Grundlagen der Elektronik

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Stefan Goßner
Grundlagen der Elektronik
Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen
Ein Lernbuch
3. überarbeitete Auflage
Shaker Verlag
Aachen 2003
INHALTSVERZEICHNIS
1
1.1
EINFÜHRUNG 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 Halbleiter)
1.3.2
Störstellenleitung
1.3.3
Leitfähigkeit des Halbleiters
1.3.4
Erklärung der Leitungsmechanismen im Halbleiter mit Energie-Modellen
1.3.5
Energie-Verteilung der freien Elektronen und der Löcher
2
DER PN-ÜBERGANG
2.1
Der pn-Übergang ohne äußere Spannung
2.1.1
Der ideale abrupte pn-Übergang
2.1.2
Ladungsträgerdichte
2.1.3
Raumladungsdichte
2.1.4
Diffusionsspannung
2.1.5
Sperrschichtweite
2.1.6
Sperrschichtkapazität
2.1.7
Energiebänder-Modell des pn-Überganges
2.2
Der pn-Übergang mit äußerer Spannung
2.2.1
Sperrpolung
2.2.2
Flusspolung
2.2.3
Durchbruch bei hoher Feldstärke in Sperrpolung
2.2.4
Gesamtkennlinie des pn-Überganges
2.2.5
Temperaturabhängigkeit der Kennlinie
2.2.6
Schaltverhalten des pn-Übergangs
3
METALL-HALBLEITER-ÜBERGÄNGE
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
3.1
Schottky-Kontakt (Sperrschicht-Kontakt)
3.1.1
Übergang von n-Halbleiter zu Metall mit größerer Austrittsarbeit (W M >W H )
3.1.2
Übergang von p-Halbleiter zu Metall mit geringerer Austrittsarbeit (W M <W H )
3.1.3
Eigenschaften des Schottky-Kontakts
3-2
3-2
3-4
3-6
3.2
Ohmscher Kontakt
3.2.1
Übergang von n-Halbleiter zu Metall mit kleinerer Austrittsarbeit (WM < WH)
3.2.2
Übergang von p-Halbleiter zu Metall mit größerer Austrittsarbeit (WM > WH)
3.2.3
Ohmscher Kontakt durch hochdotierte Halbleiterzwischenschicht
3-7
3-7
3-8
3-10
4
DIE DIODE
4-1
4.1
Allgemeines
4-1
4.2
4.3
4.4
Universal- und Richtdiode
4-4
Hochsperrende Leistungsdioden
4-5
Schaltdioden
4-6
4.5
4.6
Die Z-Diode
4-6
Kapazitätsdiode
4-7
4.7
4.8
4.9
Tunneldiode
4-8
Schottky-Diode
4-10
4.10
Weitere Diodenformen
4-10
Backward-Diode
4-9
INHALTSVERZEICHNIS
5
STABILISIERUNGSSCHALTUNG MIT Z-DIODE
5-1
5.1
Grundschaltung
5.1.1
Graphische Schaltungsanalyse
5.1.2
Rechnerische Schaltungsanalyse (Betrieb mit Gleichspannung)
5-1
5-1
5-4
5.2
Berechnung von Grenzwerten
5.2.1
Zulässiger Arbeitsbereich der Z-Diode
5.2.2
Grenzwerte für die Einzelbauelemente
5-6
5-6
5-7
5.3
Überlagerung 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
6.1
Gleichrichterschaltungen ohne Glättung (mit ohmscher Last)
6.1.1
Einweggleichrichter
6.1.2
Zweiweggleichrichter - Mittelpunktschaltung
6.1.3
Zweiweggleichrichter - Brückengleichrichter (Graetz-Gleichrichter)
6.1.4
Genauere Berechnung der Zweiweggleichrichter
5-11
5-11
5-12
5-12
6-1
6-1
6-1
6-3
6-5
6-6
6.2
Gleichrichterschaltungen mit Glättung
6.2.1
Glättungsarten
6.2.2
Berechnung des Zweiweggleichrichters mit Glättungskondensator
6-8
6-9
6-10
6.3
6-17
7
Gleichrichter mit Pufferbatterie
DREHSTROMGLEICHRICHTER
7-1
7.1
Mittelpunkt-Schaltung (Halbbrücke) (3-pulsiger Gleichrichter)
7-1
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
8-4
9
9.1
DER BIPOLARE TRANSISTOR
Aufbau und Herstellungsverfahren
8-1
9-1
9-1
9.2
Funktionsweise
9.2.1
Der Transistoreffekt
9.2.2
Strömungsmechanismen im Transistor
9.2.3
Einfluss der Kollektor-Basis-Spannung auf den Kollektorstrom
9-3
9-3
9-6
9-7
9.3
9-8
Schaltzeichen - Richtungspfeile für Ströme und Spannungen
9.4
Transistor-Grundschaltungen
9.4.1
Basisschaltung
9.4.2
Emitterschaltung
9.4.3
Kollektorschaltung
9.4.4
Umrechnung der Stromverstärkungen
9-8
9-8
9-10
9-13
9-14
9.5
Darlington- oder Super-Beta-Schaltung
9-14
9.6
Daten von Transistoren
9-15
INHALTSVERZEICHNIS
10
ARBEITSPUNKT DES BIPOLAREN TRANSISTORS /
GLEICHSTROMBETRIEB
10.1 Einstellung des Arbeitspunktes
10.1.1 Einprägung des Basisstromes
10.1.2 Einprägung der Basis-Emitter-Spannung
10.1.3 Einstellung der Kollektor-Emitter-Spannung
10.2 Stabilisierung des Arbeitspunktes
10.2.1 Anforderungen an die Stabilität des Arbeitspunktes
10.2.2 Ursachen für Arbeitspunkt-Verschiebungen
10.2.3 Gegenkopplungsmaßnahmen zur Arbeitspunkt-Stabilisierung
10.2.4 Verfahren zur Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes
10.2.5 Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes einer gegebenen Schaltung
10.2.6 Stabilisierung des Arbeitspunktes bei der Schaltungsdimensionierung
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
WECHSELSPANNUNGSVERSTÄRKER
11.1 Grundschaltung eines Wechselspannungsverstärkers 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
10-1
10-1
10-2
10-2
10-3
10-3
10-3
10-3
10-4
10-6
10-7
10-9
10-11
10-11
10-12
10-13
11-1
11-1
11-1
11-2
11-2
11-3
11-5
11.2 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker 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
U.2.4 Berechnung der Wechselstromgrößen
11.2.5 Wechselspannungsverstärkung bei Stromgegenkopplung
11.2.6 Berechnung der Kondensatoren
11.2.7 Gesamt-Grenzfrequenzen
11-6
11-6
11-8
11-11
11-14
11-16
11-18
11 -22
11.3 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker in Basisschaltung
11.3.1 Die Schaltung
11.3.2 Berechnung der Wechselstrom-Kenngrößen
11.3.3 Obere Grenzfrequenz der Basisschaltung
11-24
11-24
11-24
11-25
11.4 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker 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 Klein-und Mittelsignalverstärker
11.6.2 Leistungsverstärker - Transistorendstufen
11-35
11-36
11-37
12
12.1
DER BIPOLARE TRANSISTOR ALS SCHALTER
Der ideale Schalter (zum Vergleich)
12.2 Die Betriebszustände des Transistor-Schalters
12.2.1 Ausgewählte Details aus der Halbleiter-und Transistorphysik
12.2.2 Prinzipielle Ansteuerungsvarianten
12.2.3 Der gesperrte Transistor
12.2.4 Der leitende Transistor (ungesättigt, U C B > 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 (gesättigt)
Kennlinien-Arbeitsbereiche des Transistors als Schalter
12.3 Das dynamische Verhalten
12.3.1 Einschaltvorgang
12.3.2 Der Ausschaltvorgang
12.4
Maßnahmen zur Verbesserung des Schaltverhaltens
12.5
Schaltverlustleistung
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
13
13.1
Transistor in digitalen Grundschaltungen
DER FELDEFFEKTTRANSISTOR (FET)
Allgemeines / Grundprinzip
13.2 Sperrschicht-FET
13.2.1 Aufbau und Wirkungsprinzip
13.2.2 Einfluss der Kanalspannung auf die Kennlinie
13.2.3 Steuerung über 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
13.4
Übersicht über alle FET-Typen
13.5
Daten von Feldeffekt-Transistoren
13.6 FET als Analogschalter
13.6.1 Ein- und Ausschaltbedingungen
13.6.2 Grundschaltung eines FET-Analogschalters
13.6.3 Verbesserter FET-Analogschalter
13.6.4 Gegentakt-FET-Analogschalter
13.7
Arbeitspunkt-Einstellung - Konstantstromquelle (J-FET)
13.8 J-FET-Wechselspannungsverstärker
13.8.1 Schaltung des J-FET-WS-Verstärkers
13.8.2 Wechselstrom-Ersatzschaltbild des J-FET in Source-Schaltung
13.8.3 Berechnung des Wechselspannungsverstärkers
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-Übertragungsgatter
14
14.1
AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINES
OPERATIONSVERSTÄRKERS
Allgemeines
14.2 Interner Aufbau
14.2.1 Eingangsstufe
14.2.2 Koppelstufe
14.2.3 Ausgangsstufe
14.2.4 Gesamtschaltung des OP 741
14.3
IV
Eigenschaften und Daten von Operationsverstärkern
INHALTSVERZEICHNIS
15
OPERATIONSVERSTÄRKER - GRUNDSCHALTUNGEN
15.1 Anwendungsbeispiele ohne Rückkopplung 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 Verstärker
15.2.2 Nicht-invertierender Verstärker
15.2.3 Addition (mit Inversion)
15.2.4 Subtraktion (Differenzverstärker)
15.2.5 Integration
15.2.6 Differentiation
15.2.7 Tiefpass oder Verzögerungsglied 1. Ordnung
15.2.8 Hochpass
15.2.9 Bandpass
15.2.10 PI-Regler
15-5
15-6
15-7
15-8
15-9
15-10
15-11
15-12
15-14
15-15
15-16
15.3 Fehler-Rechnung
15.3.1 Fehler durch Eingangs-Offset-Spannung
15.3.2 Fehler durch Eingangsströme (Bias-Ströme)
15.3.3 Fehler durch Ungleichheit der Eingangsströme (Eingangs-Offsetstrom)
15-17
15-17
15-18
15-19
15.4 Stabilitätsprobleme - Frequenzgangkorrektur
15.4.1 Schwingneigung durch ungewollte Mitkopplung
15.4.2 Die Schleifenverstärkung
15.4.3 Frequenzgangkorrektur
15.4.4 Stabilität bei kapazitiver Last und beim Differenzierer
15-20
15-20
15-21
15-22
15-25
16
SPEZIELLE SCHALTUNGSBEISPIELE MIT
OPERATIONSVERSTÄRKERN
16-1
16.1
Instrumentenverstärker
16-1
16.2
Präzisionsgleichrichter
16-2
16.3
Abtast-Halte-Glieder (Sample & Hold - Verstärker)
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
17-1
17.2
Haupteinsatzgebiete
17-5
17.3
TRIAC
17-6
18
18.1
OPTOELEKTRISCHE BAUELEMENTE
Fotowiderstand (LDR)
18.2 Fotodiode
18.2.1 PN-Übergang 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
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
18-8
18.5 Displays
18.5.1 LED-Displays
18.5.2 Flüssigkristall-Displays
18.6 Optoelektronische Koppler
18.6.1 Optokoppler (geschlossen)
18.6.2 Optokoppler-Lichtschranken
18.7 Laser-Dioden
18-9
18-9
18-10
18-11
18-11
18-12
18-13
18.8
18-16
19
Lichtwellenleiter
HALBLEITERBAUELEMENTE OHNE PN-ÜBERGANG
(HOMOGENE HALBLEITERBAUELEMENTE)
19-1
19.1
Heißleiter (NTC-Widerstände)
19-1
19.2
Kaltleiter (PTC-Widerstände)
19-3
19.3
Varistoren (VDR)
19-4
19.4
Fotowiderstand (LDR)
19-4
19.5
Feldplatte (MDR)
19-5
19.6
Hallgenerator
19-5
19.7
Dehnungsmessstreifen
19-6
20
GLEICHSPANNUNGSWANDLER
20-1
20.1
Drossel-Aufwärtswandler
20.2
Drossel-Abwärtswandler
20-3
20.3
Drossel-Inverswandler
20-5
20.4
Einschwingvorgänge
20-6
21
THERMISCHE PROBLEME/WÄRMEABLEITUNG
20-1
21-1
21.1 Temperaturerhöhung von Bauelementen durch Wärmefreisetzung
21.1.1 Verlustwärme - Verlustleistung
21.1.2 Wärmekapazität
21.2 Wärmeableitung
21.2.1 Der Wärmewiderstand
21.2.2 Wärmewiderstand bei Wärmeleitung
21.2.3 Wärmewiderstand bei Konvektion
21.2.4 Wärmestrahlung
21.2.5 Kühlflächenberechnung
21.3 Der Wärmestromkreis
21-1
21-1
21-1
21-2
21-2
21-2
21-3
21-3
21-3
21-4
21.4 Berechnung des Wärmestromkreises
21.4.1 Analogie thermischer und elektrischer Größen
21.4.2 Berechnung von Temperaturen im stationären Betrieb
21.4.3 Reduzierung der zulässigen Verlustleistung bei hoher Umgebungstemperatur
21.4.4 Thermische Ausgleichsvorgänge
21-6
21 -6
21-7
21-7
21-8
VI
INHALTSVERZEICHNIS
ANHANG A
A.1
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
Äquivalenzprinzip
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
A.3.2.2
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 nichtlineare Grundstromkreis - Grafisches Schnittpunktverfahren
A.5.2.1
Nichtlinearer Gleichstromkreis
A.5.2.2
Stromkreis mit zeitveränderlicher Quellenspannung
A.5.2.3
Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung (grafische Superposition)
A.5.3 Stromkreise mit bipolarem Transistor
A.5.3.1
Vier-Quadranlen-Kennlinienfeld
A.5.3.2
Arbeits-Übertragungskennlinie
A.5.3.3
Grafische Ermittlung des Arbeitspunktes
A.5.3.4
Grafische Analyse des Wechselstromverhaltens
ANHANG B
VIERPOLTHEORIE
B.1 Vierpolgleichungen - Vierpolparameter
B.l.l
Die Z-Parameter
B.1.2 Die Y-Parameter
B.1.3 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 Datenblättern von NF-Transistoren
B.2.4 Theoretisch ermittelte Näherungswerte der Vierpolparameter des Transistors
B.2.4.1 Emitterschaltung
B.2.4.2 Basisschaltung
ANHANG C
VERWENDETE GRÖSSENSYMBOLE UND SCHALTZEICHEN
LITERATURHINWEISE
Al
A-l
A-2
A-2
A-2
A-2
A-3
A-3
A-4
A-4
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-l5
A-1S
A-16
A-16
A-17
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