondensator Spule Diode Prof. Brunner SS 2006 Elektronik für Physiker 1.1 Physikalische Grundlagen der Elektrotechnik • Elektrisches Feld, Potential, Spannung – Potentielle Energie einer Ladung q im Feld E: x x 0 0 z.B.: Plattenkond. E=const. E pot ( x ) − E pot (0) = − ∫ Fdx = − q ∫ E ( x )dx – Elektrisches Potential: ϕ(x)=Epot(x) /q – Spannung: U=ϕ2 - ϕ1; + - x=0 x=d U(x)= Ex – Elektronen „fallen“ im elektrischen Potential, werden beschleunigt, und im Festkörper nach mittl. Streuzeit τ ~ ns inelastisch gestreut (Drude-Modell) – Bewegungsgleichung eines Elektrons mit -e, m*: m*dv/dt = -eE – m*v/τ =0 (stationär) → mittl. Driftgeschw. vD = eτ/m* E Prof. Brunner SS 2006 Elektronik für Physiker Physikalische Grundlagen der Elektrotechnik • Ohmsches Gesetz: – R=L/Aρ , I=U/R [ρ]= Ωm=Vm/A, spez. Widerstand L – Oder: Stromdichte j=I/A = 1/ρ U/L (i.A. differentiell: j(r)= dI(r)/dA) → j = σE mit Leitfähigkeit: σ=1/ρ – Mikroskopisch: vD= -eτ/m* E = -µ E; mit Beweglichkeit: µ=τe/m* [Vs/cm2], mittlere Streuzeit τ Elektronendichte n → j= -envD = +enµ E = σ E; → σ = neµ (σ ist i.A. 3x3-Tensor) A Prof. Brunner SS 2006 Elektronik für Physiker Ohmscher Widerstand: Elektronenstreuung im Festkörper 2,6 Gitterschwingungen, Phononen – Elektron-Phonon-Streuung nimmt mit Phononzahl, Temperatur zu: – Streurate τ−1 ~ nPhonon ~ kBT/hωq (f. T>ΘD) – Dominant in Metallen (da n=const.) ⇒ Temperatursensor Pt100 ∆R~∆T ρ (a.u.) • Keine Streuung im perfekten, periodischen Kristall Elektron als Wellenpaket sieht nur Kristallstörungen: 2,4 2,2 2,0 spezifischer Widerstand • ~T 1,8 1,6 1,4 ~ T5 1,2 1,0 0,8 0,0 • Kristalldefekte D+ e- Elastische Elektron-Elektron-Streuung ? – Kein Einfluss auf σ, da Strom, Impuls erhalten wird – Wichtig für Thermalisierung „heisser“ Elektronen • 1,0 Temperatur T (a.u.) – Fremdatome, besonders ionisierte Störstellen und Dotieratome in Halbleitern wg. Coulombstreuung – Kristallversetzungen, Korngrenzen • 0,5 Effektive Streuzeit: Mathiesen`s Regel – typisch: τ~ ns in Metallen und Halbleitern (300K) 1 / τ = ∑1 / τ i i 1,5 2,0 Elektronik für Physiker Prof. Brunner SS 2006 Festkörper: Metall, Isolator, Halbleiter Elektronorbitale von N Atomen überlappen im Kristall → Band mit N Zuständen je Orbital Metalle: Bänder teilweise gefüllt oder überlappend, typisch 1 Leitungselektron pro Atom (1023cm-3) Umbesetzung besetzter und freier Zustände: Strom Spez. Widerstand ρ < 1 Ωcm Cu: 1.7x10-6 Ωcm (poly-kristallin) Isolatoren: gr. Bandlücke (>5eV) zw. unbesetztem Leitungsund besetztem Valenzband, z.B.: SiO2, Al2O3, Keramik, Kunststoff Keine Umbesetzung möglich, Kein Strom: ρ > 1012 Ωcm Halbleiter: Einkristalle aus Gruppe IV-IV, III-V, II-VI Elementen „Isolator“ mit kleiner Bandlücke Eg= 0 – 3.5 eV z.B.: Si (1.14eV), GaAs (1.43eV), ZnSe (2.7eV), GaN (3.36eV) Kristallstruktur: Diamant-, oder Zinkblendestruktur, d.h. fcc-Gitter mit 2-atomiger Basis, z.B. Ga(0,0,0), As(1/4,1/4,1/4) ρ= 0.1 - 1012 Ωcm (für Eigenleitung bei T ~ 300 K) Definierte Stromleitung durch n-, p-Dotierung (1014 – 1021 cm-3)
