Klausur Halbleiterphysik und Elektronik 1
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Fachhochschule Pforzheim, FB Ingenieurwissenschaften Klausur Halbleiterphysik und Elektronik 1 Prof. Dr. W.-H. Rech / Prof. Dr. Frank Thuselt Seite 1/5 Name Matrikel-Nr. .ODXVXU+DOEOHLWHUSK\VLNXQG(OHNWURQLN 6RPPHUVHPHVWHU Prüfer: Prof. Dr.-Ing. W.-H. Rech, Prof. Dr. Frank Thuselt Zugelassene Hilfsmittel im Teil A - keine Hilfsmittel im Teil B - Taschenrechner, - 4 Seiten selbstgeschriebene Formelsammlung, - Skriptanhang zur Halbleiterphysik mit Periodensystem, ohne handschriftliche Einträge Wichtig: Alle Aussagen sind zu begründen; bei Rechnungen müssen die Zwischenergebnisse und Zwischenschritte erkennbar sein, sonst keine Wertung. Skizzen sind ratsam. 3XQNWHYHUWHLOXQJ Insgesamt sind 80 Punkte zu erreichen Erreichbare Punktzahl Teil A, Halbleiterphysik (Aufgaben A 1 - A 4) 20 Punkte A1 5 A2 5 A3 5 A4 5 Teil A, Elektronik (Aufgaben A 5- A 7) 13 Punkte A5 3 A6 5 A7 5 Teil B, Halbleiterphysik (Aufgaben B 1 - B 2) 10 Punkte B1 5 B2 5 Teil B, Elektronik (Aufgaben B 3 - B 5) 17 Punkte B3 6 B4 5 B5 6 6XPPH 3XQNWH Erreichte Punktzahl Fachhochschule Pforzheim, FB Ingenieurwissenschaften Klausur Halbleiterphysik und Elektronik 1 Prof. Dr. W.-H. Rech / Prof. Dr. Frank Thuselt Seite 2/5 )UDJHQXQG$XIJDEHQ7HLO$(Dauer 45 min) IQGLHVHP7HLOVLQGNHLQH+LOIVPLWWHO]XJHODVVHQ%HDFKWHQ6LHGDVVGLHPHLVWHQ$XIJDEHQQXUTXDOLWDWLY]XEHDQW ZRUWHQVLQG)DOOV5HFKQXQJHQYHUODQJWVLQGUHLFKHQhEHUVFKODJVUHFKQXQJHQPLWHLQHUELV]ZHL6WHOOHQ*HQDX LJNHLW*HEHQ6LHMHGRFKGLH]XJUXQGHOLHJHQGH)RUPHODQ 'LH$QWZRUWHQN|QQHQLQGHU5HJHOXQWHUGLH$XIJDEHJHVFKULHEHQZHUGHQ $XIJDEH$3XQNWH Skizzieren Sie die Abhängigkeit der Beweglichkeit von der Dotierungskonzentration in einem Halbleiter bei Zimmertemperatur.. log(µ) log(1) $XIJDEH$3XQNWH a) Von welchen beiden Größen hängt die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters ab? Was ist bei einem Metall anders? b) Welche Maßeinheit hat die Leitfähigkeit? Fachhochschule Pforzheim, FB Ingenieurwissenschaften Klausur Halbleiterphysik und Elektronik 1 Prof. Dr. W.-H. Rech / Prof. Dr. Frank Thuselt Seite 3/5 $XIJDEH$3XQNWH +DOEOHLWHU4XL]-HGHULFKWLJH$QWZRUWHUJLEW3XQNWHMHGHIDOVFKH$QWZRUW−3XQNWHEULQJWDOVR 3XQNWH$E]XJXQEHDQWZRUWHWH)UDJHQHUJHEHQ3XQNWH Sind die folgenden Aussagen richtig (+) oder falsch (−)? • In einem undotierten Halbleiter liegt das Ferminiveau etwa in der Mitte des Gaps. • Das Ferminivau ist die Energie, bei der die Besetzungswahrscheinlichkeit (falls Zustände vorhanden sind) gerade gleich 1/2 ist.. • Der Diffusionskoeffizient ist der Beweglichkeit proportional. • Die Elektronenkonzentration im Leitungsband ist bei tiefen Temperaturen geringer als bei hohen Temperaturen. • Der Feldstrom im Halbleiter hängt von der Teilchenkonzentration und der Beweglichkeit ab. • Der Ortsverlauf des elektrischen Potentials 8([) an einem pn-Übergang wird aus dem Feldstärkeverlauf (([) durch Differentiation ermittelt. • Der Driftstrom hängt von der Teilchenkonzentration ab. • Die Diffusionsspannung einer Halbleiterdiode hängt von der angelegten äußeren Spannung ab. • Bei einer Halbleiterdiode ist der Feldstrom der bestimmende Anteil für die Funktion. • Bei einem Bipolartransistor ist die Verstärkung in Basisschaltung α immer größer als eins. $XIJDEH$3XQNWH Was ist eine Zenerdiode? Skizzieren Sie ihre Kennlinie und erklären Sie in wenigen Worten, wie sie zustande kommt. $XIJDEH$3XQNWH Zeichnen Sie die Schaltsymbole für: npn-Bipolartransistor p-Kanal-MOSFET(Enhancement Mode) Optokoppler Fachhochschule Pforzheim, FB Ingenieurwissenschaften Klausur Halbleiterphysik und Elektronik 1 Prof. Dr. W.-H. Rech / Prof. Dr. Frank Thuselt Seite 4/5 $XIJDEH$3XQNWHMHGHULFKWLJH$QWZRUWHUJLEW 3XQNWHMHGHIDOVFKH$QWZRUWHUJLEW 3XQNWH XQEHDQWZRUWHWH)UDJHQHUJHEHQ 3XQNWH Sind folgende Aussagen richtig (+) oder falsch (-) Die Stromverstärkung der Kollektorschaltung liegt immer nahe bei Eins. Schottkydioden haben einen besonders kleinen Sperrstrom. Kapazitätsdioden werden in Sperrrichtung betrieben. Der Sperrstrom einer Diode wächst näherungsweise quadratisch mit der Temperatur. Durch Gegenkopplung wird das Übertragungsverhalten eines Verstärkers linearisiert. Der Bahnwiderstand des Emittergebiets ist beim Bipolartransistor besonders groß. Die Spannungsverstärkung ist beim Bipolartransistor größer als beim FET. Abblockkondensatoren sollten für Wechselspannung einen kleinen Leitwert besitzen. Die Licht-Strom-Kennlinie einer Photodiode ist nahezu ideal linear. Der Operationsverstärker hat mindestens fünf Anschlüsse. $XIJDEH$3XQNWH Zeichnen Sie die Schaltung eines Brückengleichrichters aus Einzeldioden zusammen mit Trafo, Ladekondensator und Lastwiderstand. Stellen Sie schematisch den zeitlichen Verlauf der Eingangswechselspannung und der Ausgangsspannung der Schaltung in einem Diagramm dar. Versehen Sie die Zeitachse mit einer Skala; es sei dabei angenommen, daß die Schaltung am europäischen Stromnetz betrieben wird. Fachhochschule Pforzheim, FB Ingenieurwissenschaften Klausur Halbleiterphysik und Elektronik 1 Prof. Dr. W.-H. Rech / Prof. Dr. Frank Thuselt Seite 5/5 )UDJHQXQG$XIJDEHQ7HLO%(Dauer 45 min) ,QGLHVHP7HLOVLQGIROJHQGH+LOIVPLWWHO]XJHODVVHQ 7DVFKHQUHFKQHU 6HLWHQKDQGJHVFKULHEHQH)RUPHOVDPPOXQJ 6NULSWDQKDQJ]XU+DOEOHLWHUSK\VLNPLW3HULRGHQV\VWHPRKQHKDQGVFKULIWOLFKH(LQWUlJH $XIJDEH%3XQNWH Bei einem Stück Silizium-Halbleiter liegt die Fermi-Energie bei Zimmertemperatur 10 meV unter dem Leitungsband. Wie groß ist die Konzentration der Ladungsträger im Leitungsband und im Valenzband? Wir nehmen an, die Störstellen haben ihre gesamten Ladungsträger ans Band abgegeben. $XIJDEH%3XQNWH a) Ein npn-Bipolartransistor hat eine Basisbreite von 2 µm und eine Emitterbreite von 3 µm. Zur Bestimmung der Diffusionslänge müssen Sie die Lebensdauer heranziehen, die Lebensdauer der Löcher im Emittergebiet wird zu 10 ns angenommen. Wie groß ist die Stromverstärkung in Emitterschaltung β in einfacher Näherung? Dotierungskonzentrationen: Emitter 1018 cm−3, Basis 1016 cm−3. b) Wie groß wird β, wenn es gelingt, die Lebensdauer auf 1 µs zu erhöhen? Beachten Sie, dass dann die Breite des Emittergebiets eine Rolle spielt. $XIJDEH%3XQNWH Gegeben sei eine ideale Zenerdiode mit einer Zenerspannung von 10V und einer zulässigen Verlustleistung von 1W. Sie betreiben diese Diode mit einem Vorwiderstand an einer Spannung, die zwischen 15V und 20V variieren kann. Zeichnen Sie die Schaltung. Welchen Wert darf der Widerstand minimal annehmen? Wie groß muß dessen zulässige Belastbarkeit sein? Welchen maximalen Laststrom können Sie der Schaltung bei stabiler Spannung entnehmen? Welche Zusatzbeschaltung wäre in einer realen Anwendung wichtig, um eine störungsarme Ausgangsspannung zu erhalten? Wenn Sie zusätzlich annehmen, der dynamische Widerstand der Zenerdiode betrage 2Ohm: wie stark ändert sich die Leerlaufspannung der Schaltung dann auf Grund der veränderlichen Eingangsspannung? $XIJDEH%3XQNWH Gegeben ist ein Potentiometer (veränderlicher Widerstand) mit einem Einstellbereich von 0....1kOhm. Zeichnen Sie die Schaltung eines als Tiefpaßfilter beschalteten OPV, bei dem Sie mit diesem Potentiometer die Verstärkung zwischen V=-20....-100 einstellen können. Sie dürfen dazu nur zwei weitere Widerstände und einen Kondensator verwenden. Die Grenzfrequenz soll dabei immer 100Hz betragen. Dimensionieren Sie die Bauteile. $XIJDEH%3XQNWH Zeichnen Sie die Schaltung eines Kleinsignal-Wechselspannungsverstärkers mit Stromgegenkopplung. Die Spannung an der Basis soll 3,2V betragen, die Versorgungsspannung sei 15V, der Kollektorstrom im Arbeitspunkt sei 5mA. Dimensionieren Sie den Emitter- und den Kollektorwiderstand so, daß eine Spannungsverstärkung 2 erreicht wird. Wie groß ist die Kollektor-Emitter-Spannung im Arbeitspunkt? Ist der Arbeitspunkt günstig gewählt? (Begründung) Wie können Sie die Wechselspannungsverstärkung unter Beibehalt des Gleichspannungsverhaltens auf einen Wert von 10 erhöhen? Nehmen Sie für die Basis-Emitter-Spannung im Arbeitspunkt einen Wert von 0,7V an.
