Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente
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qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasd fghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx Anständige Ausarbeitung cvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq Elektronische Bauelemente wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg hjklzxcvbnmrtyuiopasdfghjklzxcvbn mqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwert NOVEMBER 2013 TU WIEN TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Inhalt Die Fragen in Themenbereichen: ............................................................................................... 7 Netzwerkanalyse: ................................................................................................................... 7 Was ist das Thevenin-Norton-Theorem? ........................................................................... 7 Was ist ein lineares Netzwerk? .......................................................................................... 8 Aus welchen Komponenten darf ein lin. NW. bestehen? .................................................. 8 Wie kann ich reale Bauelemente linearisieren? (Tangente im Arbeitspunkt) ................... 8 Was ist der differentielle Widerstand eines Bauelements? .............................................. 9 Was gilt für lin. NW.? (Superpositionsprinzip) ................................................................... 9 Was besagt das Superpositionsprinzip?............................................................................. 9 Was ist ein ideales Bauelement? (keine nichtidealen Eigenschaften (zB. kein Ri)) ......... 10 Was ist ein konzentriertes Bauelement? (klein gegenüber der Wellenlänge) ................ 10 Was macht man bei der Groß- & Kleinsignalaufspaltung? .............................................. 10 Warum darf die Aufspaltung gemacht werden?.............................................................. 11 Was ist eine ideale Spannungsquelle -> Kennlinie zeichnen? ......................................... 11 Welche Spannungsquelle kommt diesem Modell am nächsten? (Netz) ......................... 11 Was ist eine reale Spannungsquelle -> Kennlinie zeichnen? ........................................... 11 Was ist eine ideale Stromquelle? ..................................................................................... 12 Was ist eine reale Stromquelle? ...................................................................................... 12 Diode: ................................................................................................................................... 12 Was ist eine Diode? .......................................................................................................... 12 Was ist ein P-N-Übergang und wie funktioniert er? ........................................................ 12 Was ist die Diffusionsspannung? ..................................................................................... 13 Wie schaut die Kennlinie einer Diode aus? ...................................................................... 13 Wie lautet die Zugehörige Formel? (Exponentialfunktion) ............................................. 13 Was ist der Emissionskoeffizient und was stellt er dar? (N in der Formel, Güte) ........... 13 Was ist UT? -> Wie groß ist UT? (26mV) ........................................................................... 14 Was ist die Steigung im 0-Punkt? (Parallelwiderstand) ................................................... 14 Wie schauen die (statischen und dynamischen) Ersatzschaltbilder aus? ........................ 14 Wie sieht das Ersatzschaltbild für den Sperrbereich aus? ............................................... 15 Was ist die Hochstromfestigkeit? .................................................................................... 15 FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 1 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Erklären Sie den Lawienendurchbruch. ........................................................................... 16 Was ist der Leckstrom? .................................................................................................... 16 Was ist ein Varaktor = Kapazitätsdiode?.......................................................................... 17 Wie schaut die C(U) Kennlinie des Varaktors aus? .......................................................... 17 In welchem Bereich der Kennlinie wird der Varaktor betrieben? ................................... 17 Solarzelle .......................................................................................................................... 18 Solarzelle: was ist der Füllfaktor, wie groß ist er ca.? ...................................................... 19 Tunneldiode...................................................................................................................... 19 Zenerdiode ....................................................................................................................... 20 Schottky-Diode ................................................................................................................. 20 Bipolartransistor: .................................................................................................................. 21 Was ist ein Bipolartransistor? .......................................................................................... 21 Wie schaut das Schaltbild aus? ........................................................................................ 21 Wohin zeigt der Pfeil im Ersatzschaltbild und was sagt er aus? ...................................... 21 Warum werden öfter NPN Transistoren hergestellt als PNP Transistoren?.................... 21 Wie funktioniert der Transistor? ...................................................................................... 21 Betriebsarten .................................................................................................................... 22 Linearisierung des Bipolartransistors ............................................................................... 23 Warum fließen die Elektronen nicht über die Basis ab? .................................................. 24 Was ist die Basisweite und wieso ist sie wichtig? ............................................................ 24 Welche Kennlinien gibt es beim Bipolartransistor und wie schauen sie aus? ................. 25 Wieso gibt es eine Kurvenschar in der Ausgangskennlinie? (Zusammenhang mit UBE) .. 25 Wie unterscheiden sich Eingangs- und Transferkennlinie? (durch B) ............................. 25 Was versteht man unter der Stromverstärkung B und wie groß ist sie? (B=100) ........... 25 Wie wird die Einsatzspannung genannt? (Uf) .................................................................. 25 Was ist der Earlyeffekt und wann muss er berücksichtigt werden?................................ 25 Woher kommt der Earlyeffekt und wie wird er noch genannt? ...................................... 26 Gummelplot Verstärkung ................................................................................................. 26 Gummelplot Kennlinien erklären können ........................................................................ 27 Wie schauen die (statischen und dynamischen) Ersatzschaltbilder des Transistors aus? .......................................................................................................................................... 28 FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 2 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente MOSFET: ............................................................................................................................... 28 Was ist ein MOSFET (=Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)? ................... 28 Wie schaut das Schaltsymbol aus und was bedeutet der Pfeil? ...................................... 28 Wie ist er aufgebaut und wo sind die Raumladungszonen? ............................................ 29 Bulk liegt auf Erde und man legt eine Spannung am Gate an, was passiert? .................. 29 Was ist die Inversion? ...................................................................................................... 29 Erklären Sie die Kennlinien und die Funktion des MOSFETs. ........................................... 31 Welche Form hat die Transferkennlinie des MOSFET? (quadratisch) ............................. 31 Wieso gibt es kein Eingangskennlinienfeld? .................................................................... 31 Zeichnen Sie die Ersatzschaltbilder (statisch & dynamisch, Klein- & Großsignal). .......... 31 Was ist die Einsatz- bzw. Schwellspannung? ................................................................... 32 Wie groß ist sie ungefähr und kann man sie verändern? (einige Volt, verändern durch unterschiedliche Dotierung)............................................................................................. 32 Was ist der Kanallängenmodulationsparameter? (wie Earlyeffekt) ................................ 32 Stromquelle mit FET ......................................................................................................... 33 MOSFET als Widerstand ................................................................................................... 33 Unterschwellenverhalten von MOSFET ........................................................................... 34 DRAM Zelle ....................................................................................................................... 34 J-FET:..................................................................................................................................... 35 Was ist ein J-Fet? .............................................................................................................. 35 Wie ist er aufgebaut und wie funktioniert er?................................................................. 35 Welche Kennlinien gibt es und wie schauen sie aus? ...................................................... 37 Was ist die Pinch-off-Spannung? ..................................................................................... 37 Welche Einschränkungen gibt es bei der Beschaltung .................................................... 38 Wie schaut die Eingangskennlinie aus und warum ist sie unwichtig? (Diode in Sperrrichtung) .................................................................................................................. 38 Stromquelle mit JFET ........................................................................................................ 39 OPV: ...................................................................................................................................... 39 Was ist das und wozu brauche ich ihn, wie schaut das Symbol aus? .............................. 39 Was ist ein idealer OPV und wie Funktioniert er? ........................................................... 40 Was ist ein realer OPV und wo sind die Unterschiede im Vergleich zum idealen OPV? . 41 FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 3 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Virtueller Kurzschluss ....................................................................................................... 41 Wie schaut die Kennlinie des realen OPV aus und in welchem Bereich wird er betrieben? (Steiler Bereich um den Ursprung) ................................................................ 41 Wie soll die Steigung im Ursprung sein und wie wird sie genannt? ................................ 42 Was ist ein typischer Wert für vg? .................................................................................... 42 Was ist die Offsetspannung und wo in der Kennlinie kann sie abgelesen werden? ....... 42 Wie baue ich einen Komparator? .................................................................................... 42 In welchem Bereich der Kennlinie wird ein Komparator betrieben? .............................. 43 Schaltungen: ......................................................................................................................... 43 N-Mos-Inverter ..................................................................................................................... 43 Wie ist er aufgebaut (Schaltung)? .................................................................................... 43 Wie schaut die Ua(Ue)- Kennlinie aus? ............................................................................. 44 Wann bricht die Kennlinie ein? ........................................................................................ 44 Wieso geht die Kennlinie nicht auf 0V? ........................................................................... 44 C-Mos-Inverter: .................................................................................................................... 45 Wie ist er aufgebaut (Schaltung)? .................................................................................... 45 Wie funktioniert er? ......................................................................................................... 45 Wie schaut die Ua(Ue)- Kennlinie aus? ............................................................................. 46 Wann bricht die Kennlinie ein? ........................................................................................ 46 Wieso geht die Kennlinie nicht auf 0V? ........................................................................... 46 Bipolarer Differenzverstärker:.............................................................................................. 47 Was ist das, wie sieht die Schaltung aus und wie funktioniert er? .................................. 47 Ist es ein Gleich- oder Gegentaktverstärker?................................................................... 48 Wie ist der Energieverbrauch dieser Schaltung? ............................................................. 48 Elektrometerverstärker: ....................................................................................................... 48 Was ist ein Elektrometerverstärker? ............................................................................... 48 Warum heißt er so?.......................................................................................................... 48 Wo findet diese Schaltung Verwendung? ........................................................................ 48 Was sind die Eigenschaften dieser Schaltung? ................................................................ 48 Wie groß ist der Ausgangswiderstand typischerweise? .................................................. 49 Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung: ....................................................................... 50 FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 4 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Wie schaut sie aus, wieso heißt sie so? (Emitter ist gemeinsamer Anschluss) ............... 50 Wie funktioniert die Schaltung?....................................................................................... 50 Woraus besteht die Stromgegenkopplung? .................................................................... 51 Zeichnen Sie die Ua(Ue)- Kennlinie. .................................................................................. 51 Was bewirkt die Stromgegenkopplung (Vor- und Nachteile)? ........................................ 51 Stromspiegel:........................................................................................................................ 51 Was ist das und wie funktioniert er? ............................................................................... 51 Was ist ein Transistor mit kurzgeschlossener Kollektor-Basis-Strecke? .......................... 52 Summierverstärker:.............................................................................................................. 53 Was ist das und wie funktioniert er? ............................................................................... 53 Wieso beeinflussen sich die Eingangsgrößen nicht gegenseitig? .................................... 53 NEUE FRAGEN:.......................................................................................................................... 53 Groß & Kleinsignalaufspaltung jeweils von Stromquelle und Spannungsquelle ............. 53 Wie teilt man Netzwerke ein? .......................................................................................... 54 Parasitären Effekte Kondensator, ESB von Kondensator? ............................................... 54 Was ist eine Übertragungsfunktion?................................................................................ 55 Bodediagramm, Achsen, Tief-Hochpass einzeichen ........................................................ 55 Schaltverhalten einer Diode ............................................................................................. 57 Durchbruchsarten der Diode............................................................................................ 57 Wo ist der sichere Bereich eines Bipolartransistors? Sauberer betrieb? ........................ 59 Leistungskurve eines Transistors, Hyperbel ..................................................................... 60 Verhältnis der Beweglichkeit von Elektronen und Löcher? ............................................. 60 Wann will ich große/kleine EarlySpannung?.................................................................... 60 Gummelzahl, warum wichtig?.......................................................................................... 61 Großsignal-ESB von Diode, was macht dort die Diode? .................................................. 61 Frequenzverhalten eines OPVs Kennlinie ........................................................................ 62 Bipolarer Differenzverstärker die Übertragungskennlinie ............................................... 63 Emitterschaltung ohne Stromgegenkopplung/mit Stromgegenkopplung ...................... 63 Thyristor ............................................................................................................................... 64 Aufbau .............................................................................................................................. 64 FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 5 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Funktion............................................................................................................................ 64 Kennlinien ......................................................................................................................... 65 FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 6 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Prüfungsfragen zur VO Elektronische Bauelemente (Prof. Bertagnolli) Ablauf der Prüfung: Es werden drei Fragen gestellt, die an der Tafel beantwortet werden müssen. Die erste Frage wird fast immer zum Thema Netzwerkanalyse gestellt. Es wird viel Wert auf übersichtliche, schöne Zeichnungen gelegt. Die Fragen in Themenbereichen: Netzwerkanalyse: Was ist das Thevenin-Norton-Theorem? Ein lineares Widerstandsnetzwerk kann durch eine ideale Spannungsquelle mit seriellen Innenwiderstand (Thevenin) oder durch eine ideale Stromquelle mit parallenem Innenwiderstand (Norton) ersetzt werden, ohne dass sich das Verhalten der Schaltung ändert Thevenin: FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 7 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Norton: Was ist ein lineares Netzwerk? Ein lineares Netzwerk besteht ausschließlich aus Bauteilen die eine lineare Charakteristik aufweisen Aus welchen Komponenten darf ein lin. NW. bestehen? • Aus unabhängigen Strom und Spannungsquellen • ohmschen Widerständen • linear gesteuerten Strom und Spannungsquellen. Wie kann ich reale Bauelemente linearisieren? (Tangente im Arbeitspunkt) Durch die Näherung eine Tangente in den Arbeitspunkt zu legen, formell kann dieses Vorgehen auch als Abbrechen der Taylorreihenentwicklung nach dem linearen Glied angesehen werden. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 8 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Was ist der differentielle Widerstand eines Bauelements? Die (lineare) Verknüpfung zwischen Strom und Spannungsänderung im Arbeitspunkt. Was gilt für lin. NW.? (Superpositionsprinzip) Ist ein Netzwerk linear, kann man das Superpositionsprinzip anwenden Was besagt das Superpositionsprinzip? Die Wirkung mehrerer Eingangsgrößenänderungen auf die Ausgangsgröße kann bestimmt werden, indem der Reihe nach alle unabhängigen Quellen bis auf eine Null gesetzt werden, wobei Stromquellen getrennt, und Spannungsquellen kurzgeschlossenen werden. Dies führt man für jede Quelle durch und superponiert bzw. überlagert, d.h. vorzeichenrichtig addiert die Werte für die Ausgangsgröße. Analoges gilt für die Gesteuerte Quellen sind keine Quellen im Sinne des Superpositionsprinzips und dürfen daher nicht Null gesetzt werden. Null-gesetzte Stromquellen sind gleichbedeutend mit einer Unterbrechung, Nullgesetzte Spannungsquellen gleichbedeutend mit einem Kurzschluss. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 9 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Was ist ein ideales Bauelement? (keine nichtidealen Eigenschaften (zB. kein Ri)) Ein ideales Bauelement erfüllt perfekt die Funktion für die es eingesetzt wird und hat keine Nichtlinearitäten (Sättigung von Eisenspulen) keine parasitären Effekte (Kapazität bei Dioden) Was ist ein konzentriertes Bauelement? (klein gegenüber der Wellenlänge) Die Ausdehnung des Bauelements ist klein gegenüber der Wellenlänge des Signales das darüber geschickt wird, so wird gewährleistet dass innerhalb des Elementes keine Phasenunterschiede des Signals vorhanden sind. Was macht man bei der Groß- & Kleinsignalaufspaltung? Durch die Aufteilung eines Signals in einen unveränderlichen Teil und einem überlagerten, veränderlichen Kleinsignal wird ein nichtlineares Problem auf ein lineares Problem zurückgeführt. Das Grundprinzip der Kleinsignalanalyse besteht darin, Ströme und Spannungen im Netzwerk so zu zerlegen, dass ein unveränderlicher Teil und ein variabler- zeitabhängigerAnteil entsteht. Ist nun der variable Teil "klein" in Bezug auf den unveränderlichen Teil, und kann man das Netzwerkelement in diesem Bereich linearisieren, so kann man die Wirkung der beiden Teilkomponenten auf das Netzwerk zunächst getrennt ermitteln und später gemäß dem Superpositionsprinzip zur Gesamtwirkung addieren. Man spaltet das Signal in ein konstantes Großsignal und ein zeitlich veränderliches, viel kleineres, Kleinsignal auf. Die Schaltung wird dann getrennt für das Großsignal (Arbeitspunkte) beschrieben, und schließlich das Kleinsignal überlagert, wobei wir wegen der kleinen Abweichung vom Arbeitspunkt von linearisierten Eigenschaften des Bauelements ausgehen dürfen (differentielle Widerstände, konstante Verstärkung, keine Änderung zwischen Sperr und Durchlassbetrieb) Was dynamische Elemente angeht wird für das Großsignal Frequenz = 0 (Gleichstrom) angenommen, und für das Kleinsignal eine sehr hohe Frequenz, sodass Kondensatoren Kurzschlüsse und Induktivitäten aufgetrennte Leitungen sind (also umgekehrt wie beim Großsignal) FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 10 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Warum darf die Aufspaltung gemacht werden? Da sowohl Groß als auch Kleinsignalmodell für sich betrachtet ein lineares Netzwerk darstellen, darf das Superpositionsprinzip angewandt werden. Was ist eine ideale Spannungsquelle -> Kennlinie zeichnen? Eine Quelle aus der man beliebig viel Strom ziehen kann, ohne dass die Spannung einbricht, sprich der Innenwiderstand = 0 ist. Ist die Spannung unabhängig von der Zeit, spricht man von einer Gleichspannungsquelle. Welche Spannungsquelle kommt diesem Modell am nächsten? (Netz) zB das europäische Stromnetz oder wenn wir vom geringen Strom ausgehen: Akkumulator, Batterie, Netzgleichrichter, stabilisiertes Netzgerät. Was ist eine reale Spannungsquelle -> Kennlinie zeichnen? Eine Spannungsquelle bei der die Spannung an den Klemmen vom entnommenen Strom abhängig ist, in guter Näherung lässt sich dies bei niedrigen Strömen durch einen Serieninnenwiderstand beschreiben, bei sehr hohen Strömen knickt die Spannung jedoch stärker ab, bis sie beim Kurzschlussstrom gar nicht mehr aufrecht erhalten werden kann. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 11 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Was ist eine ideale Stromquelle? Eine ideale Stromquelle erzeugt entsprechend der angelegten Last immer eine ausreichend hohe Spannung um den (konstanten) Strom darüber zu treiben. Im Grenzfall von Rlast = 0 würde dies eine unendliche hohe Klemmenspannung bedeuten! I = l0 (unabhängig von U) Was ist eine reale Stromquelle? Natürlich kann die Spannung nicht beliebig erhöht werden, irgendwann ist Schluss und die Quelle kann den geforderten Strom nicht mehr über die Last treiben. Diode: Was ist eine Diode? Eine Diode ist ein Bauelement das aus einem einzelnen PN Übergang besteht, bzw.: Dioden sind zweipolige Bauelemente mit asymmetrischer, nichtlinearer StromSpannungskennlinie. Festkörperdioden lassen sich einteilen in p-n-Dioden, die durch zwei aneinandergrenzende Halbleitergebiete unterschiedlicher Dotierung (n- bzw. p- Typ) erzeugt werden, und in Schottky Dioden, die aus einem Metall-Halbleiter-Übergang bestehen. Was ist ein P-N-Übergang und wie funktioniert er? Werden ein n-Gebiet mit einem p-Gebiet in Kontakt gebracht, bildet sich im Kontaktbereich eine trägerfreie Zone aus. Durch die Diffusion der Elektronen vom n-seitigen zum p-seitigen Bereich einerseits und die Diffusion der Löcher vom p-seitigen zum n-seitigen Bereich andererseits kommt es zur Ausbildung der so genannten Raumladungszone (RLZ). Diese Raumladungszone wird auf der n-Seite durch die positiven Ladungen der ortsfesten Donatoren und auf der p-Seite durch die negativen Ladungen ortsfesten Akzeptoren gebildet. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 12 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Was ist die Diffusionsspannung? Mit der Freilegung der Donatoren und Akzeptoren verbunden ist die Ausbildung einer Potentialdifferenz zwischen der neutralen n- und der neutralen p- Zone. Diese Potentialdifferenz wird als Diffusionsspannung UJ bezeichnet. N ∙ N = ∙ ln n Die Spannung UJ ist an den Klemmen nicht messbar, da sich in der Umgebung der HalbleiterKontaktmalerial-Übergänge Kontaktspannungen ausbilden, die die eingebaute Diffusionsspannung des p-n-Übergangs kompensieren. Wie schaut die Kennlinie einer Diode aus? Es gibt von links beginnend den Durchbruchsbereich (beliebig hoher negativer Strom sobald die Sperrspannung überschritten wurde), dann den Sperrbereich (Strom annähernd 0 außer Leckströmen), und den Durchlassbereich (ab einer Flussspannung von ~0,7 V wirkt die Diode wie ein geringer Widerstand). Wie lautet die Zugehörige Formel? (Exponentialfunktion) − 1 = ∙ ∙ Wobei N ein ldealitäts- oder Emissionsfaktor N ist, der in der Regel zwischen 1 und 2 liegt. Was ist der Emissionskoeffizient und was stellt er dar? (N in der Formel, Güte) Der Herleitung der Diodenkennlinie liegen verschiedene, idealisierende Annahmen zugrunde. So werden bei der Berechnung der Diodenkennlinie • Paarerzeugung und Rekombination in der Raumladungszone vernachlässigt • wird angenommen, dass die Ladungsträgerdichten n1 und p1 merklich kleiner sind als die entsprechenden Dotierungsdichten und FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 13 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente • wird angenommen, dass der Stromfluss der Majoritätsladungsträger in den neutralen Zonen keinen Spannungsabfall verursacht. Die erste Annahme ist im Bereich kleiner Ströme nicht erfüllt, während die beiden anderen Annahmen im Bereich großer Ströme nicht erfüllt sind. In einem Zwischenbereich- dem ldealitätsbereich- ist die ideale Gleichung im Wesentlichen erfüllt, jedoch führen die genannten Effekte auch hier zu einer geringfügigen Abflachung der idealen Diodenkennlinie. Das Modell besteht aus einem Ohmsehen Widerstand RS, der in erster Linie den durch die Majoritätsladungsträger verursachten Spannungsabfall in den neutralen Zonen beschreibt, und einem wieder als (ideale) Diode gezeichneten Bauelement mit der Sättigungsstromstärke IS Was ist UT? -> Wie groß ist UT? (26mV) Die Temperaturspannung mit = ∙ ≈ 26!" #$ 300' Was ist die Steigung im 0-Punkt? (Parallelwiderstand) Auch bei Spannungen unter der Flussspannung sperrt die Diode nicht ideal, dies wird durch einen Parallelwiderstand modelliert der dem Verhältnis der Strom zur Spannungssteigerung im Nullpunkt entspricht Wie schauen die (statischen und dynamischen) Ersatzschaltbilder aus? CJ … Sperrschichtkapazität (Majoritäten) CT … Diffusionskapazität (Minoritäten) statisch: I0 … Diodenstrom im Arbeitspunkt FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 14 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente dynamisches Kleinsignalmodell: dynamisches Großsignalmodell: Wie sieht das Ersatzschaltbild für den Sperrbereich aus? Was ist die Hochstromfestigkeit? Solange die injizierten Ladungsträgerdichten in der Diode klein sind gegenüber der Dichte der Majoritäten in den p- und n- Gebieten spricht man von Niederinjektion. Dieses Verhalten wird durch obiges Modell ausreichend gut beschrieben. Anders sieht es aus, wenn die Trägerdichten am Rande der Raumladungszone in die Größenordnung der Majoritätsträgerdichten kommen. Der Hochstrombereich der p-n- Dioden wird durch die ad hoc Einführung zusätzlicher Vorfaktoren in die Diodengleichung beschrieben. Im Wesentlichen kommt dabei der so genannte Kniestrom IKF ins Spiel. Hochinjektion Sind die Trägerdichten der Injizierten Ladungen nicht mehr klein gegenüber der Dichte der Majoritäten, so spricht man von Hochinjektion. Typischerweise sind die Trägerdichten von Majoritäten und Minoritäten am Rande der Raumladungszonen dann etwa gleich groß. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 15 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Bahnwiderstände Bei sehr hohen Strömen können die inneren Bahnwiderstände der Diode nicht mehr vernachlässigt werden, sie führen zu einer zusätzlichen Abflachung der Kennlinie. Eigenerwärmung Ebenso kann bei hohen Strömen die Eigenerwärmung nicht mehr vernachlässigt werden, sie führt zu einer Erhöhung der Ströme. Erklären Sie den Lawienendurchbruch. Wie überall im Halbleiter werden auch im p-n-Übergang durch thermische Anregung laufend - wenngleich mit sehr geringer Rate - Elektron-Loch-Paare erzeugt. Im Feld des pn- Überganges werden diese räumlich sofort getrennt und in entgegengesetzte Richtung beschleunigt. ln Abhängigkeit von der lokal herrschenden Feldstärke nehmen sie kinetische Energie auf. Bei Sperrpolung und einer ausreichend hohen Feldstärke E > Emax reicht diese kinetische Energie aus, um weitere Elektron-Loch-Paare zu erzeugen, die dann ihrerseits wieder getrennt und beschleunigt werden und weitere Paare erzeugen können. Die lawinenartig anwachsenden Zahl von Ladungsträgern führt zum Lawinendurchbruch, der die Diode zerstört. Was ist der Leckstrom? Durch Rekombinations und Generationseffekte in der Raumladungszone und den Grenzflächen kommt es zu einem geringen Stromfluss auch im Sperrbetrieb. Modelliert wird dies durch eine Leckstromdiode (statt der normalen Exponentialfunktion wird hier ISR und NR verwendet) FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 16 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Was ist ein Varaktor = Kapazitätsdiode? Varaktoren sind Halbleiterdioden, die die Spannungsabhängigkeit der Sperrschichtkapazität der Diode ausnutzen. Durch Verändern einer angelegten Spannung kann die Kapazität der Diode in weiten Bereichen verändert werden. Verwendung: Schwingkreis Hier wird durch die angelegte Spannung in Sperrrichtung die Raumladungszone beeinflusst, und so kann die Kapazität verändert werden kann. Sie werden gewöhnlich nahe des Spannungsnullpunktes betrieben. Wichtiger Parameter: das erreichbare Kapazitätsverhältnis ()*+ ≈ 3 #$. 7 #$ 0!!12$334 5$064 (),Wie schaut die C(U) Kennlinie des Varaktors aus? In welchem Bereich der Kennlinie wird der Varaktor betrieben? Sperrbereich in der Nähe des Spannungsnullpunktes. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 17 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Solarzelle Einfallende Strahlen erzeugen Elektron-LochPaare (innerer Fotoeffekt), die in der Raumladungszone des p-n-Überganges unter dem Einfluss des eingebauten elektrischen Feldes sofort getrennt werden und zu Anode und Kathode laufen. = 7 ∙ − 1 − 89:9 ∙ Solarzellen werden im 4.Quadranten betrieben. Durch den Einfluss der Bestrahlung wird ein Teil der Kennlinie in den vierten Quadranten verschoben. ln diesem Bereich gibt die Diode Leistung an einen angeschlossenen Verbraucher ab. Das Ersatzschaltbild einer Fotodiode unter Lichteinfall enthält zunächst eine ideale Diode und einen Generationsterm, der als ideale, durch den Lichteinfall gesteuerte Stromquelle dargestellt wird. Hinzu kommen bei der realen Fotodiode eine Leckstromdiode, ein innerer Verlustwiderstand RsH und die Anschlusswiderstände, die in Rs zusammengefasst werden. Nur ein gewisser Anteil der Photonen erzeugen Eletronen-Loch-Paare, die sogenannte Quantenausbeute definiert die Zahl der Elektronen-Loch-Paare pro einfallendem Proton. Um diese Ausbeute zu erhöhen werden pin-Dioden verwendet, bei denen durch niedrigere Dotierung die RLZ bedeutend breiter ist. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 18 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente > 89:9 ? Φ9A: B · C wobei lfoto der Photostrom bei der eingestrahlten Intensität Φ9A: ist. Kurzschussstrom ≈ -IFOTO Solarzelle: was ist der Füllfaktor, wie groß ist er ca.? Der Füllfaktor bezeichnet den Quotienten aus der maximalen Leistung einer Solarzelle am Maximum Power Point und dem Produkt aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom. Der Füllfaktor ist folglich dimensionslos. dime Bei kristallinen Solarzellen werden Werte zwischen 0,75 und 0,85 erreicht, bei amorphen Zellen liegt der Füllfaktor zwischen 0,5 und 0,7. DD <9:9 ; = · · ln 7 )*+ · )*+ = · ; = <9:9 Tunneldiode Die Tunneldiode ist eine Diode, bei der der Strom im Durchlassbereich zunächst ein lokales Maximum und dann ein lokales Minimum durchlauft, ehe er in die normale Diodenkennlinie übergeht. Im Sperrbereich zeigt die Tunneldiode eine verschwindend kleine Sperrspannung, Sperrspa sie hat also keine Sperrfunktion. Das Maximum nennt man Höckerstrom, das Minimum Talstrom. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 19 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Tunnel- oder Esaki Dioden sind extrem hoch dotierte p-n-Dioden, deren Fermi-Niveau in das Leitungs- beziehungsweise das Valenzband hinein verschoben ist, sodass die Ladungsträger bereits bei niedrigen Spannungen vom n- ins p-Gebiet und umgekehrt kommen können. Zenerdiode Die Zener- oder Z-Diode ist eine Diode, deren Durchbruch bei einer exakt definierten Spannung, der Zener-Spannung einsetzt und die im Durchbruch betrieben werden kann, ohne dass es zur Zerstörung der Diode kommt, sofern der maximale Diodenstrom von außen begrenzt wird. Es tritt der Zener Effekt bei sehr hoch dotierten p-n-Diode auf (Dotierung > 1019-1020). Die Sperrschichtausdehnung ist so klein, dass sich kein Lawineneffekt ausbilden kann, in der Raumladungszone aber extrem hohe Felder (Si bei etwa 300kV/cm, bei GaAs bei etwa 400kV/cm und bei Ge bei etwa 100kV/cm) herrschen. Durch die hohe Dotierung stehen den Valenzelektronen des p-Gebietes auf dem räumlich eng benachbarten n-Gebiet freie Plätze zur Verfügung. Die freigesetzten Valenzelektronen tunnein nun auf die freien Plätze des nGebietes. Der Zener Effekt ist ein Tunneleffekt. Schottky-Diode Eine Schottkydiode ist ein Metall-Halbleiter-Übergang. Metalle und Halbleiter haben eine grundsätzlich andere Bandstruktur, beide haben jedoch Fermi-Niveau und Vakuumniveau die stetig ineinander übergehen wenn man Metall und Halbleiter aneinander bringt, die Bänder sehen wie folgt aus: Die Elektronen aus dem Metall sehen eine Energiebarriere. Um im Gleichgewicht zu sein müssen beide Fermi-Niveaus gleich sein. Dies führt zu einer Verarmungszone am HL-Rand, wobei im n-Halbleiter sich die Elektronen des Leitungsbandes schon oberhalb des Ferminiveaus befinden. Um in Metall zu gelangen, muss eine Potentialschwelle von , EF − E7G überwunden werden. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 20 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Bipolartransistor: Was ist ein Bipolartransistor? Bipolartransistoren sind aus zwei nahe beieinander liegenden p-n-Übergängen in einem Halbleiterkristall aufgebaut. Dabei werden entweder zwei n-dotierte Gebiete durch ein pdotiertes Gebiet, oder zwei p-dotierte Gebiete durch ein n-dotiertes Gebiet voneinander getrennt. Entsprechend diesem Aufbau spricht man von npn- oder pnp- Transistoren. Die drei unterschiedlich dotierten Gebiete werden Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C) genannt. Der Anschluss an das mittlere Gebiet, der Basisanschluss B, hat die Funktion einer Steuerelektrode, mit der der Strom vom Emitter E zum Kollektor C - der so genannte Transferstrom - gesteuert wird. Wie schaut das Schaltbild aus? Wohin zeigt der Pfeil im Ersatzschaltbild und was sagt er aus? In die Richtung in die der Emitterstrom fließt, der Pfeil ist allgemein am Emitter und zeigt bei npn Transistoren von der Basis weg, bei pnp- Transistoren zur Basis hin. Warum werden öfter NPN Transistoren hergestellt als PNP Transistoren? Elektronen haben eine größere Beweglichkeit als Löcher Wie funktioniert der Transistor? Bänderdiagram spannungsloser Zustand: FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 21 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Bänderdiagram aktiver Zustand: Bänderdiagramm gesperrter Zustand Im aktiven Betrieb werden vom Emitter Elektronen in die Basiszone injiziert, die durch die Basis diffundieren und vom Kollektor abgesaugt werden. Im gesperrten Zustand sind beide p-n-Übergänge in Sperrrichtung gepolt. • die in Flussrichtung gepolte Emitter-Basis-Diode injiziert Elektronen aus dem n-Emitter in die p-Basiszone. • die in die p-Basiszone injizierten Elektronen sind in der Basis Minoritätsträger. Sie diffundieren zum in Sperrrichtung gepolten Basis-Kollektor-Übergang. • der in Sperrrichtung gepolte Basis-Kollektor-Übergang ist für die aus der Basis kommenden Minoritätsträger durchlässig und saugt die ankommenden Minoritätsträger zum Kollektor ab. Steuerkennlinie: IJK G ≈ H = 7 ∙ IL Steilheit des Transistors: M) = 6G GO = 6NH Betriebsarten • Aktiver Betrieb (Vorwärtsbetrieb): Zwischen Basis und Emitter liegt eine Flussspannung UBE > 0 während zwischen Kollektor und Basis eine Sperrspannung UBC < 0 anliegt IJK G ≈ 7 ∙ IL FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 22 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente • Inverser Betrieb (Rückwärtsbetrieb): Genau umgekehrt wie im aktiven Betrieb: Zwischen Basis und Emitter liegt eine Sperrspannung UBE < 0 während zwischen Kollektor und Basis eine Flussspannung UBC > 0 anliegt IJQ G 7 ∙ P− IL R • Gesättigter Betrieb: wenn beide Dioden injizieren, müssen beide Exponentialfunktionen berücksichtigt werden. IJK IJQ G = 7 ∙ P IL − IL R • Gesperrter Betrieb: Beide Diode sind im gesperrten Betrieb. G = 7 Linearisierung des Bipolartransistors Zwischen Basis und Emitter sind die zwei Dioden gezeichnet, die wir schon aus dem Diodenmodell kennen. Über die linke Diode fließen nur die von der Basis in den Emitter injizierten Löcher, während über die rechte Diode die vom Emitter in die Basis injizierten Elektronen fließen. Wie bei der realen Diode sind auch beim realen Transistor die zwei Dioden im Transistor nicht räumlich voneinander getrennt vorhanden. Gesamtstrom ist die Summe von Elektronen- und Löcherstrom. Steilheit gm: M) = MGH = FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER GO GO S Seite 23 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente G T ∙ H G = U ∙ N Uy … Early-Spannung IC0 ... Strom am Arbeitspunkt Strom der Elektronen IT IJK NH = 7 ∙ P IL R Warum fließen die Elektronen nicht über die Basis ab? Wegen der Geometrie: Dieser Anteil wird durch die geringe Dicke der Basiszone und durch das Driftfeld, das durch einen Dotierungsgradienten (dNA/dx) in der Basis entsteht, gering gehalten. Was ist die Basisweite und wieso ist sie wichtig? 'Breite' der Basis. Die Basisweite ist wichtig für die kritische Diffusionslänge. Wählt man eine größere "effektive" Basisweite kommt es zu einer Abflachung des Stromanstiegs, d.h. zu einer verringerten Stromverstärkung und zu größeren Schaltzeiten. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 24 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Welche Kennlinien gibt es beim Bipolartransistor und wie schauen sie aus? a.) Eingangskennlinie: IB(UBE), b.) Ausgangskennlinie: IC(UCE), c.) Transferkennlinie: IC(UBE) Wieso gibt es eine Kurvenschar in der Ausgangskennlinie? (Zusammenhang mit UBE) Im Kennlinienfeld ist IC in Abhängigkeit von UCE dargestellt! So kann die unterste Kennlinie für IC in Abhängigkeit von UCE, wenn IB = 0A oder UBE = 0,5V beträgt stehen, die oberste für IC in Abhängigkeit von UCE wenn IB > 0A beträgt stehen. Aus diesem Grund wird ein Transistor erst durch Eingangskennlinie und Ausgangskennlinienfeld vollständig beschrieben. Wie unterscheiden sich Eingangs- und Transferkennlinie? (durch B) Die Eingangskennlinie zeigt IB in Abhängigkeit von UBE, die Transferkennlinie IC in Abhängigkeit von UBE, entscheidend ist hier, dass IC um den Faktor B größer ist Was versteht man unter der Stromverstärkung B und wie groß ist sie? (B=100) Fließt über die Basis ein Strom IB so fließt über den Kollektor ein um den Faktor B größerer Strom IC, der bei den üblichen Transistoren um U ≈ 100 beträgt und dimensionslos ist. Wie wird die Einsatzspannung genannt? (Uf) Flusspannung Was ist der Earlyeffekt und wann muss er berücksichtigt werden? Der Early-Effekt besteht darin, dass bei einer Sperrspannung UBC > 0 die BC-Raumladungszone anwächst und somit die neutrale Basisweite abnimmt, was zur Folge hat, dass die Zahl der Löcher in der Basis abnimmt. Hat zur Folge, dass bei hoher Spannung das Ausgangskennlinienfeld nicht parallel zur Spannungsachse verläuft. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 25 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Woher kommt der Earlyeffekt und wie wird er noch genannt? Basisweiteneffekt, Der Early-Effekt besteht darin, dass bei einer Sperrspannung UBC > 0 die BC-Raumladungs-zone anwächst und somit die neutrale Basisweite abnimmt, was zur Folge hat, dass die Zahl der Löcher in der Basis abnimmt. Obwohl also exp(UBC / UT) ≈ 0 ist, hängt der Kollektorstrom IC über die Gummelzahl von der Kollektor-Basis-Spannung UBC ab. Die Änderung von IC mit UBC ist jedoch gering, solange die Änderung der Löcherzahl klein ist gegenüber deren Gesamtzahl. Der Early-Leitwert ist also im Allgemeinen klein. Gummelplot Verstärkung Gummelplot: Kollektorstrom und Basisstrom im aktiven Betrieb. Abhängigkeit der Verstärkung B von Basis und Kollektorstrom. • beim idealen Bipolartransistor verlaufen die IC und IB Kurven im log-lin-Diagramm linear und parallel. • Beim realen Bipolartransistor gibt es drei unterscheidbare Bereiche: Bei niedrigen Strömen macht sich die Rekombination in der Basis-Emitter-Raumladungszone als zusätzlicher Basisstrom bemerkbar, bei hohen Strömen führen Hochinjektionseffekte zur Abflachung des Kollektorstromes. Nur in einem mittleren Bereich der Ströme arbeitet der Bipolartransistor nahezu ideal. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 26 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Gummelplot Kennlinien erklären können Bei niedriger Spannung ist die Stromverstärkung verschwindend klein und nimmt mit zunehmender BE-Spannung deutlich zu. Nach Überschreiten der Fluss-Spannung (UBE = UT ≈ 0.6 V) - im mittleren Bereich der Kurven, wo sich der Bipolartransistor nahezu ideal verhält - ist die Stromverstärkung nahezu konstant und unabhängig von UBE bzw. lC. Dies gilt so lange, bis der Kollektorstrom so groß wird, dass Hochstromeffekte wirksam werden. Erreicht der Transistor durch eine weitere Steigerung der BE-Spannung den Hochstrombereich (UBE ≈ UKF > 0.85V), so beginnt die Stromverstärkung wieder zu sinken und verschwindet schließlich wieder ganz (ß≈1). FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 27 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Wie schauen die (statischen und dynamischen) Ersatzschaltbilder des Transistors aus? Vereinfachtes statisches Kleinsignalmodell links, dynamisches Kleinsignalmodell rechts MOSFET: Was ist ein MOSFET (=Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor)? Feldeffekttransistoren (FETs) sind aktive Bauelemente, deren Stromfluss durch einen leitenden Kanal mit Hilfe einer Steuerelektrode moduliert werden kann. Wie schaut das Schaltsymbol aus und was bedeutet der Pfeil? n-Kanal(selbstsperrend) n-kanal(leit) FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER p-kanal(selbstsperrend) p-kanal(leit.) Seite 28 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Der Pfeil sagt aus ob es sich um p- oder n-Kanalfeldeffekttransistor handelt. Wie ist er aufgebaut und wo sind die Raumladungszonen? Der MOSFET besteht aus einem p-dotierten Silizium-Substrat, in dem zwei n-dotierte Zonen Drain und Source eingelassen sind. An der Unterseite befindet sich der Bulk-Anschluss, mit dem die Schwellenspannung gesteuert werden kann. Auf der Oberseite befindet sich, getrennt durch die namensgebende SiO2-Schicht, das Gate angeschlossen. An den p-nÜbergängen bildet sich eine Raumladungszone aus. Bulk liegt auf Erde und man legt eine Spannung am Gate an, was passiert? Ist die Spannung UGS kleiner als 0 (Gate negativ) kommt es zur Anhäufung (Akkumulation) von Löchern am Gate. Es ist keine Leitung möglich. Ist die Spannung UGS > 0 kommt es zur Verarmung (Depletion) von Löchern, da diese weiter von den Grenzflächen weggedrängt werden. Die RLZ an den Grenzflächen bildet sich weiter aus. Was ist die Inversion? Die Wirkungsweise des MOSFET beruht auf der Steuerung des Leitwerts des Kanals durch Veränderung der Ladungsträgerdichte an der Grenzfläche zum Gateoxid. Akkumulation Legt man eine negative Gate-Sourcespannung an (UGS <0), so wird das Gate negativ aufgeladen, und es werden Löcher aus dem Halbleiterinneren an die Oberfläche gezogen FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 29 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente und dort angehäuft, man spricht von Akkumulation. Zwischen Source und Drain ist keine Leitung möglich, da immer mindestens einer der beiden n+p-Übergänge sperrt. Depletion oder Verarmung Wird UGS positiv, werden die Löcher von der Grenzfläche weggedrängt, es entsteht eine zunehmende Verarmung an Majoritätsträgern an der Grenzfläche und es bildet sich eine Raumladungszone an der Grenzfläche aus. Inversion Bei einer weiteren Erhöhung von UGS werden die energetischen Bedingungen für Elektronen so günstig (dass sich zunächst eine geringe Zahl von Elektronen an der Grenzfläche ansammelt und einen Kanal von Source nach Drain bildet (Abb. 4.5c). Dies geschieht bei Überschreiten einer bestimmten Spannung, der Schwellenspannung VT also Inversion = Leitung des MOSFET Je höher die Spannung, desto 'dicker' wird der Kanal und es kann mehr Strom fließen. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 30 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Erklären Sie die Kennlinien und die Funktion des MOSFETs. Transferkennlinie: ID nach UGS: quadratischer Anstieg ab UTH Ausgangskennlinie: ID nach UDS und UGS: ähnlich wie beim Bipolartransistor, jedoch flacher Welche Form hat die Transferkennlinie des MOSFET? (quadratisch) ab UTH ein quadratischer Anstieg von ID Wieso gibt es kein Eingangskennlinienfeld? Das Eingangskennlinienfeld wäre IGate über UGS – IGate ist wegen des Metalloxides jedoch gleich Null. Es wäre unsinnig eine Abhängigkeit von etwas darzustellen, die eine Linie bei 0 ist. Zeichnen Sie die Ersatzschaltbilder (statisch & dynamisch, Klein- & Großsignal). Einfaches statisches Gleichstrommodell dynamisches Modell FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Großsignal-ESB (statisch) Kleinsignal-ESB(statisch) Seite 31 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Was ist die Einsatz- bzw. Schwellspannung? Die Einsatz- oder Schwellspannung UTH oder VT ist jene Spannung, ab deren Überschreitung der FET in den leitenden Zustand übergeht. Oder anders formuliert, bei der man von der Verarmung (Depletion) in die Inversion kommt, der Index T kommt von Threshold. Beim MOSFET ist diese Spannung durch USB steuerbar. Erhöht man nämlich USB, so vergrößert sich die Raumladungszone zwischen Source und Bulk und – da der Kanal in leitender Verbindung mit dem Sourcegebiet steht - auch die Raumladungszone zwischen Source und Bulk. Diese zusätzliche negative Raumladung muss durch eine zusätzliche positive Gateladung kompensiert werden. Dies kann nur durch die Erhöhung von UGS geschehen. Wie groß ist sie ungefähr und kann man sie verändern? (einige Volt, verändern durch unterschiedliche Dotierung) Wenige Volt (BUZ11: 3V). Die Schwellspannung hängt auch von der Dotierung des Substrates ab. Insbesondere lässt sich durch die Wahl der Dotierungskonzentration eine gewünschte Schwellspannung einstellen („Kanalimplantation“). Was ist der Kanallängenmodulationsparameter? (wie Earlyeffekt) Aus der Steigung der Ausgangskennlinie im Sättigungsbereich ergibt sich der Kanallängenmodulationsparameter V. Er wird daher auf dieselbe Weise bestimmt wie die Early-Spannung beim Bipolartransistor: Die zu ID = 0 extrapolierte Ausgangskennlinie W schneidet die Abszisse bei X. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 32 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Stromquelle mit FET Stromquellenbereich: 0 ≤ Z7 − " ≤ [7 [ = \ ∙ Z7 − " 2 MOSFET als Widerstand ohmscher Bereich: 0 ≤ [7 ≤ Z7 − " [ = \ ∙ PZ7 − " ∙ [7 − \ = ] ∙ (′_` ∙ FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER 1 ∙ [7 R 2 a de dO !$c (′_` = b 6_` Seite 33 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Unterschwellenverhalten von MOSFET Das einfache MOSFET - Modell geht von der Annahme aus, dass unterhalb der Schwellenspannung kein Transistorstrom fließt. ln Wirklichkeit ist das jedoch nicht der Fall: da auch im Unterschwellenbereich, also bei UGS < Utah ein messbarer Strom lD durch den Transistor fließt. Im Unterschwellenbereich ist der Strom lD näherungsweise unabhängig von UGS! Der Anstieg unterhalb der Schwelle ist abhängig von der Oxidkapazität COX, der Kapazität der Raumladungszone CSi und der Kapazität der schnellen Grenzflächenzustände am Übergang Halbleiter- Oxid Cfit (fit steht für fast interface traps). DRAM Zelle Die DRAM-Zelle besteht aus einem Transistor und einem MOS-Kondensator, in den die Information in Form einer Speicherladung eingeschrieben wird. Die Wortleitung, die mit dem Gate verbunden ist, stellt eine leitende Verbindung zwischen Speicherkondensator und Datenleitung her und ermöglicht damit das Ein- bzw. Auslesen. Während der Speicherung wird die leitende Verbindung durch den selbstsperrenden Transistor dauerhaft getrennt. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 34 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente J-FET: Was ist ein J-Fet? Beim JFET (Junction-FET oder Sperrschicht-FET} befindet sich zwischen dem Gate ("Metal") und dem leitenden Kanal die Raumladungszone eines p-n-Überganges. Durch die GateSpannung wird die Raumladungszone, die den Kanal begrenzt, vergrößert oder verkleinert. d.h. die Breite des leitfähigen Kanals gesteuert, Der Gate-Strom ist praktisch Null, solange der p-n-Übergang in Sperrrichtung gepolt ist. Wie ist er aufgebaut und wie funktioniert er? Wir nehmen zunächst an, dass UDS = 0 sei. Bei UGS = 0 besteht bereits eine Raumladungszone, die einen leitfähigen Kanal der Dicke d zwischen Source und Drain FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 35 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente umschließt. Macht man UGS negativ, dann vergrößert sich die Raumladungszone und der Kanal wird schmaler. Bei weiterer Verkleinerung von UGS erreicht man eine Spannungsschwelle, bei der der Kanal vollständig abgeschnürt wird, also verschwindet. Diese UGS Spannung nennt man die Abschnürspannung oder Pinch-off-Spannung UP. Aus der Sicht des Anwenders ist UP der Schwellenspannung VT im Falle eines MOSFET gleichwertig. Zusammengefasst kann man sagen, dass der JFET bei kleinem UDS ein von UGS gesteuerter Widerstand ist. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 36 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Welche Kennlinien gibt es und wie schauen sie aus? Transferkennlinie Ausgangskennlinien Was ist die Pinch-off-Spannung? Die Pinch-Off-Spannung ist die Abschnürspannung. Erreicht man diese Spannungsschwelle, ist der Kanal vollständig abgeschnürt und verschwindet. Es ist kein Stromfluss von D nach S mehr möglich. Bei größeren werdenden UDS bei konstantem UGS beobachtet man ein Verhalten, das von dem eines ohmschen Widerstandes abweicht, weil sich die Raumladungszone Drain-seitig wegen UGD = UGS - UDS < UGS weiter in den Kanal hinein ausdehnt als Source-seitig. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 37 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Dadurch sinkt der Leitwert des Kanals (also das Verhältnis lD/UDS), während der Strom noch ansteigt. Bei einer vollständigen Abschnürung steigt schließlich der Strom nicht mehr merklich an, man befindet sich im Stromquellenbereich. Der Übergang vom ohmschen Bereich in den Stromquellenbereich erfolgt genau dann, wenn zwischen Gate und Drain die Pinch-off-Spannung auftritt: Z[ A Welche Einschränkungen gibt es bei der Beschaltung Eingangsstrom ist praktisch Null und die Spannung UGS eine Sperrspannung sein. Daher soll man darauf achten, dass die Steuerspannung auch eine Sperrspannung bleibt. Wie schaut die Eingangskennlinie aus und warum ist sie unwichtig? (Diode in Sperrrichtung) höchste technisch sinnvolle Steuerspannung ist UGS = 0, sonst ist Diode in Flussrichtung gepolt -> nicht sinnvolle Funktionsweise FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 38 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Stromquelle mit JFET Stromquellenbetrieb: Es bleibt ein kleiner Kanalquerschnitt über. Hier bewegen sich die Elektronen mit konstanter Geschwindigkeit, die nicht mehr durch die Spannung UDS beeinflussbar ist. Der Elektronenstrom wird nur noch durch die Verhältnisse im abgeschnürten Teil des Kanals bestimmt. ID steigt nur mehr schwach mit UDS an OPV: Was ist das und wozu brauche ich ihn, wie schaut das Symbol aus? • Operationsverstärker sind Differenzgleichspannungsverstärker mit • extrem hoher (vg~200000) Spannungsverstärkung • großem Eingangs und niedrigem Ausgangswiderstand • großer Bandbreite. Ursprünglich wurde er in der analogen Rechentechnik verwendet, heute findet er als Verstärker in der analogen Schaltungstechnik Anwendung, sei es als Elektrometerverstärker, als Summierverstärker (bzw mit C oder L Beschaltung als integrierendes oder differenzierendes Glied) oder als Komparator. Das Symbol für den Operationsverstärker ist ein Dreieck mit zwei Eingängen (invertierend (-) und nichtinvertierend(+) ) positiver und negativer Versorgungsspannung und einem Ausgang. Die Spannungsversorgung wird dabei häufig nicht gezeichnet. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 39 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Was ist ein idealer OPV und wie Funktioniert er? Ein linearisierter OPV ohne Eingangströme, Offsetspannung und mit unendlich hoher Verstärkung. Unendlich kleiner Ausgangswiderstand und unendlich hoher Eingangswiderstand Für einen idealen OPC gilt zu jeder Zeit: Ie+ = Ie- = 0 Ued =0 für -Usat < Ua < Usat (linearer Betrieb) Ua = Usat für Ued > 0 (+ Sättigungsbetrieb) Ua = -Usat für Ued < 0 (- Sättigungsbetrieb) ra =0 ra = unendlich Der OPV hat unendliche Geradeausverstärkung vg Operationsverstärker werden nur im linearen (senkrechten) Betrieb verwendet, daher können wir zu jeder Zeit Ued = 0 annehmen. Da gleichzeitig Ued = 0 und Ie+ = Ie- = 0 gelten, spricht man hier vom virtuellen Kurzschluss, das bedeutet dass die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen immer 0 ist, gleichzeitig jedoch anders als bei einem echten Kurzschluss (sehr hoher Kurzschlussstrom, nur begrenzt durch die Anschlusswiderstände) kein Strom über die beiden Anschlüsse fließt. Durch diese beiden Bedingungen ist es möglich einen Punkt in der Beschaltung auf Masse (virtuelle Masse) zu legen und gleichzeitig den ganzen Strom über das Widerstandsnetzwerk zu zwingen, so sind verschiedene Verstärkerschaltungen verwirklichbar. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 40 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Was ist ein realer OPV und wo sind die Unterschiede im Vergleich zum idealen OPV? Ein realer OPV versucht die Eigenschaften eines idealen OPV zu erreichen bzw diese anzunähern. Da weder unendliche Widerstände noch ein Verstärkungsfaktor von unendlich realisierbar sind und es wegen der Fertigungstoleranzen zu leichten Unterschieden bei den verwendeten Transistoren kommt, weichen reale OPV in einigen Punkten vom idealen OPV ab endliche Geradeausverstärkung vg (~100.000) Eingangsruheströme Ie0+, Ie0- Offsetspannung Ued0 Eingangswiderstand red Ausgangswiderstand rag Das Ersatzschaltbild für den realen OPV wird daher (ausgehend vom ESB des idealen OPV) um diese Details erweitert und sieht dann so aus: Virtueller Kurzschluss Das Wesentliche ist, dass le+ = le- = 0 und gleichzeitig Ued = 0 ist, man spricht daher von einem virtuellen Kurzschluss. Im Gegensatz zu einem tatsächlichen Kurzschluss ist beim virtuellen Kurzschluss nicht nur die Spannung, sondern auch der Strom gleich Null. Wie schaut die Kennlinie des realen OPV aus und in welchem Bereich wird er betrieben? (Steiler Bereich um den Ursprung) Der OPV wird im Verstärkerbetrieb im steilen, weitgehend linearen, Bereich um den Ursprung betrieben. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 41 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Wie soll die Steigung im Ursprung sein und wie wird sie genannt? unendlich große, offene Schleifenverstärkung. Die Steigung vg = dUa/dUed wird als Geradeausverstärkung bezeichnet und soll möglichst groß sein, beim idealen OPV unendlich, beim realen typischerweise ~100.000. Was ist ein typischer Wert für vg? 100.000 Was ist die Offsetspannung und wo in der Kennlinie kann sie abgelesen werden? Die Kennlinie geht nicht durch den Ursprung, d.h. bei Ua = 0 existiert eine Eingangsdifferenzspannung ungleich 0. Man nennt diese Spannung Offsetspannung Ued0. Im Allgemeinen sind Ued0 (typisch einige mV) und vg (typisch 105 ) so groß, dass im linear ansteigenden Bereich die Eingangsspannung Ued bei keiner Ausgangsspannung Ua gleich Null wird. Eine Ursache für das Auftreten der Offsetspannung sind unterschiedliche Kennlinien der Transistoren des Differenzverstärkers Nullpunktverschiebung Wie baue ich einen Komparator? Dies ist die einfachste OPV-Schaltung, der Ausgang wird einfach auf den nichtinvertierenden Eingang rückgeführt (Mitkopplung) so wird schon das kleinste Signal am Eingang um vg verstärkt wieder an den Eingang zurückgeführt. Theoretisch würde die Spannung am Ausgang durch die beliebig häufige Verstärkung um vg unendlich werden, da der OPV jedoch nur von -Usat bis +Usat arbeitet lässt die kleinste postive Spannung am Eingang den Komparator auf +Usat und die kleinste negative Spannung am Eingang auf -Usat kippen. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 42 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Er enthält – im Gegensatz zum Operationsverstärker – absichtlich keine Frequenzkompensation, um am Ausgang eine hohe Flankensteilheit zu erzielen. Deshalb kann er nicht mit Gegenkopplung betrieben werden, er würde als Oszillator mit schwer definierbarer Frequenz wirken. In welchem Bereich der Kennlinie wird ein Komparator betrieben? Man lässt ihn von einem (waagrechten) Sättigungsbereich in den anderen kippen, also bei Ued > 0 auf Ua = Usat und bei Ued < 0 auf Ua = -Usat Schaltungen: N-Mos-Inverter Wie ist er aufgebaut (Schaltung)? Der einfachste n-MOS Inverter ist ein n-MOSFET mit einem Widerstand am Drain-Anschluss, und dem Ausgang ebenfalls am Drain (mit einem Kondensator parallel zum FET). Die Spannungsversorgung erfolgt über den Widerstand, es ist leicht ersichtlich dass wegen ID = 0 VDD am Ausgang liegt wenn Vein = 0 ist, und der (selbstsperrende) FET damit sperrt. Liegt jedoch eine Spannung > UGS am Gate an, wird der FET leitend zieht er den Ausgang auf Masse (0V) Da dabei aber ID über RL Verluste verursacht, gibt es noch eine weitere Schaltung, bei der ein zweiter n-MOS als Transistorlast verwendet wird, bei dem das Gate mit dem Drain FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 43 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente verbunden und auf U0 gelegt wird, außerdem werden die Bulks der beiden FET miteinander und mit der Masse verbunden. Liegt nun keine Spannung am Eingang sperrt T1, ID = 0, T2 leitet, damit ist am Ausgang Ua = U0-VT2. Liegt am Eingang Spannung an, leitet T1, bei T2 ist UGS = 0 und er sperrt, Ua ist damit klein. (logisch 0) In den beiden Zuständen fließt nun kaum Strom, jedoch beim Wechsel zwischen diesen, dadurch hat diese Schaltung immer noch einen nicht verschwindenden Energieverbrauch. Wie schaut die Ua(Ue)- Kennlinie aus? Wann bricht die Kennlinie ein? Wieso geht die Kennlinie nicht auf 0V? (Leckstrom des sperrenden Fets verursacht einen Spannungsabfall am Serienwiderstand des leitenden Fets) FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 44 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente C-Mos-Inverter: Wie ist er aufgebaut (Schaltung)? CMOS-Inverter besteht zwar aus zwei verschiedenen Transistortypen, was eine höhere technische Komplexität bedeutet. Wie funktioniert er? • ln den Ruhezuständen (Ue = HIGH oder Ue = LOW) fließt kein Strom durch die Transistoren, weil entweder T1 oder T2 gesperrt ist. • Der Eingang liegt an den MOSFET - Gates, daher fließt im Ruhezustand kein Eingangsstrom. Die Eingangsimpedanz bei Aussteuerung (Umschalten) ergibt sich aus den Gate-Kapazitäten. • Beide Ausgangszustände (HIGH und LOW) werden durch einen voll leitenden, im ohmschen Bereich arbeitenden MOSFET bestimmt: Ua = U0 durch T2 (p-MOS) bei Ue = 0 Ua = 0 durch T1 (n-MOS) bei Ue = U0 • Der Stromverbrauch ergibt sich durch die Umladevorgänge von LOW auf HIGH und HIGH auf LOW. Bei jedem Zyklus (LOW → HIGH → LOW oder HIGH → LOW → HIGH) wird die Ladung Q = U0 • CLast ("Knotenkapazität") zu- und abgeführt. Zusätzlich fließt ein Strom während des Umschaltens, solange T1 oder T2 gleichzeitig leiten (U0 - Ue > VT,p, Ue > UT,n). FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 45 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Wie schaut die Ua(Ue)- Kennlinie aus? Wann bricht die Kennlinie ein? Transistor T2 geht vom Stromquellen in den Ohmschen Bereich über, wenn UDG2 = VT,p, also wenn Ua – Ue = VT,p. Diese Spannung wird mit Ua2 bezeichnet: * f + "h,A Transistor T1 geht vom Stromquellen in den Ohmschen Bereich über, wenn UDG1 = VT,n, also wenn Ua – Ue = VT,n. Diese Spannung wird mit Ua1 bezeichnet: *j = f + "h,Erreicht die Eingangsspannung also den Wert VT,n, beginnt die Kennlinie nicht mehr horizontal zu verlaufen sondern versucht sich in die vertikale Linie einzutauchen. Auf der anderen Seite, fällt die Eingangsspannung um den Wert VT,p ab, beginnt sich die Kennlinie ebenfalls dem vertikalen Ast zu nähern. Wieso geht die Kennlinie nicht auf 0V? Leckstrom des sperrenden FETs verursacht einen Spannungsabfall am Serienwiderstand des leitenden FETs. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 46 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Bipolarer Differenzverstärker: Was ist das, wie sieht die Schaltung aus und wie funktioniert er? Der Bipolare Differenzverstärker ist ein symmetrischer Verstärker mit zwei ein und zwei Ausgängen, Ued = Ue1 – Ue2 als Eingangsgröße und Uad = Ua1 – Ua2 als Ausgangsgröße. Wie wir sehen besteht die Schaltung aus zwei Transistoren in Emitterschaltung mit gleichem Lastwiderstand, gleicher Spannungsversorgung und die Emitter 'münden' beide im gleichen Zweig, in einer Konstantstromquelle, deren Strom auf beide Transistoren und deren Lastwiderstände aufgeteilt wird. Besteht eine Spannungsdifferenz Ued zwischen den beiden Eingängen, so steuern beide Transistoren unterschiedlich aus, was bedeutet dass sich der Konstantstrom anders aufteilt, wodurch an den Widerständen wiederum unterschiedliche Spannungen abfallen, deren Differenz die Ausgangsspannung Uad ist. I0 − 2 U ed cosh ( ) (2 U ) 2U T T Die Verstärkung beträgt hier vud = -gmd*RL mit gmd = Durch zusätzliche Stromgegenkopplung (Widerstände zwischen den Emittern und der Konstantstromquelle) lässt sich der Aussteuerbereich drastisch vergrößern, der Verstärkungsfaktor wird kleiner, die Verstärkung jedoch linearisiert und konstant und beträgt v ud = − RL 1 ( RE + ) g md FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 47 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Ist es ein Gleich- oder Gegentaktverstärker? Gegentaktverstärker: Im Idealfall spielt die Spannung Ug am gemeinsamen Punkt der Beiden Verstärkerelemente keine Rolle, diese Eigenschaft wird als Common Mode Rejection, also Gleichtaktunterdrückung bezeichnet, verstärkt wird nur der Differenzanteil, daher ist der Differenzverstärker ein Gegentaktverstärker. Wie ist der Energieverbrauch dieser Schaltung? P = UB*I0 Elektrometerverstärker: Was ist ein Elektrometerverstärker? Ein nichtinvertierender Verstärker mit sehr großem Eingangswiderstand und einer Verstärkung vU > 1. Warum heißt er so? Weil er ein nichtinvertierender Verstärker ist, d.h., er verändert die Polarität der Eingangsspannung nicht wie der Differenzverstärker Die Ausgangsspannung wird auf den invertierenden Eingang zurückgeführt, allerdings mittels eines Spannungsteilers, der aus den beiden Widerständen R1 und R2 besteht. Die Bezeichnung Elektrometerverstärker hat diese Schaltung aufgrund ihres sehr hohen Eingangswiderstands, ähnlich wie bei einem Elektroskop, welches auch als Elektrometer bezeichnet wird. Wo findet diese Schaltung Verwendung? In Messgeräten, wegen großem re. Was sind die Eigenschaften dieser Schaltung? Die Verstärkung vU > 1, der Eingangswiderstand re ist auf Grund des OPV – Einganges (im Idealfall sind die Biasströme gleich Null) sehr groß. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 48 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente kl 1 + m mj * = k ∙ f = 1 + m ∙ f mj Wie groß ist der Ausgangswiderstand typischerweise? 1*e = 1*n 1*n || mj + m = || mj + m 1 + ko 1 + \ ∙ kn FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 49 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung: Wie schaut sie aus, wieso heißt sie so? (Emitter ist gemeinsamer Anschluss) - Emitterschaltung bedeutet dass der Emitter der gemeinsame Anschluss ist, also hier für Eingang und Ausgang an Masse liegt (andere Faustregel, eine Schaltung wird nach dem Anschluss benannt, an den weder Eingang noch Ausgang angeschlossen ist) Wie funktioniert die Schaltung? Die Gleichspannung Ue0 fällt nicht allein an der Diode ab, sondern wird zusätzlich durch den Spannungsteiler stabilisiert, da IB<<Iq gilt kann IB vernachlässigt werden. Wir sehen anhand der Formel für die Signalspannungsverstärkung vu= − RC 1 ( + RE) gm dass, sofern RE >> 1/gm gilt, die Spannungsverstärkung vu = − RC RE ist, also unabhängig von gm wird und nur durch die Widerstände bestimmt wird. So wird zwar der Verstärkungsfaktor verringert, dafür wird die Nichtlinearität unterdrückt. Für den Signaleingangswiderstand gilt r a= 1 (1+ g m RE ) RC g CE Der Ausgangswiderstand wird also um den Faktor (1+ g m R E ) erhöht. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 50 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Woraus besteht die Stromgegenkopplung? Zeichnen Sie die Ua(Ue)- Kennlinie. Zum Vergleich ohne Stromgegenkopplung. Wir sehen dass die Verstärkung kleiner ist, dafür viel linearer verläuft und eine weit größere Bandbreite abdeckt. Was bewirkt die Stromgegenkopplung (Vor- und Nachteile)? Stromgegenkopplung bedeutet dass ein Teil des Ausgangsstromes an den Eingang zurückgeführt wird, so wird der Kollektorruhestrom gegen Exemplarstreuungen der Steuerkennlinien stabilisiert werden, die Streuung von B wird ebenfalls eliminiert, da wegen Iq<<IB IB vernachlässig werden kann. Der Signaleingangswiderstand wird merklich erhöht. Die Stromgegenkopplung verringert die Spannungsverstärkung Stromspiegel: Was ist das und wie funktioniert er? Ein Stromspiegel (current mirror) liefert am Ausgang eine verstärkte oder abgeschwächte Kopie des Eingangsstromes, arbeitet also wie eine stromgesteuerte Stromquelle. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 51 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente * = O − 8 mp Was ist ein Transistor mit kurzgeschlossener Kollektor-Basis-Strecke? Schließt man die Kollektor-Basis-Strecke kurz, erhält man auf Grund des p-n-Überganges der Basis-Emitter-Strecke eine Diode. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 52 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Summierverstärker: Was ist das und wie funktioniert er? Der Summierverstärker ist eine invertierende Verstärkerschaltung Der nichtinvertierende Eingang wird dabei auf Masse gelegt, am invertierenden wird über den Widerstand R1 die Eingangsspannung angelegt und über den Widerstand R2 der Ausgang des OPV rückgeführt. Als Summierpunkt wird der invertierende Eingang bezeichnet, die Summe der Einzelströme (wegen Ued = 0 betragen diese jeweils Ue / R1) muss wegen Ie- = 0 durch R2 wieder abfließen und erzeugen dort die Spannung U a= − R2 ( U e1 U e2 + + ...) R11 R12 Wieso beeinflussen sich die Eingangsgrößen nicht gegenseitig? Durch den OPV wird der Summierpunkt auf die 'virtuelle Masse' gelegt, so werden die Ströme durch Spannung durch Widerstand bestimmt ohne dass Spannungsteiler zustande kommen könnten. NEUE FRAGEN: Groß & Kleinsignalaufspaltung jeweils von Stromquelle und Spannungsquelle Wurde bei der Schaltungsanalyse ausführlich genug behandelt; einfach ein großes Gleichsignal (Arbeitspunkt) und dann ein veränderliches Kleinsignal (Signalverhalten der Schaltung) FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 53 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Wie teilt man Netzwerke ein? In lineare und nichtlineare Netzwerke, außerdem gibt es noch (lineare und nichtlineare) dynamische Netzwerke. Lineare Netzwerke enthalten ausschließlich lineare Elemente und erfüllen damit die Anforderung, dass eine zB Verdoppelung der Eingangsgrößen auch zu einer Verdoppelung der Ausgangsgrößen führt. Lineare Netzwerke stellen einen großen Teil der Netzwerktheorie dar, da man hier die Schaltungen nach Thevenin-Norton behandeln kann. Lineare Elemente sind: unabhängige Strom und Spannungsquellen ohmschen Widerständen linear gesteuerte Strom und Spannungsquellen. Für nichtlineare Netzwerke gilt dies nicht, sobald in einem Netzwerk zB zusätzlich eine Diode vorhanden ist führt eine Änderung der Eingangsgrößen nicht garantiert zu einer gleichgroßen Änderung der Ausgangsgrößen, eine Änderung der Spannung an einer Diode von 1 auf 0,5 V würde zum Beispielt dazu führen dass die Flussspannung unterschritten wird, die Diode sperrt und der Ausgang 0 wird. Dynamische Netzwerke enthalten schließlich auch Elemente wie Kondensator und Spule die nicht nur Frequenzabhängig sind sondern auch in Sättigung getrieben werden können und deren Strom und Spannungen auch vom Ausgangszustand des Bauteils abhängt. Kombination aus all diesen Varianten. Parasitären Effekte Kondensator, ESB von Kondensator? Während und nach dem Aufladen eines Kondensators fließen Ladungen in das Innere des (nicht idealen) Dielektrikums. Sie werden dort gespeichert und speisen nach dem Kurzschließen des Kondensators den Nachladestrom. Diese "innere" Ladung kann nach dem Kurzschließen nicht sofort abfließen. Sie lädt nach kurzzeitigem Kurzschluss den Kondensator wieder auf (bis zu 10% der ursprünglichen Spannung) Frequenzabhängigkeit: -aus dem frequenzabhängigen (intrinsischen) Verhalten des Dielektrikums. Ursachen in der Dipolrelaxation parasitäre Induktivität, die durch Aufbau und Anschlusskonfiguration bestimmt wird und die im Ersatzschaltbild durch eine in Reihe liegende Induktivität berücksichtig wird. Sie wird ESL (engl. equivalent series inductance) genannt und führt zu einer charakteristischen Eigenresonanzfrequenz, bei der der kapazitive Zweipol seine minimale Impedanz besitzt. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 54 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente ESB: Schwingkreis, D-Ram, Glättung, Energiespeicherung(kurzfristig), Blindleistungskompensation, CPU(Kernprozessor) Was ist eine Übertragungsfunktion? Abghängigkeit der Ausgangsgröße von der Eingangsgröße G ( jω)= Wirkungsgröße Ursache Die Übertragungsfunktion beschreibt den Zusammenhang zwischen der Ursache für Ströme und Spannungen eines Netzwerkes und den sich einstellenden Wirkungen. Dieser Zusammenhang gilt für Bauelemente sowie ganze Schaltungen und kann auch komplex werden. Ja nach Zweckmäßigkeit kann es sich um eine Impedanzfunktion, eine Admittanzfunktion oder komplexe Spannungs- und Stromverhältnisse handeln. In dynamischen Netzwerken hat G(jω) auch einen Frequenzganz, diese werden häufig in einem Bode-Diagramm oder als Ortskurve dargestellt Bodediagramm, Achsen, Tief-Hochpass einzeichen Das Bodediagramm ist ein Funktionsgraph der Übertragungsfunktion, der Verstärkung in dB (logarithmisch) und die Phasenverschiebung in ° (linear) in Abhängigkeit von der Frequenz (logarithmisch) darstellt. Hier ein Beispiel wie ein Bodediagramm aussieht. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 55 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente TIEFPASS: HOCHPASS: a /dB 0 -3dB -20 -40 0,01 0,1 1 3 10 Ω 100 ϕ(A) +90° 2/3 einer Dekade +84,3° +60° +30° +5,7° Wendetangente 0° 0,01 0,1 1 FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER 3 10 Ω 100 Seite 56 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Schaltverhalten einer Diode Die ideale Diode würde, als elektronischer Schalter eingesetzt, ohne Zeitverzögerung vom gesperrten in den leitenden Zustand schalten. Jedoch hat eine reale Diode parasitäre Kapazitäten und es müssen beiderseitig Überschussladungen in den Raumladungen abgebaut werden. Diese diffundieren nach dem Umschalten in die RLZ und fließen als Sperrstrom ab. Dafür ist die Sperrverzögerungszeit (reverse recovery time) nötig, diese bestimmt auch die maximale Schaltgeschwindigkeit der Diode. Durchbruchsarten der Diode Lawinendurchbruch. Wie überall im Halbleiter werden auch im p-n-Übergang durch thermische Anregung laufend - wenngleich mit sehr geringer Rate - Elektron-Loch-Paare erzeugt. Im Feld des pn- Überganges werden diese räumlich sofort getrennt und in entgegengesetzte Richtung beschleunigt. ln Abhängigkeit von der lokal herrschenden Feldstärke nehmen sie kinetische Energie auf. Bei Sperrpolung und einer ausreichend hohen Feldstärke E > Emax reicht diese kinetische Energie aus, um weitere Elektron-Loch-Paare zu erzeugen, die dann ihrerseits wieder getrennt und beschleunigt werden und weitere Paare erzeugen können. Die lawinenartig anwachsenden Zahl von Ladungsträgern führt zum Lawinendurchbruch, der die Diode zerstört. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 57 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Zener-Durchbruch Es tritt der Zener Effekt bei sehr hoch dotierten p-n-Diode auf (Dotierung > 1019-1020). Die Sperrschichtausdehnung ist so klein, dass sich kein Lawineneffekt ausbilden kann, in der Raumladungszone aber extrem hohe Felder (Si bei etwa 300kV/cm, bei GaAs bei etwa 400kV/cm und bei Ge bei etwa 100kV/cm) herrschen. Durch die hohe Dotierung stehen den Valenzelektronen des p-Gebietes auf dem räumlich eng benachbarten n-Gebiet freie Plätze zur Verfügung. Die freigesetzten Valenzelektronen tunneln nun auf die freien Plätze des nGebietes. Tunneldurchbruch Bei sehr starker Bandverbiegung durch sehr hohe Spannungen können gebundene Elektronen aus dem Valenzband des p-Gebietes die Barriere bei der Energie Ev durchtunneln und in die freien Zustände des Leitungsbandes gelangen, von wo sie dann durch das hohe Feld abgesaugt werden. Thermischer Durchbruch Die instrinsische Ladungsträgerdichte ni und damit die Eigenleitfähigkeit ist beu Raumtemperatur sehr klein und kann im Vergleich zur Dotierung vernachlässigt werden, FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 58 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente steigt jedoch mit der Temperatur exponentiel an. Überhalb einer gewissen Temperatur, Tintrinsisch, wird die Eigenleitfähigkeit gleich groß bzw größer als die durch Dotierung hervorgerufene Leitfähigkeit. Dadurch steigt der Strom durch das Bauteil, wodurch wieder die Verlustleistung und damit die Temperatur steigt, womit wieder die Leitfähigkeit steigt. Diese Kettenreaktion findet in der lokalen thermischen Zerstörung des Bauteils ihr Ende. Wo ist der sichere Bereich eines Bipolartransistors? Sauberer betrieb? Der Sichere Betriebsbereich des Bipolartransistors liegt zwischen Verlustleistungshyperbel (darüber hinaus thermische Zerstörung) der obersten Ic(UCE)-Kennlinie des Ausgangskennlinienfeldes und dem Maximalwertk der Kollektor-Emmiter Spannung (2. Durchbruch, Einschnürung des leitenden Kanals->örtliche Überhitzung in der Basis). Außerdem darf die maximale Betriebstemperatur nicht überschritten werden. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 59 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Leistungskurve eines Transistors, Hyperbel Verhältnis der Beweglichkeit von Elektronen und Löcher? 1:2 Da Elektronen und Löcher unterschiedliche effektive Massen haben, haben Elektronen eine doppelt bis dreifach so hohe Beweglichkeit wie Löcher. Wann will ich große/kleine EarlySpannung? Beim Transistor und beim FET große Earlyspannung, weil dadurch die Ausgangskennlinie flacher wird, beim der Stromquelle. FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 60 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente große Early: Basis sehr dünn machen und hoch dotieren -> führt aber zu einer kleinen Stromverstärkung! kleine Early: Basis sehr dick machen und niedrig dotieren -> führt aber zu einer großen Stromverstärkung! Gummelzahl, warum wichtig? G ∙ A gibt die Gesamtzahl der Majoritätsladungsträger in der Basis an. Im Ergebnis hängt die Steuerkennlinie hängt also nicht vom Verlauf des Datierungsprofils in der Basis ab, sondern nur von der Gesamtzahl der Löcher in der neutralen Basiszone, also von der Gesamtzahl der Akzeptoren in der Basis und damit von der Basisdotierung. Gummelzahl beschreibt Löcher in Basis und damit Verlauf Steuerkennline. Großsignal-ESB von Diode, was macht dort die Diode? Um den überlagerten Gleichstrom zu berücksichtigen, ersetzt man den Kleinsignalleitwert wieder durch eine Diode, die die stationäre Kennlinie beschreibt. Nur für hinreichend kleine Änderungen von U gemäß der Gleichung I = C ∙ dU/dt!!! FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 61 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Frequenzverhalten eines OPVs Kennlinie FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 62 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Bipolarer Differenzverstärker die Übertragungskennlinie Emitterschaltung ohne Stromgegenkopplung/mit Stromgegenkopplung FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 63 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Thyristor Aufbau Funktion Mit Hilfe des Gateanschlusses (G) kann die Strecke zwischen Anode (A) und Kathode (K) von einem sperrenden (blockierenden) in einen leitenden Zustand geschaltet werden, wenn die Spannung zwischen Anode und Kathode positiv ist. Der leitende Zustand hält sich danach selbsttätig aufrecht. Das Abschalten des Thyristors erfolgt dadurch, dass der Anodenstrom den sogenannten Haltestrom unterschreitet. Die n-Basis ist schwach dotiert und verleiht dem Thyristor eine hohe Spannungsfestigkeit Die p-Basis ist mit dem Gatekontakt verbunden. Die äußeren Schichten werden "Emitter" genannt, da sie im leitenden Zustand Ladungsträger in die Basiszonen injizieren. Für positives UA sperrt der Thyristor zunächst ebenfalls, bei Erreichen der Durchbruchspannung von Übergang 2 mündet die Blockierkennlinie jedoch nicht, wie die Sperrkennlinie, stetig in einem nahezu vertikalen Ast, sondern es erfolgt ein Sprung auf die Durchlasskennlinie. Man nennt diesen Sprung "Zünden" des Thyristors. Elektronen- und Löcherdichte liegen um Größenordnungen über der Dotierung, sodass der p-n-Übergang 2 wirkungslos gemacht wird. Bei genügend großen Gatestrom IG verkürzt sich gemäß der Abbildung die Blockierkennlinie. Wird nun ein positiver Gatestrom in die p-Basis injiziert, so lädt er diese positiv auf. Es entsteht eine Flussspannung am Übergang 3. Hierdurch kann nicht nur der Gatestrom zur Kathode abfließen, sondern es werden auch Elektronen vom n-Emitter (Kathode) in die p-Basis injiziert, und vom in Sperrrichtung gepolten Übergang 2 abgesaugt. Dadurch lädt sich die n-Basis gegenüber dem p-Emitter negativ auf, sodass der p-Emitter (Anode) nunmehr Löcher in die n-Basis injiziert, die vom Übergang 2 in die p-Basis abgesaugt werden und daher die Wirkung des FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 64 von 66 TU WIEN Nov-13 Anständige Ausarbeitung Elektronische Bauelemente Gatestromes IG verstärken. Ist dieser Rückkopplungseffekt stark genug, so schaukelt sich der Vorgang auf und es werden massiv Elektronen vom n-Emitter und Löcher vom p-Emitter in die n-Basis injiziert. Kennlinien Wir wünschen euch allen VIEL ERFOLG! FEISCHL ∙ OBERFEICHTNER Seite 65 von 66
