Briefkopf für Sekretariat - FSMB

1.
Aufgabe: Halbleitergrundlagen und Halleffekt
An eine n-Typ Halbleiterprobe mit (n >> p) wird an zwei Kontakten eine Spannung
UBat angelegt und somit ein Stromfluss I durch die Probe erzeugt.
UBat = 1 V
I = 0,2 A
l = 1 cm
b = 1 cm
h = 0,1 cm
a)
Berechnen Sie den spezifischen Widerstand ρ der Probe!
ρ=
b)
Bestimmen Sie nun die Elektronendichte n und die Löcherdichte p. Die
intrinsische Ladungsträgerdichte kann als ni = 1,0∙1010 cm-3 angenommen
werden, die Beweglichkeit der Elektronen beträgt µn = 1250 cm²/Vs.
Verwenden sie für die spezifische Leitfähigkeit σ = 2 Ω-1cm-1.
1/10
n=
c)
p=
Die Probe wird nun mit zwei weiteren Kontakten versehen um mit dem
Halleffekt die Hallspannung UH zu messen (siehe Skizze).
UBat = 1 V
UH = 0,1 V
l = 1cm
b = 1cm
h = 0,1cm
 Tragen Sie mit einem beschrifteten Pfeil das Magnetfeld B > 0 so ein, dass
für die Hallspannung gilt UH > 0.
 Berechnen Sie den Hallwinkel δ für eine Hallspannung von UH = 0,1 V.
δ=
2/10
2.
a)
Aufgabe: Diode und Photodiode
Gegeben ist die folgende Schaltung mit zwei identischen Widerständen R1 und
R2 (R1 = R2) und zwei identischen Dioden D1 und D2. Für die Dioden ist die
angegebene, ideale Knickkennlinie (US = 1V) anzunehmen.
Bestimmen sie die Spannungen an den Dioden UD1, UD2 und an den Widerständen
UR1, UR2 für die beiden Fälle, dass die Spannung Uein = +3V bzw. Uein = -3V beträgt
und tragen sie die Ergebnisse in die Tabelle ein (Zählpfeilrichtung beachten!!).
UD1 [V]
UD2 [V]
UR1 [V]
UR2 [V]
Uein = +3V
Uein = -3V
3/10
Für die folgenden Teilaufgaben b) – e) wird nun eine neue Schaltung mit einer
Photodiode PD und zwei identischen Widerständen R1 und R2 (R1 = R2 = R)
betrachtet (siehe Skizze). Mit der Photodiode (Diodenfläche A) wird durch das
einfallende Licht (Lichtintensität SL, Wellenlänge λ) ein Photostrom IL erzeugt. Die
Photodiode ist in Sperrrichtung gepolt, durch die Photodiode fließt also nur der durch
das Licht erzeugte Photostrom IL, der Dunkelstrom der Diode (Sperrsättigungsstrom)
IS kann vernachlässigt werden. Folgende Daten sind bekannt:
Eingangsspannung
Lichtwellenlänge
Lichtintensität
Diodenfläche
Quantenwirkungsgrad
Elementarladung
Lichtgeschwindigkeit
Planck’sches Wirkungsquantum
b)
Uein = 2V
λ = 633nm
-2
SL = 200Wm
-6
A = 0,5*10 m2
ηQ = 80%
-19
e = 1,6*10 C
8
-1
c = 3*10 ms
-34
2
h = 6,62*10 Ws
-15
= 4,14*10 eVs
Bestimmen Sie die maximale Wellenlänge λmax, mit der bei der vorhandenen
Photodiode (Eg = 1,1eV) noch ein Photostrom erzeugt werden kann!
λmax =
c)
Berechnen Sie den mit der Photodiode PD erzeugten Photostrom IL.
IL =
4/10
Die Lichtleistung wurde nun so verändert, dass mit der Photodiode ein Photostrom
von IL = 100µA erzeugt wird. Die Widerstandswerte betragen R1 = R2 = R = 100Ω.
Eingangsspannung
Widerstände R1, R2
Photostrom
d)
Uein = 2V
R1 = R2 = R = 100Ω
IL = 100µA
Geben Sie eine allgemeine Formel für die Ausgangsspannung Uaus in
Abhängigkeit des Photostroms IL und der bekannten Größen Uein und R an.
Uaus (IL, Uein, R) =
e)
Berechnen Sie die Ausgangsspannung Uaus am Widerstand R1 für einen
Photostrom von IL = 100µA!
Uaus =
5/10
3.
Aufgabe: Bipolartransistor
Betrachtet wird die folgende Schaltung.
Ein Kondensator C ist über einen Schalter S entweder über einen Widerstand RA mit
der Batteriespannung UBat = 8V oder über einen Widerstand RB mit der Basis des
Bipolartransistors verbunden. In Schalterstellung ‘0‘ des Schalters S wird der
Kondensator C auf die maximale Spannung UC,max = UBat aufgeladen. In
Schalterstellung ‘1‘ wird der Kondensator über den Widerstand RB und den
Bipolartransistor entladen, welcher den entstehenden Basisstrom IB verstärkt.
Die
Eingangskennlinie
des
Bipolartransistors
wird
über
die
angegebene
Knickkennlinie (US = 0,7V) angenähert. Die Basis-Emitter-Spannung wird also für
den Fall des angeschalteten Transistors mit UBE = 0,7V angenommen. Für den
Fall UBE < 0,7V gilt entsprechend für den Basisstrom IB = 0.
a)
Stellen Sie die Maschengleichung für die Basis-Emitter-Spannung für die
Schalterstellung ‘1‘ des Schalters S sowie für den Ausgang der Schaltung auf.
Eingangsmasche Schalterstellung ‘1‘:
UBE =
Ausgangsmasche:
Uaus =
6/10
b)
Dimensionieren Sie den Basiswiderstand RB so, dass in Schalterstellung ‘1‘
bei komplett aufgeladenem Kondensator UC,max = UBat = 8V der maximal
mögliche Basisstrom IB,max = 80µA beträgt.
RB =
c)
Der Verstärkungsfaktor des Transistors beträgt B = 162,5. Dimensionieren Sie
den Lastwiderstand RL so, dass bei einem maximal möglichen Basisstrom von
IB,max = 80µA die minimale mögliche Ausgangsspannung Uaus,min = 2V beträgt.
RL =
7/10
Gegeben sei nun das folgende Kennlinienfeld des Bipolartransistors. Der maximal
mögliche Basisstrom und die minimal mögliche Ausgangsspannung betragen
weiterhin IB,max = 80µA und Uaus,min = 2V. Die Batteriespannung beträgt UBat = 8V.
d)
Zeichnen Sie die Lastgerade in das Kennlinienfeld ein!
e)
Auf welche minimale Spannung UC,min kann der Kondensator mit der
gegebenen Schaltung in Schalterstellung ‘1‘ entladen werden?
UC,min =
f)
Markieren Sie im Kennlinienfeld des Transistors für die Schalterstellung ‘1‘ den
Punkt ‘AUF‘ für den aufgeladenen Kondensator und den Punkt ‘ENT‘ für den
auf die minimale Spannung UC,min entladenen Kondensator!
8/10
Als nächstes soll nun die Übertragungskennlinie zwischen Kondensatorspannung U C
und Ausgangsspannung Uaus bestimmt werden.
g)
Bestimmen Sie für die Schalterstellung ‘1‘ allgemein die Ausgangsspannung
Uaus in Abhängigkeit der gegebenen Größen UBat, UC, UBE, B, RL und RB für den
Fall des geladenen (UC > UC,min) und entladenen (UC ≤ UC,min) Kondensators.
Geladener Kondensator (UC > UC,min):
Uaus =
Entladener Kondensator (UC ≤ UC,min):
Uaus =
h)
Skizzieren sie die Übertragungskennlinie Uaus (UC)! Markieren Sie die Punkte
‘AUF‘ und ‘ENT‘ für den komplett auf- bzw. auf UC,min entladenen Kondensator.
9/10
5. Aufgabe: CMOS-Logik
a) Zeichnen Sie nach dem Prinzip der Dualität den P-Block der angegebenen
CMOS-Logikschaltung.
b) Bestimmen Sie durch Analyse des N-Blocks der angegebenen Schaltung die
realisierte logische Verknüpfung für den Ausgang Y.
Y=
10/10