1. Einführung

1. Einführung: Inhalte und Ziele der Veranstaltung
Hintergrund Bauelemente
Anwendungsgebiete
Besonderheiten bei hohen Frequenzen
Aktive und nichtlineare Bauelemente
Hintergrund Halbleiter
Übersicht über HL-Verbindungen und Bauelemente
Physikalische Grenzen: Leistung – Frequenz (P∙f2)
Zusammenhang Bauform (pn) – Eigenschaften (IU-Kennlinie)
Trends in Forschung und Entwicklung
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Bedeutung und Zielsetzung der Veranstaltung
Das Kernstück nahezu jeder Schaltung der HF- und MW-Technik
bildet eine aktive und/oder nichtlineare Komponente
UB
Beispiele
RC
Verstärker
(Rx: LNA – Rauschzahl, Tx: PA – Leistung)
I2
R1
RS I1
Lokaloszillator
U2
Frequenzumsetzer oder –vervielfacher
U1
R2
RL
RE
Schalter
1. Übersicht über typische aktive/nichtlineare Bauelemente
2. Erläuterung der Funktionsweise und charakteristischen Merkmale
3. Schaltungs- und Anwendungsbeispiele (CAD-Übungen)
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Warum sind welche
Bauelemente wofür
geeignet?
fE
Mischer
HF-Verstärker
Empfangen → Verstärken
fz
Demodulator
ZF-Verstärker
NF-Verstärker
f0
Oszillator
Geringes Rauschen
↔ kleine Bahnwiderstände,
geringe Dämpfung durch Ladungsträgerdiffusion
Schwingungserzeugung, Frequenzumsetzung, De-/Modulation
Hohe spektrale Reinheit, hohe Grenzfrequenzen
↔ steile IU-Kurven (Dotierung)
↔ kurze Leitungswege, kleine parasitäre Reaktanzen (C, L)
Verstärken → Senden
Hohe Leistungen
↔ hohe Stromdichten, gute Wärmeabführung, geeignete Impedanzen
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Besonderheiten bei hohen Frequenzen
v s 105 m / s
100 µm
=
≈
⇒≈
f
f [Hz]
f [GHz]
Aufgabe 1
Geschwindigkeit und Frequenz (Driften)
(Beispiel Halbleiter)
→ Weitere Transportprozesse: Diffusion, Streuung (ladungsträgerspezifisch)
→ Unterschiede zwischen Festkörper- und Vakuum-Elektronik
Ladungsträgertransport σ ↔ Umladung in Halbleitern ω∙ε
Beispiel: n-Si (1015 cm-3): ωdiel ≈ 2π · 300 MHz
→ Parameter: Dielektrische Relaxationsfrequenz ωdiel, Materialparam. (σ, ε)
Laufzeiteffekte können stören (Tiefpasscharakter, z.B. Transistor)
oder nützen (z.B. IMPATT-Dioden oder Laufzeit-Röhren).
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Aktive und nichtlineare Bauelemente
Oszillatoren und Verstärker
Gleichrichter, Schalter
Mischer, Modulatoren
Frequenzvervielfacher
Transistoren
Dioden
Steuerbare
(3-Pol)
(2-Pol)
BLIND-Widerstände WIRK-Widerstände
Bipolar
Varaktor-D
Tunnel-D
Feldeffekt
(unipolar) Lawinenlaufzeit-D
Varaktordioden
Step recovery
diode (SRD)
Steuerbare
Spitzendetektor
Schottkydiode
PIN-Diode
Gunn-Elemente
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HL-Verbindungen und Bauelemente
http://www.ktf-split.hr/periodni/download/de-color100.pdf (2012)
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Übersicht über HL-Verbindungen und Bauelemente
Zn,Cd,Hg
In,Ga,Al,B
C,Si,Ge,Sn
Sb,As,P,N
II
III
IV
V
VI
IV-IV
IV-VI
II-VI
III-V
Te,Se,S
CdS, CdSe,
CdTe
AlP, AlAs, AlSb
Si
PbS
GaAs, GaP, GaN
Ge
PbTe
ZnS, TeSe,
ZnTe
GaSb
SiGe
PbSe
HgTe, HgSe,
HgS
InP, InAs, InSb
SiC
AlxGa1-xAs, GaAs1-xPx
GaxIn1-xAs
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Physikalische Leistung-Frequenz-Grenzen
Zusammenhänge HF-Betriebsgrößen ↔ Halbleiter-Eigenschaften
analog für I·Xc·f
Ähnlich für Leistungsverstärkung G∙f2
Tausche Leistung (Strom, Spannung) gegen Frequenz-zum-Quadrat!
Begrenzung: Sättigungsgeschwindigkeit vs und Durchbruchfeldstärke EB
Si
SiGe
SiC
Ge
GaAs
GaN
vs [km/s]
60
78
200
60
100
250…270
EB [MV/m]
20
54
220
10
30
330…380
vs·EB / 2π [V ·GHz]
190
670
7000
95
480
≈15000
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Technologische Leistung-Frequenz-Grenzen
Zusammenhänge zwischen HF-Betriebsgrößen und HL-Eigenschaften
5 kW·GHz2
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Dotierung und
Strom-Spannungs-Kennlinie (U = 0 V)
Beispiel: pn-Übergang (Shockley‘sche Theorie)
Raumladungsdichte ρ (symmetrische Dotierung)
Elektrisches Potential ϕ und Feld E (Poisson-Gleichung)
Kontinuitätsgleichung (|Feldstrom| = |Diffusionsstrom|)
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Dotierung und Strom-Spannungs-Kennlinie (U ≠ 0 V)
Raumladungsweiten und Ladungsträgerdichten hängen ab von
Dotierung (Bauart) und Beschaltung (Betriebsart)!
Shockley‘scher pn-Übergang
x i − x p (U) = x 0 ⋅ 1 − U / UD
x 0 = 2ε
UD
q
⋅
1
1
+
N A ND
Diodenkennlinie (mit Bahnwiderstand)
Aufgabe 2
Dotierung (p,n) ↔ Kennlinie (I,U) ↔ Ersatzschaltbild (R,C)
↔ Schaltungseigenschaften (Q,ωc)
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Halbleiter-Heterostrukturen
Homogener Übergang: Gleiche HL, Dotierungsprofil, stetiger Bandverlauf
Hetero-Übergang: Unterschiedliche HL und Bandabstände, unstetiger
Bandverlauf, Grenzflächeneffekte
Gitterstörungen
Bilden lokale Störungen
(Rekombinationszentren,
Grenzflächenladungen)
Folgerungen
HL müssen strukturell gut
zusammenpassen
(Hetero-Epitaxie)
Bandabstand und
Gitterstruktur durch
Legieren einstellbar
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Heterostrukturen: „bandgap-engineering“
Auswirkung des unstetigen Bandverlaufs
Energiesprung n-N-Übergang → Bandverbiegung → Potentialtopf.
→ Zweidimensionales Elektronengas (2DEG) hoher Beweglichkeit
Beispiele: Si: 0.1 m2/Vs, GaAs: 1 m2/Vs, 2DEG: 10 m2/Vs, Graphen: > 10 m2/Vs
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Heterostrukturen: Anwendungspotential
Hetero-Bipolar-Transistor (HBT)
Stromverstärkung β ↑
Grenzfrequenz fg ↑
Tunneldiode (RTD)
High electron mobility transistor (HEMT)
Beweglichkeit µ ↑
Grenzfrequenz fg ↑
Rauschzahl F ↓
Grenzfrequenz fg ↑
Rauschzahl F ↓
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Heterostrukturen: Beispiele
InGaP/GaAs Hetero-Bipolar-Transistor (HBT)
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3000
* InP HBT
InP HEMT
1000
GaAs pHEMT
AlGaAs/GaAs HEMT
InP HBT
GaAs MESFET
fmax , fT (GHz)
InP HEMT
GaAs mHEMT
100
InP HEMT
InP HEMT
Ge BJT
AlGaAs/GaAs HEMT
10
fmax
1
1960
fT
Si BJT
* Transferred substrate
1970
1980
1990
2000
Year
2010
Mit freundlicher Genehmigung von PD Dr. F. Schwierz, TU Ilmenau.
Transistoren: Zeitliche Entwicklung Grenzfrequenzen
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Transistoren: Zeitliche Entwicklung Strukturgrößen
F. Schwierz: Personal communication, October 2012
100
 [nm] ≈
f [THz]
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500
Output power, W
100
3 kW x GHz2
10
1
0.1
GaAs MESFET
AlGaAs/GaAs HEMT
GaAs pHEMT
InP HEMT
AlGaN/GaN HEMT
SiC MESFET
0.01
1
10
100
Frequency, GHz
Mit freundlicher Genehmigung von PD Dr. F. Schwierz, TU Ilmenau.
Leistungs-Frequenz-Daten für FET / HEMT
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Gordon Moore
Ziel: Verkleinerung der relevanten Strukturgrößen
Optische Lithographie → UV-Lithographie → Röntgen-Lithographie
Neue Geometrien (Vertikalstrukturen)
http://www.intel.com/content/www/us/en/history/museum-gordon-moorelaw.html?wapkw=moore%CA%B9s+law
Entwicklungstrends: Moore‘s law (Strukturgrößen)
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Trend: Neue Materialien
2010 Physik-Nobelpreis
Andre Geim (1958, Russia/GB) and
Konstantin Novoselov (1974, Russia)
“For groundbreaking experiments
regarding the two-dimensional material
graphene"
Neue Materialien
Graphen: 2-dim. hexagonale Kohlenstoffkristalle
Hohe Beweglichkeit und Sättigungsdriftgeschwindigkeit
Aufwendige Technologie zu Herstellung und Dotierung
Nature 472, 74–78 (07 April 2011): 40-nm Transistor mit fc = 155 GHz
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Trend: Polymerelektronik
2000 Chemie-Nobelpreis
Alan J.Heeger, Alan G.MacDiarmid und
Hideki Shirakawa
"For the discovery and development of
conductive polymers"
Entdeckung 1976: um den Faktor 109 erhöhte Leitfähigkeit
bei mit Cl bzw. Br oxidiertem Polyacetylen (also auf 103 S/cm; Cu: 106 S/cm). Effekt
bis dahin unbekannt –Polymere galten als Isolatoren
Anwendungsbereiche: LEDs (OLEDs), Solarzellen, ICs,
flexible Displays, elektronische Preisschilder, ...
Vorteile: Geringes Gewicht, mechanische Flexibilität,
kostengünstig (Herstellung z.B. spin-coating oder Drucken)
Probleme: Geringe Lebensdauer (Empfindlichkeit gegen Sauerstoff und Wasser),
geringe Arbeitsfrequenz (geringe Ladungsträgerbeweglichkeit)
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Papier-Elektronik
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Trend: Neue Funktionen – Memristor
http://de.wikipedia.org/wiki/Memristor
Elektronische
Grundeinheiten:
Elementarladung und
magnetischer Fluss
→ Gedächtnisbehafteter
Widerstand als
fehlendes
physikalisches Teil
im Puzzle der
elektronischen
Elementargrößen
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Trend: Neue Funktionen – Memristor
Elektronische Grundeinheiten: Elementarladung und magnetischer Fluss
→ Gedächtnisbehafteter Widerstand als fehlendes physikalisches Puzzleteil

Elektrischer Strom I = q
(reziproke) Kapazität [V/As]
Resistivität [V/A]
Memristivität [V/A]
Induktivität [Vs/A]

U= Φ
Magnetischer
Fluss
Φ
http://de.wikipedia.org/wiki/Memristor
Elektrische
Spannung
Elektrische Ladung q
Hintergründe
1971 beschrieben (Leon Chua, UCB), 2007 erste physikalische Realisierung,
2010 CMOS-Kompatibilität; Potential für nichtflüchtige Speicher,
programmierbare Logik, elektronische Signalverarbeitung, ...
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