Fragen zur Selbstkontrolle, Vorlesung Halbleiterschaltungstechnik
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Fragen zur Selbstkontrolle, Vorlesung Halbleiterschaltungstechnik (Bachelor und Diplom) Wichtige Vorbemerkung: Diese Fragen dienen zur Selbstkontrolle und sollen die Vorbereitung auf die Vorlesungsprüfung unterstützen. Es handelt sich jedoch um keinen kompletten Fragenkatalog; tatsächliche Prüfungsfragen (mündlich sowie schriftlich) unterscheiden sich durchaus in Inhalt, Umfang und Art der Fragen. 1 Quantenmechanik, Halbleiterphysik, pn-Übergänge 1.1 Wie äußert sich der Wellencharakter von Teilchen (zB Elektronen) im Mikrokosmos? 1.2 Wie lautet der Zusammenhang zwischen Energie und Frequenz für Materiewellen? 1.3 Was ist die Wellenfunktion? Was ist die Kopenhagener Deutung der Wellenfunktion? 1.4 Welche physikalische Rolle hat die Gruppengeschwindigkeit eines Wellenpakets? 1.5 Wie kann aus einer Lösung der Schrödingergleichung ein Erwartungswert für eine physikalische Größe ermittelt werden? 1.6 Was ist der Tunneleffekt? 1.7 Wie sieht das Bändermodell eines intrinsischen (also nicht dotierten) Halbleiters aus und wie kann es interpretiert werden? Wie sieht im Gegensatz dazu das Bändermodell eines Metalls aus? 1.8 Was ist ein Loch (im Sinne der Halbleiterphysik)? 1.9 Was bewirkt die Dotierung eines Halbleiters? Wie kann das im Bändermodell dargestellt werden? 1.10 Was beschreibt die Fermiverteilung und was ist die Fermienergie? 1.11 Was ist die Zustandsdichte? 1.12 Wie kann die Ladungsträgerdichte aus Fermiverteilung und Zustandsdichte ermittelt werden? 1.13 Durch welchen Materialparameter kann der Driftstrom mit der treibenden Feldstärke verknüpft werden? 1.14 Was ist Diffusion? Wodurch wird der Diffusionsstrom maßgeblich bestimmt? 1.15 Was ist Rekombination und was ist Generation? 1.16 Was bewirkt eine Störung der Minoritätsträgerdichte? Ist dieser Vorgang vergleichsweise schnell oder langsam? 1.17 Wie bewegt sich eine Störung der Minoritätsträgerdichte durch einen Halbleiter mit extern angelegtem elektrischem Feld? 1.18 Wie funktioniert ein pn-Übergang (Bändermodell im Gleichgewicht und bei angelegten Spannungen in Sperr- und Durchlaßrichtung, qualitative Erklärung wie es zur Diodenkennlinie kommt)? Johannes Kepler Universität Linz Kontrollfragen_HLST_v1.doc Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik 10.02.2009 14:23:00 B. Jakoby 1.19 Wodurch entsteht die Raumladungszone? 1.20 Welche Spezialdioden (dh außer Gleichrichterdioden) kennen Sie und wie funktionieren diese im Prinzip? 1.21 Wie funktioniert ein Gleichrichter? 1.22 Wie wird der dynamische Widerstand einer Diode im Arbeitspunkt ermittelt und wie kann er in der Schaltungsanalyse verwendet werden? 1.23 Wie sieht die Temperaturabhängigkeit einer pn-Diode aus? 2 Bipolartransistoren 2.1 Wie kann ein nichtlinearer Vierpol durch Kennlinien charakterisiert werden? Was ist dabei zu beachten? (Hinweis: Parameter der Kennlinien) 2.2 Wie kann ein linearer Vierpol durch Vierpolparameter charakterisiert werden? Welche Relevanz hat das für nichtlineare Elemente wie Transistoren? (Hinweis: Kleinsignalbetrieb, Linearisierung im AP) 2.3 Wie funktioniert ein Bipolartransistor im Prinzip? Welche Form der Übertragungs- oder Transferkennlinie (was ist das?) lässt sich daraus ableiten? Welchen Einfluss hat die Größe der BC-Spannung auf den Transfervorgang? 2.4 Welche Transistorkennlinien gibt es? Wie können die Transistorkennlinien prinzipiell gemessen werden? Was ist zu beachten? (Hinweis: Parameter der Kennlinien) Welche Parameter haben nur geringen Einfluss auf die Transistorkennlinien? 2.5 Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit der Transistor im so genannten Stromquellenbereich arbeitet? (Hinweis: im Stromquellenbereich hängt IC kaum von UCE ab) 2.6 Wenn der Bipolartransistor in Sättigung geht gelten bestimmte Beziehungen und Kennlinien nicht mehr – welche sind dies und wie ändern sie sich? (Hinweis: Stromverstärkung, Transferkennlinie) 2.7 Was ist die Darlington-Schaltung? 2.8 Wie kann die Verlustleistung des Transistors ermittelt werden? 2.9 Wie stellt sich der sichere Arbeitsbereich im Ausgangskennlinienfeld dar? (Hinweise: IC,max, UCE,max, PV,max) 2.10 Wie sieht das thermische Ersatzschaltbild für einen gekühlten Transistor aus und welche Bedeutung haben die einzelnen Komponenten? Welcher Wert aus dem Datenblatt darf keinesfalls überschritten werden? 2.11 Wie kann der Transistor durch Kleinsignalaussteuerung als Verstärker verwendet werden? Wie stellt sich das im Vierquadrantenkennlinienfeld dar? 2.12 Wie sieht ein einfaches Kleinsignalersatzbild aus und wie hängen seine Komponenten mit den Kennlinien zusammen? 2.13 Was ist der Early-Leitwert und die Early-Spannung? Welche Kennlinieneigenschaft kann damit modelliert werden? Johannes Kepler Universität Linz Kontrollfragen_HLST_v1.doc Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik 10.02.2009 14:23:00 B. Jakoby 2.14 Diskutieren Sie verschieden Kleinsignalersatzbilder. 2.15 Wie können die Kleinsignalparameter für einen vorgegebenen Arbeitspunkt ermittelt werden? 2.16 Wie wirken sich Temperaturänderungen auf die Transistorkennlinien aus und wie kann dies einfach durch ein Ersatzschaltbild modelliert werden? 2.17 Was sind die Kriterien zur Auswahl einer Schaltung für die Arbeitspunkteinstellung und welche Varianten (mit Vor- und Nachteilen) kennen Sie? Bestimmen Sie die Temperaturabhängigkeit des Kollektorstroms für diese Schaltungen. Wie kann die Empfindlichkeit graphisch dargestellt werden? (Hinweis: Beachten Sie bei Schaltungen mit RE dass IE ca. gleich IC ist) 2.18 Wie kann eine Ausgangsgerade im Ausgangskennlinienfeld dargestellt werden? Wie ändert sie sich bei Schaltungen mit Emitterwiderstand (ohne und mit Überbrückung durch einen Kondensator) 2.19 Wozu dienen Koppelkondensatoren? Wie sind sie zu dimensionieren? Auf welchen Gleichspannungswert sind sie aufgeladen? 2.20 Was sind Betriebsparameter eines Verstärkers? Von welchen Eigenschaften (konkreter Beschaltung) hängen die einzelnen Parameter (Eingangswid., Ausgangswid., Spannungsverstärkung,…) im Allgemeinen ab? 2.21 Was ist bei der Bestimmung/Definion des Ausgangswiderstandes – im Unterschied zum normalen Vorwärtsbetrieb eines Verstärkers – zu beachten? 2.22 Welche Verstärkergrundschaltungen gibt es und warum heißen sie wie sie heißen? 2.23 Welche Eigenschaften weisen die Grundschaltungen auf? Leiten Sie sie zur Übung her. 2.24 Wie können die durch die Koppelkondensatoren verursachten Eckfrequenzen bestimmt werden? 2.25 Welche parasitären Komponenten ergänzen das Transistorersatzbild bei hohen Frequenzen? Welche Grenzfrequenzen werden daraus definiert? 2.26 Was ist der Miller-Effekt? Welcher Nachteil resultiert daraus? Warum wirkt er sich in der Praxis bei der Basisschaltung weniger aus? Was ist die Kaskodeschaltung und welche Vorteile der Einzelschaltungen kombiniert sie? 2.27 Diskutieren Sie einige Konstantstromquellen und Spannungsreglerschaltungen. 2.28 Was ist ein Stromspiegel und wie funktioniert er? 3 Differenzverstärker, Oszillatoren und Operationsverstärker 3.1 Wie ist ein Differenzverstärker aufgebaut? Was sind seine prinzipiellen Eigenschaften? (Hinweis: Gleichtaktunterdrückung, Differenzverstärkung) 3.2 Wie sieht das Kleinsignalersatzschaltbild eines Differenzverstärkers aus und wie können daraus die charakteristischen Verstärkungen abgeleitet werden? 3.3 Wie sieht die Großsignaltransferkennlinie einer Differenzverstärkerstufe aus und wie kann sie ermittelt werden? Johannes Kepler Universität Linz Kontrollfragen_HLST_v1.doc Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik 10.02.2009 14:23:00 B. Jakoby 3.4 Prinzipaufbau eines Operationsverstärkers. Diskutieren Sie Varianten zur Erhöhung der Leerlaufverstärkung. 3.5 Ersatzbild eines Operationsverstärkers. Was ist die Offsetspannung? 3.6 Wie verhält sich ein Operationsverstärker ohne Gegenkopplung? (Hinweis: Komparator) 3.7 Warum kann bei Gegenkopplung in guter Näherung angenommen werden, dass die Spannung zwischen den Eingängen verschwindet? 3.8 Welche Analogrechenschaltungen können durch Gegenkopplung implementiert werden? Diskutieren Sie eine Auswahl. 3.9 Warum kann die Nichtlinearität eines Verstärkers durch Gegenkopplung reduziert werden? 3.10 Diskutieren Sie Charakteristika (Vor-, Nachteile) verschiedener Endstufenschaltungen. Wie können etwaige Nichtlinearitäten in der Praxis kompensiert werden? 3.11 Was ist eine Kippschaltung? Erklären Sie Schmitt-Trigger- Kippschaltung und astabilen Multivibrator mit Transistoren. 3.12 Wie kann ein harmonischer Oszillator aufgebaut werden? Wie kann die Schwingbedingung hergeleitet werden? (Hinweis: Betrachtung im Frequenz- oder Laplacebereich, Forderung nicht verschwindender Signale) 3.13 Diskutieren Sie Colpitts und Hartley Oszillator (Prinzip). 3.14 Wie kann die Amplitude eines Oszillators in der Praxis stabilisiert werden? 3.15 Wie kann die Schwingneigung eines gegengekoppelten OPs untersucht und bewertet werden? (Phasenrandkriterium) 3.16 Was ist die Slew-Rate eines OPs? 3.17 Was ist Offsetkompensation bei einem OP? 3.18 Was ist bei asymmetrischer Versorgung eines OPs zu beachten? 3.19 Was ist Rauschen und wie kann es beschrieben werden? 3.20 Wie kann das Rauschen in einem Widerstand beschrieben werden? Was ist die angebotene Rauschleistung? Welches Spektrum liegt der einfachen Näherung zugrunde? 3.21 Was sind Rauschquellen im Transistor? 3.22 Wie ist die Rauschzahl definiert und wovon hängt sie ab? (Hinweis: Beschaltung) 4 Transistor als Schalter und bipolare Logik 4.1 Wie kann ein Bipolartransistor als Schalter eingesetzt werden? Welche Beziehungen gelten in Sättigung nicht mehr? Wie ist der Basisvorwiderstand zu dimensionieren? Wie stellt sich der Schalterbetrieb im Ausgangskennlinienfeld dar? 4.2 Diskutieren Sie ausgewählte bipolare Logikfamilien und deren Vor- und Nachteile Johannes Kepler Universität Linz Kontrollfragen_HLST_v1.doc Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik 10.02.2009 14:23:00 B. Jakoby 5 Feldeffekttransistoren und MOS Logik 5.1 Erklären Sie das Funktionsprinzip von MOSFETs? Was ist Besetzungsinversion und wie kann sie mithilfe des Bänderdiagramms erklärt werden? 5.2 Was ist der Substratanschluss und was ist der Substratsteuereffekt? 5.3 Wodurch unterscheiden sich selbstleitende und selbstsperrende MOSFETs in Aufbau und Kennlinie? 5.4 Wie funktioniert ein Sperrschicht-FET? 5.5 Diskutieren Sie die Steuer- und Ausgangskennlinie von FETs. Durch welche Gleichungen werden die Kennlinien beschrieben und was sind ihre Gültigkeitsbereiche? 5.6 Was beschreibt der Spice Parameter? 5.7 Wodurch unterscheiden sich FETs von Bipolartransistoren? (Hinweise: Steuerstrom, Natur der Transferkennlinie, Zusammenhang Steilheit und AP-Strom,…) 5.8 Wie sieht das Kleinsignal-Ersatzschaltbild eines FETs aus? 5.9 Wie kann der Arbeitspunkt bei FETs eingestellt werden? Wie können bei selbstleitenden FETs hier Widerstände eingespart werden? 5.10 Diskussion FET Grundschaltungen und Eigenschaften. (Berechnen Sie zur Übung die Betriebsparameter für verschiedene Schaltungen.) 5.11 Überlegen Sie sich zur Übung wie verschiedene Ihnen bekannte Bipolarschaltungen mit FETs realisiert werden können. 5.12 Grundstruktur NMOS und CMOS Logik. 5.13 Wie kann die Übertragungskennlinie für NMOS und CMOS Gatter ermittelt werden? 5.14 Was ist das Schaltzeit-Laufzeitprodukt für Logikfamilien und was sagt es aus? Johannes Kepler Universität Linz Kontrollfragen_HLST_v1.doc Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik 10.02.2009 14:23:00 B. Jakoby
