Angewandte Elektronik - kuepper.userweb.mwn.de · 3 Literatur 1. Prof. Goßner Grundlagen der...

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1

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pp

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g

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un

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un

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lem

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de

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nd

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nw

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pa

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un

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run

g

6.

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ren

NP

N-

un

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NP

-Tran

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9.

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me

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ngse

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nik (Stu

die

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we

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ech

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ge

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sverstärke

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we

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Sh

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un

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uch

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ng

1. Ein

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ng

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ik.

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5

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g

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M, G

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Mik

rop

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P),

19

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gr., S

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ser, S

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lem

en

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ran

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6

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ide

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m sp

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en

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nd

un

d d

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me

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ge

n e

ine

s ho

mo

ge

ne

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rs lässt sich

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rstan

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chn

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zifische

Wid

ersta

nd

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en

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keit.

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iche

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leite

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in sp

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ng

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rleitu

ng

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l.

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ge

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“ (Do

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ng

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zifische

Wid

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nn

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7

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, Ha

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n

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g

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12

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0

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17

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Fe

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-4

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chre

ine

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46

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chre

ine

s Si

2,3

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5

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rzella

n

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gla

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SiO

2

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chre

ine

s

Ga

As

Ga

As

Me

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Ha

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12

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r Halb

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m u

nd

G

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Jed

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me

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2. G

run

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de

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lble

iterp

hysik

2.1

. Krista

llstruktu

r

2

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mb

ind

un

gen

im H

alb

leite

r

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

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eb

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n e

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•Je

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ich w

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rnte

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.

•D

ie A

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len

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lektro

ne

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n N

achb

aratom

en

Ele

ktron

en

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ind

un

gen

b

ilde

n (ko

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ind

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En

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zufu

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Schw

in-

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g, ein

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e B

ind

un

gen

bre

che

n au

f (Lad

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gsträge

r-Ge

ne

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•E

in au

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r Ato

mb

ind

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g gerisse

ne

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ktron

kann

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frei b

ew

ege

n ( fre

ies Ele

ktron

). Es h

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rlässt ein

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cke, w

o d

ie

po

sitive K

ern

ladu

ng n

icht m

eh

r du

rch d

as Ele

ktron

abge

de

ckt ist ( Lo

ch, D

efe

ktele

ktron

).

•D

ie Lö

che

r kön

ne

n a

ls be

we

gliche

po

sitive La

du

ngsträ

ger au

fge-

fasst we

rde

n. W

ird e

lektrisch

e Sp

ann

un

g ange

legt, w

and

ern

freie

E

lektro

ne

n zu

m P

lusp

ol u

nd

Löch

er zu

m M

inu

spo

l.

3

Ene

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r, Au

fbre

che

n d

er A

tom

bin

du

nge

n

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

Ele

ktron

(ne

gativ)Lo

ch (p

ositiv)

Si-Ato

m

4

Wa

nd

ern

von

Löch

ern

im H

alb

leite

r

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

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and

ern

von

Löch

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im H

alble

iter kan

n m

an m

it lee

ren

Sitzen

im

Kin

o ve

rgleich

en

, we

nn

die

Zusch

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r aufrü

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: Die

Zusch

aue

r w

and

ern

imm

er m

eh

r nach

links, d

ie „Lö

che

r“ wan

de

rn n

ach re

chts.

5

Ge

ne

ration

un

d R

eko

mb

inatio

n

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

Trifft ein

freie

s Ele

ktron

auf e

in Lo

ch, ve

rschm

elze

n b

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e w

ied

er

mite

inan

de

r ( Re

kom

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):

•Im

Mitte

l stellt sich

ein

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er

Ge

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un

d R

eko

mb

inatio

n e

in.

•E

lektro

ne

nd

ichte

n0

un

d Lö

che

rdich

tep

0in

ein

em

rein

en

H

alble

iter (in

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er H

alb

leite

r) sind

imm

er gle

ich gro

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•M

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richt au

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n d

er Eige

nle

itun

gsdich

ten

i

•Im

rein

en

(intrin

sische

n) H

alble

iter gilt also

: ni =

n0

= p

0

•D

ie E

igen

leitu

ngsd

ichte

ein

es H

alble

iters ist ab

hän

gig von

M

aterial u

nd

Tem

pe

ratur.

•Ä

nd

ert sich

die

Eige

nle

itun

gsdich

te, so

änd

ert sich

auch

de

r sp

ezifisch

e W

ide

rstand

bzw

. die

ele

ktrische

Leitfäh

igkeit.

6

Eigen

leitu

ngsd

ichte

un

d Te

mp

eratu

r

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

Eige

nle

itun

gsdich

ten

i von

Silizium

(Si)in

Ab

hän

gigkeit vo

nd

er Te

mp

eratu

r T

20

0 3

00

40

0 5

00

60

0 T/K

10

6

10

8

10

10

10

12

10

14

10

16

ni /cm

-3

7

2.2

. Eigen

leitu

ng

Au

s de

r Eige

nle

itun

gsdich

te kan

n d

er sp

ezifisch

e W

ide

rstan

d d

es

rein

en

(intrin

sische

n) H

alble

iters b

ere

chn

et w

erd

en

:

Für d

ie e

lektrisch

e Le

itfäh

igkeit gilt e

ntsp

rech

en

d:

µp

un

d µ

nsin

d d

ie B

ew

eglich

keite

nd

er E

lektro

ne

n u

nd

Löch

er:

vD

ist die

Driftge

schw

ind

igkeit

un

d E

die

ele

ktrische

Feld

stärke.

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

8

Ha

lble

iter-Eige

nsch

aften

be

i Ra

um

tem

pe

ratur

Ha

lble

iter-Eige

nsch

aften

be

i Ra

um

tem

pe

ratur

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

Isolato

ren

Isolato

ren

Form

el-

Ein-

Ge

SiG

aA

sSiO

2A

l2 O3

zeich

en

he

it

Ba

nd

ab

stan

dE

ge

V0

,67

1,1

11

,43

8,9

8,7

Eigen

leitu

ngs-

ni

cm-3

2,3

·10

13

1,5

·10

10

1,3

·10

6

dich

te

Be

we

gl. de

ncm

2/Vs

39

00

13

50

85

00

Elektro

ne

n

Be

we

gl. de

pcm

2/Vs

19

00

48

04

00

Löch

er

Du

rchb

ruch

-E

Br

V/cm

10

53

·10

54

·10

56

·10

61

07

Feld

stärke

Form

el-

Ein-

Ge

SiG

aA

sSiO

2A

l2 O3

zeich

en

he

it

Ba

nd

ab

stan

dE

ge

V0

,67

1,1

11

,43

8,9

8,7

Eigen

leitu

ngs-

ni

cm-3

2,3

·10

13

1,5

·10

10

1,3

·10

6

dich

te

Be

we

gl. de

ncm

2/Vs

39

00

13

50

85

00

Elektro

ne

n

Be

we

gl. de

pcm

2/Vs

19

00

48

04

00

Löch

er

Du

rchb

ruch

-E

Br

V/cm

10

53

·10

54

·10

56

·10

61

07

Feld

stärke

9

nd

erm

od

ell e

ine

s Ha

lble

iters

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

WC

WV

--

+-

--

-

Vale

nze

lektro

ne

n, d

ie an

de

r Ato

mb

ind

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g be

teiligt sin

d, b

esitze

n

ein

e fe

ste B

ind

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gsen

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W =

WV

. Du

rch Zu

fuh

r de

r En

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Eg

kön

ne

n sie

ins Le

itun

gsban

d an

geh

ob

en

we

rde

n. Sie

be

sitzen

dan

n

ein

e E

ne

rgie W

≥ W

C . E

lektro

ne

n kö

nn

en

kein

e Zu

ständ

e in

de

r „ve

rbo

ten

en

Zon

e“ zw

ische

n V

alen

z-u

nd

Leitu

ngsb

and

an

ne

hm

en

.

10

Üb

un

gsau

fgab

e 2

.1

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

a)W

ie gro

ß m

uss d

ie E

igen

leitu

ngsträge

r-d

ichte

ni im

Plättch

en

sein

, dam

it es

zwisch

en

de

n A

nsch

lusskle

mm

en

ein

en

W

ide

rstand

von

4,5

93

Ωh

at?

b)

Ge

be

n Sie

zwe

i Mö

glichke

iten

an, d

ie

Eige

nle

itun

gsträgerd

ichte

ein

es H

alb-

leite

rszu

erh

öh

en

.

(WS 2

00

8/0

9 –

FA, A

ufga

be

1)

Die

ne

be

nste

he

nd

e A

bb

ildu

ng ze

igt ein

Halb

leite

rplättch

en

aus

Silizium

. Die

Fläche

be

trägt A =

4 m

m2

un

d d

ie D

icke d

= 0

,2 m

m.

11

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

2.3

. Do

tieru

ng, Stö

rstelle

nle

itun

g D

as Einb

ringe

n vo

n Fre

md

atom

en

(Do

tiere

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in d

as Kristallgitte

r e

rmö

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ie ge

zielte

Erzeu

gun

g freie

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ne

n u

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Löch

er

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d so

mit d

ie B

ee

influ

ssun

g de

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igkeit d

es H

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iters.

•D

otie

rt man

ein

en

Halb

leite

r mit e

ine

m Sto

ff mit fü

nf V

alen

zele

k-tro

ne

n( „D

on

ator“), zu

m B

eisp

iel A

rsen

(As) o

de

r An

timo

n (Sb

), lässt sich

das fü

nfte

, „üb

erzäh

lige“ E

lektro

n d

urch

seh

r gerin

ge

the

rmisch

e E

ne

rgie vo

n se

ine

m A

tom

abtre

nn

en

. Es h

errsch

t Ele

ktron

en

üb

ersch

uss, m

an sp

richt vo

n e

ine

m n

-Ha

lble

iter.

•D

otie

rt man

ein

en

Halb

leite

r mit e

ine

m Sto

ff mit d

rei V

alen

z-e

lektro

ne

n(„A

kzep

tor“), z. B

. Galliu

m (G

a) od

er In

diu

m (In

), feh

lt je

we

ils ein

Ele

ktron

be

i de

r Bin

du

ng an

die

Nach

barato

me

. Du

rch

die

Do

tieru

ng w

erd

en

also zu

sätzliche

Löch

er e

inge

brach

t. Es

he

rrscht Lö

che

rüb

ersch

uss, m

an sp

richt vo

n e

ine

m p

-Ha

lble

iter.

12

VIII b

FeC

oN

iC

uZn

Ga

Ge

As

SeB

rK

rSc

TiV

Cr

Mn

KC

a

Na

Mg

LiB

e

H

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

InSn

SbTe

IX

eY

ZrN

bM

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Rb

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uH

gTl

Pb

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Nd

Pm

FrR

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cTh

Pa

U

BC

NO

FN

e

Al

SiP

SC

lA

r

He

12

34

56

78

91

0

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

14

79

11

12

14

16

19

20

23

24

27

28

31

32

36

40

39

40

45

48

51

52

55

56

59

59

64

65

70

73

75

79

80

84

86

88

89

91

93

95

97

10

11

03

10

61

08

11

21

15

11

91

22

12

81

27

13

1

13

31

37

13

91

79

18

11

84

18

61

90

19

21

95

19

72

01

20

42

07

20

92

09

21

02

22

14

01

41

14

41

45

15

01

52

15

71

59

16

31

65

16

71

69

17

31

75

22

32

26

22

72

32

23

12

38

I a

II a

III bIV

bV

bV

I bV

II bI b

II b

III aIV

aV

aV

I aV

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Pe

riod

en

system

: Do

nato

ren

un

d A

kzep

tore

n

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

13

Krista

llau

fba

u e

ine

s n-H

alb

leite

rs

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

SiPSi

SiSiSi

SiSiP

– –– –– –

–– –– –

––

––

– –

––

––

––

––

––

– –

14

nd

erm

od

ell e

ine

s n-H

alb

leite

rs

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

Leitu

ngsb

and

Vale

nzb

and

WC

WV

--

--

-

-

Do

nato

ren

brin

gen

zusätzlich

e E

lektro

ne

n m

it ein

em

En

ergie

nive

au

WD

in d

ie B

and

lücke

zwisch

en

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nz-

un

d Le

itun

gsban

d. E

s reich

t e

ine

seh

r gerin

ge E

ne

rgiezu

fuh

r ΔW

= W

C-

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aus, u

m d

iese

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k-tro

ne

nin

s Leitu

ngsb

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anzu

he

be

n. E

s en

tsteh

en

freie

Ele

ktron

en

u

nd

ortsfe

ste p

ositiv io

nisie

rte Stö

rstelle

n.

WD

- +

15

Krista

llau

fba

u e

ine

s p-H

alb

leite

rs

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

SiAl

Si

SiSiSi

SiSiA

l

– ––– –

–– ––

––

––

– –

––

––

––

––

––

– –

Löch

er

16

nd

erm

od

ell e

ine

s p-H

alb

leite

rs

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

Leitu

ngsb

and

Vale

nzb

and

WC

WV

--

--

-

Akze

pto

ren

be

wirke

n e

in E

ne

rgien

iveau

WA

nah

e an

de

r Vale

nz-

ban

dkan

te. E

in E

lektro

n au

s de

m V

alen

zban

d b

rauch

t nu

r ein

e kle

ine

E

ne

rgiestu

fe Δ

W =

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-W

Vzu

üb

erw

ind

en

, um

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ses E

ne

rgien

iveau

zu

be

setze

n. E

s hin

terlässt e

in Lo

ch im

Vale

nzb

and

un

d e

ine

ne

gativ io

nisie

rte Stö

rstelle

.

WA

+ -

17

Ma

ssen

wirku

ngsge

setz u

nd

Ne

utra

litätsbe

din

gun

g

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

•Im

n-H

alble

iter gib

t es vie

le fre

ie E

lektro

ne

n („M

ajo

ritätsträge

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nd

we

nige

Löch

er ( „M

ino

ritätsträge

r“).

•Im

p-H

alble

iter sin

d d

ie Lö

che

r Majo

ritätsträger u

nd

die

freie

n

Ele

ktron

en

Min

oritätsträge

r.

•B

ei R

aum

tem

pe

ratur sin

d p

raktisch alle

Störste

llen

ion

isiert

(„Störste

llen

ersch

öp

fun

g“).

•Im

do

tierte

n H

alble

iter sin

d E

lektro

ne

n-

un

d Lö

che

rdich

ten

icht

me

hr gle

ich, stattd

esse

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as sog. M

asse

nw

irkun

gsgese

tz(o

hn

e H

erle

itun

g):

•D

a de

r Halb

leite

r nach

auß

en

ele

ktrisch n

eu

tral ist, gilt auß

erd

em

d

ie fo

lgen

de

Ne

utra

litätsbe

din

gun

g:

18

Lad

un

gsträge

rdich

te im

do

tierte

n H

alb

leite

r

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

Sind

Do

nato

r-u

nd

Akze

pto

rdich

teim

do

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alble

iter b

ekan

nt,

kön

ne

n E

lektro

ne

nd

ichte

n0

un

d Lö

che

rdich

tep

0au

s de

m M

assen

-w

irkun

gsgese

tzu

nd

de

r Ne

utralitätsb

ed

ingu

ng b

ere

chn

et w

erd

en

:

19

Üb

un

gsau

fgab

e 2

.2

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

(WS 2

00

2/0

3 –

FA, A

ufga

be

1)

Ein

ho

mo

gen

er H

alble

iter w

eist b

ei Zim

me

rtem

pe

ratur fo

lgen

de

Lad

un

gsträgerko

nze

ntratio

ne

n au

f:

p0

= 1

01

7cm

-3n

0=

10

13

cm-3

a)W

elch

er H

alble

itertyp

liegt vo

r (Be

grün

du

ng)?

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Be

rech

ne

n Sie

die

Eige

nle

itun

gsdich

te n

i de

s Halb

leite

rs.

c)D

er H

alble

iter w

urd

e m

it ein

em

Akze

pto

r de

r Dich

te N

A=

5·1

01

7cm

-3d

otie

rt. Wie

ho

ch m

uss e

r zusätzlich

mit e

ine

m

Do

nato

rd

otie

rt we

rde

n, u

m d

ie o

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n ge

nan

nte

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igen

schafte

n

zu e

rhalte

n?

d)

Han

de

lt es sich

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i de

m G

run

dm

aterial u

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m, G

erm

aniu

m

od

er ke

ine

s von

be

ide

n (B

egrü

nd

un

g)?

20

Zur B

ere

chn

un

g de

s Driftstro

ms im

Ha

lble

iter

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

s

A

Qp

= p

0e

· A s

Qp

= p

ositive

Ladu

ng (z. B

. Löch

er)

A=

Qu

ersch

nitt

s=

Länge

de

s Leite

rabsch

nitts

p0

= D

ichte

de

r po

s. Ladu

ngsträge

re

= 1

,60

2·1

0-1

9 A

s („Ele

me

ntarlad

un

g“)

2.4

. Strom

fluss in

Ha

lble

itern

Ge

samtlad

un

g de

r po

s. Ladu

ngsträge

r (z. B. Lö

che

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ine

m

Ab

schn

itt de

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s ein

es lan

gen

Leite

rs mit d

em

Qu

ersch

nitt A

:

Ladu

ng p

ro V

olu

me

n

Vo

lum

en

de

s Ab

schn

itts

21

Driftstro

m im

Ha

lble

iter

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

Ein e

lektrisch

es Fe

ld E in

ein

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Ha

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iter b

ew

irkt ein

e B

ew

egu

ng

de

r freie

n La

du

ngsträ

ger (D

riftstrom

):

•D

er D

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in e

ine

m H

alble

iter se

tzt sich zu

samm

en

aus d

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riftstrom

de

r Löch

er u

nd

de

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riftstrom

de

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lektro

ne

n.

•Fü

r de

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ezifisch

en

Wid

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d u

nd

die

ele

ktrische

Leitfäh

igkeit

gilt (sow

oh

l für re

ine

als auch

für d

otie

rte H

alble

iter):

22

Be

ispie

l: Diffu

sion

im W

asse

rglas

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

(Cre

ative C

om

mo

ns

Lizen

z)

Foto

s: An

dre

as Kalt

23

Zur B

ere

chn

un

g de

s Diffu

sion

sstrom

s im H

alb

leite

r

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

A

Ipd

iffIp

diff

p

x

A =

Qu

ersch

nitt d

es

Halb

leite

rs

p =

Ladu

ngsträge

rdich

ted

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os. Lad

un

gsträger

(„Löch

er p

ro V

olu

me

n“)

Ipd

iff=

Diffu

sion

sstrom

von

Löch

ern

24

Ist die

Ko

nze

ntratio

n d

er fre

ien

Lad

un

gsträge

r im H

alb

leite

r nich

t ko

nsta

nt, tre

ten

Diffu

sion

sström

e a

uf. D

iese

„versu

che

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as

Ko

nze

ntratio

nsge

fälle

au

szugle

iche

n:

•D

iffusio

nsstro

md

er Lö

che

r:

•D

iffusio

nsstro

m d

er

freie

n E

lektro

ne

n:

•Fü

r die

Diffu

sion

skon

stante

n D

nu

nd

Dp

gilt:

•D

abe

i ist T die

„abso

lute

Tem

pe

ratur“ in

Ke

lvin u

nd

k die

sog. B

oltzm

ann

kon

stante

:

Diffu

sion

sstrom

im H

alb

leite

r

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

25

(SS 20

06

, Au

fgab

e 1

)

Ein

be

idse

itig mit M

etallb

lättche

nko

ntaktie

rtes H

alble

itere

lem

en

td

er D

icke d

= 0

,5 m

m m

it ein

em

Qu

ersch

nitt A

= 5

mm

²h

at ein

en

Wid

erstan

d vo

n R

= 0

,3 Ω

.

Das M

aterial ist m

it ein

er So

rte Fre

md

atom

en

do

tiert. D

ie B

ew

eg-

lichke

itd

er E

lektro

ne

n b

zw. Lö

che

r be

trägt be

i Rau

mte

mp

eratu

r:

µn

= 1

50

00

cm²/V

s, µ

p=

50

00

cm²/V

s

Fern

er se

i be

kann

t, dass d

ie Lö

che

rdich

teu

m d

en

Faktor 1

06

he

r ist als d

ie E

lektro

ne

nd

ichte

.

Üb

un

gsau

fgab

e 2

.3 (a

)

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

26

Üb

un

gsau

fgab

e 2

.3 (b

)

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

a)B

ere

chn

en

Sie d

ie E

lektro

ne

nd

ichte

n0 , Lö

che

rdich

tep

0u

nd

E

igen

leitu

ngsträge

rdich

te n

i .

b)

Ist das M

aterial m

it ein

em

Akze

pto

r od

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on

ator

do

tiert?

Ge

be

n Sie

de

ssen

Dich

te an

.

c)N

un

wird

ob

iges G

run

dm

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n , µp , n

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ine

m A

kzep

tor

un

d m

it ein

em

Do

nato

rd

otie

rt.

Die

Do

nato

rdich

teb

eträgt N

D=

5·1

01

51

/cm³. D

iesm

al soll

die

Ele

ktron

en

dich

te u

m d

en

Faktor 1

06

he

r sein

als die

che

rdich

te.

Be

rech

ne

n Sie

die

Akze

pto

rdich

te.

27

Üb

un

gsau

fgab

e 2

.4 (a

)

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

(WS 2

00

6/0

7, A

ufga

be

1)

a)E

in Si-H

alble

iter ist m

it ein

er P

ho

sph

or-D

ichte

von

1·1

01

5A

tom

en

p

ro cm

3d

otie

rt. Be

rech

ne

n Sie

die

Ele

ktron

en

dich

te n

0u

nd

die

che

rdich

tep

0b

ei R

aum

tem

pe

ratur.

b)

Die

ser H

alble

iter w

ird e

rwärm

t, wo

du

rch d

ie E

igen

leitu

ngsträge

r-d

ichte

auf n

i = 4

·10

14

cm-3

steigt. B

ere

chn

en

Sie d

ie E

lektro

ne

n-

dich

te n

0u

nd

die

Löch

erd

ichte

p0

für d

iese

n Fall.

c)N

un

wird

ob

iger H

alble

iter n

eb

en

Ph

osp

ho

r auch

no

ch m

it Bo

r d

er gle

iche

n D

ichte

(1·1

01

5A

tom

en

pro

cm3) d

otie

rt. Wie

groß

sin

d n

un

die

Ele

ktron

en

dich

te n

0u

nd

die

Löch

erd

ichte

p0

im

erw

ärmte

n Zu

stand

(ni =

4·1

01

4cm

-3)?

28

Üb

un

gsau

fgab

e 2

.4 (b

)

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

d)

Die

nach

steh

en

de

Ab

bild

un

g zeigt d

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ino

ritätsträge

rdich

te in

d

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asis ein

es n

pn

-Bip

olartran

sistors

im A

rbe

itspu

nkt. D

ie aktive

Fläch

e d

er B

asis sei A

= 2

5 μ

m2.

Wie

groß

ist de

r Diffu

sion

sstrom

be

i Rau

mte

mp

eratu

r (T = 3

00

K)

aufgru

nd

de

s Ele

ktron

en

gradie

nte

n in

de

r Basis?

13

. Ho

mo

gen

e H

alble

iterb

aue

lem

en

te

3. H

om

oge

ne

Ha

lble

iterb

au

ele

me

nte

Halb

leite

r we

isen

gege

be

r Me

tallen

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son

de

re E

igen

schafte

n au

f, d

ie zu

r He

rstellu

ng vo

n B

aue

lem

en

ten

gen

utzt w

erd

en

kön

ne

n:

•D

ie im

Ve

rgleich

zu M

etalle

n ge

ringe

Ladu

ngsträge

rkon

zen

tration

in

Ve

rbin

du

ng m

it ein

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oh

en

Ladu

ngsträge

rbe

we

glichke

it füh

rt zu

ho

he

n D

riftgesch

win

digke

iten

de

r Lad

un

gsträge

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lektr. Fe

ld.

•B

ei Erw

ärm

un

g de

s Ha

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iters

od

er b

ei B

estra

hlu

ng m

it Licht

erge

be

n sich

starke

Än

de

run

gen

de

s spe

zifische

n W

ide

rstan

ds.

Be

reits au

s „ein

fache

n“, h

om

oge

ne

n H

alble

iterkristalle

n kö

nn

en

B

aue

lem

en

te ge

fertigt w

erd

en

(je n

ach M

aterial, D

otie

run

g, geo

m.

Ab

me

ssun

gen

). Ein

ige B

eisp

iele

we

rde

n au

f de

n fo

lgen

de

n Fo

lien

vo

rgeste

llt.

2

Ho

mo

gen

e H

alb

leite

rba

ue

lem

en

te (a

)

3. H

om

oge

ne

Halb

leite

rbau

ele

me

nte

Hall-E

lem

en

t

Magn

etfe

ld le

nkt e

l. Ladu

ngsträge

r ab�

Hallsp

ann

un

g abh

ängig vo

m B

-Feld

B

Feld

platte

Magn

etfe

ld le

nkt e

l. Ladu

ngsträge

r ab

�W

ide

rstand

sänd

eru

ng d

urch

un

ter-

schie

dlich

e W

eglän

ge

U

Varisto

r

Span

nu

ngsab

hän

giger W

ide

rstand

(z. B. zu

m Sch

utz vo

r Üb

ersp

ann

un

g)

3

Ho

mo

gen

e H

alb

leite

rba

ue

lem

en

te (b

)

3. H

om

oge

ne

Halb

leite

rbau

ele

me

nte

T

He

ißle

iter (N

TC)

Erh

öh

un

g de

r Tem

pe

ratur ve

rringe

rtd

en

Wid

erstan

dsw

ert

T

Kaltle

iter (P

TC)

Erh

öh

un

g de

r Tem

pe

ratur ve

rgröß

ert

de

n W

ide

rstand

swe

rt

Foto

wid

erstan

dLich

tein

strahlu

ng ge

ne

riert zu

-sätzlich

eLad

un

gsträgerp

aare�

Wid

erstan

d ve

rringe

rt sich

43

. Ho

mo

gen

e H

alble

iterb

aue

lem

en

te

3.1

. He

ißle

iter, Fo

tow

ide

rstan

dD

ie Erw

ärm

un

g de

s Ha

lble

iters fü

hrt zu

r Ge

ne

ration

von

La

du

ngsträ

gerp

aa

ren

(freie

Elektro

ne

n u

nd

Löch

er):

•Ste

igt die

Ladu

ngsträge

rkon

zen

tration

, dan

n sin

kt de

r spe

zifische

W

ide

rstand

de

s Halb

leite

rs („He

ißle

iter“).

•A

nw

en

du

nge

n: Te

mp

eratu

rsen

sor (N

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egative

Tem

pe

rature

Co

efficie

nt), M

essu

ng d

er Strö

mu

ngsge

schw

ind

igkeit vo

n G

asen

o

de

r Flüssigke

iten

(An

em

om

ete

r).

Die

Be

strah

lun

g de

s Ha

lble

iters m

it Licht fü

hrt e

be

nfa

lls zur

Ge

ne

ration

von

Lad

un

gsträge

rpa

are

n:

•D

er W

ide

rstand

ein

es Fo

tow

ide

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s (LDR

, Light D

ep

en

de

nt

Re

sistor) sin

kt mit ste

igen

de

r Be

leu

chtu

ngsstärke

.

•A

nw

en

du

nge

n: H

elligke

itsme

ssun

g, Lichtsch

ranke

n.

5

He

ißle

iter, Fo

tow

ide

rstan

d (a

)

3. H

om

oge

ne

Halb

leite

rbau

ele

me

nte

R / Ω

E / lx1

0-3

10

-21

0-1

10

01

01

10

21

03

10

41

00

10

2

10

4

10

6

LDR

(Light D

ep

en

de

nt

Re

sistor)

10

8

6

He

ißle

iter, Fo

tow

ide

rstan

d (b

)

3. H

om

oge

ne

Halb

leite

rbau

ele

me

nte

9 V

++1

Foto

wid

erstd

.M

99

60

LED

(rot)

73

. Ho

mo

gen

e H

alble

iterb

aue

lem

en

te

l

h

d

I

B

I

+ +

+ +

+ +

+ +

--

--

--

--

-

+v

Fm

ag

Fel

UH

3.2

. Ha

ll-Elem

en

t

8

Ha

ll-Elem

en

t (a)

3. H

om

oge

ne

Halb

leite

rbau

ele

me

nte

Hall-Sp

ann

un

g be

i ein

em

p-H

alble

iter:

Hall-Sp

ann

un

g be

i ein

em

n-H

alble

iter:

Für d

ie Lad

un

gsträgerge

schw

ind

igkeit im

Halb

leite

r gilt:

93

. Ho

mo

gen

e H

alble

iterb

aue

lem

en

te

Ha

ll-Elem

en

t (b)

Zusa

mm

en

fassu

ng:

•M

it Hall-E

lem

en

ten

(Hall-Se

nso

ren

) kön

ne

n M

agne

tfeld

er

gem

esse

n w

erd

en

.

•D

ie H

all-Span

nu

ng U

Hist p

rop

ortio

nal zu

r magn

. Flussd

ichte

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•A

us G

röß

e u

nd

Vo

rzeich

en

von

UH

kann

die

Ladu

ngsträge

r-ko

nze

ntratio

nu

nd

de

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-o

de

r p-H

alble

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ine

s Halb

-le

iters

be

stimm

t we

rde

n, falls d

ie m

agne

tische

Flussd

ichte

B

be

kann

t ist.

10

Üb

un

gsau

fgab

e 3

.1

3. H

om

oge

ne

Halb

leite

rbau

ele

me

nte

In e

ine

m H

alble

iterp

lättche

n (n

-Halb

leite

r) de

r Dicke

d =

1,0

mm

e

ntste

ht b

ei d

er Stro

mstärke

I = 3

4 m

A u

nd

de

r magn

. Flussd

ichte

B =

0,0

40

T ein

e H

allspan

nu

ng U

Hm

it ein

em

Be

trag von

44

mV.

i)G

eb

en

Sie d

ie P

olarität d

er H

allspan

nu

ng in

de

r Zeich

nu

ng an

!ii)

Wie

ist die

Ko

nze

ntratio

n d

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Ele

ktron

en

im H

alble

iter?

iii)D

ie H

öh

e d

es H

alble

iterp

lättche

ns b

eträgt h

= 1

0 m

m.

Be

rech

ne

n Sie

die

Driftge

schw

ind

igkeit d

er fre

ien

Ele

ktron

en

!

h

d

I

B

UH

14

. Dio

de

n

4. D

iod

en

4.1

. De

r pn

-Üb

erga

ng

Die

Dio

de

ist ein

Halb

leite

rbau

ele

me

nt m

it zwe

i An

schlü

ssen

:

•E

ine

Dio

de

be

steh

t aus e

ine

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alble

iterkristall, d

er au

f de

r ein

en

Se

ite p

-u

nd

auf d

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de

ren

Seite

n-d

otie

rt ist.

•D

ie A

nsch

lüsse

de

r Dio

de

he

iße

n A

no

de

un

d K

atho

de

.

•D

iod

en

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ktrische

n Stro

m n

ur in

ein

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ichtu

ng p

assiere

n

( Du

rchla

ssrichtu

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ssrichtu

ng).

•In

de

r and

ere

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ichtu

ng w

irken

sie w

ie e

in Iso

lator (Sp

errrich

tun

g).2

pn

-Üb

erga

ng (a

)

4. D

iod

en

++

++

+

++

++

+

++

++

+

––

––

––

––

––

––

++

++

+

++

++

+

++

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+–

––

––

––

––

––

––

Zwe

i getre

nn

te H

alble

iter (p

-u

nd

n-H

alble

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d je

we

ils ne

utral.

Die

Ladu

nge

n d

er fre

ien

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ngsträge

r (Löch

er b

zw. fre

ie E

lektro

-n

en

) un

d d

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rtsfeste

n Stö

rstelle

n-Io

ne

n h

eb

en

sich au

f.

+–

–+

Loch

(Majo

ritätsträger)

Ortsfe

ste A

kzep

tor-Stö

rstelle

Freie

s Ele

ktron

(Majo

ritätsträger)

Ortsfe

ste D

on

ator-Stö

rstelle

p-H

alble

iter

n-H

alble

iter

3

pn

-Üb

erga

ng (b

)

4. D

iod

en

++

++

+

++

++

+

++

++

+

––

––

––

––

––

––

++

++

+

++

++

+

++

++

+–

––

––

––

––

––

––

Am

pn

-Üb

ergan

g diffu

nd

iere

n d

ie b

ew

eglich

en

Majo

ritätsträger in

d

ie b

en

achb

arte Zo

ne

(Diffu

sion

sstrom

). Die

gelad

en

en

, ortsfe

sten

Stö

rstelle

n b

ew

irken

ein

imm

er stärke

r we

rde

nd

es e

lektrisch

es

Feld

. Schlie

ßlich

stellt sich

ein

Gle

ichge

wich

tszustan

d e

in.

+–

–+

Loch

(Majo

ritätsträger)

Ortsfe

ste A

kzep

tor-Stö

rstelle

Freie

s Ele

ktron

(Majo

ritätsträger)

Ortsfe

ste D

on

ator-Stö

rstelle

p-H

alble

iter

n-H

alble

iter

4

pn

-Üb

erga

ng (c)

4. D

iod

en

++

++

+

++

++

+

++

++

+

––

––

––

––

––

++

++

++

++

++

+–

––

––

––

––

––

––

Du

rch R

eko

mb

inatio

n d

er fre

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Ladu

ngsträge

r (Löch

er u

nd

Ele

k-tro

ne

ne

ntste

ht an

de

r Gre

nzsch

icht e

ine

Zon

e, d

ie p

raktisch ke

ine

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Ladu

ngsträge

r en

thält. In

die

ser Zo

ne

be

find

en

sich n

ur n

och

d

ie o

rtsfeste

n, n

egative

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kzep

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rstelle

n b

zw. d

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ositive

n

Do

nato

r-Störste

llen

(„Ra

um

lad

un

gszon

e“).

p-H

alble

iter

n-H

alble

iter

p-Zo

ne

n-Zo

ne

RL-Zo

ne

5

pn

-Üb

erga

ng (d

)

4. D

iod

en

++

++

+

++

++

+

++

++

+

––

––

––

––

––

++

++

++

++

++

+–

––

––

––

––

––

––

Be

i An

lege

n e

ine

r Span

nu

ng in

Du

rchla

ssrichtu

ng

fließ

en

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ngs-

träger in

die

Rau

mlad

un

gszon

e u

nd

reko

mb

inie

ren

do

rt. Die

Rau

m-

ladu

ngszo

ne

wird

schm

aler, e

s fließ

t Strom

.

p-H

alble

iter

n-H

alble

iter

+ –

An

od

e

Kath

od

e

6

pn

-Üb

erga

ng (e

)

4. D

iod

en

++

++

+

++

++

+

++

++

+

––

––

––

++ +

+

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––

––

––

––

––

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Be

im A

nle

gen

ein

er Sp

ann

un

g in Sp

errrich

tun

gflie

ße

n d

ie Lad

un

gs-träge

r von

de

r Rau

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un

gszon

e w

eg. D

ie R

aum

ladu

ngszo

ne

ver-

bre

itert

sich. E

s fließ

t nu

r no

ch e

in kle

ine

r Spe

rrstrom

, de

r von

de

r th

erm

ische

n G

en

eratio

n vo

n Lad

un

gsträgerp

aaren

im B

ere

ich d

er

Rau

mlad

un

gszon

e h

errü

hrt.

p-H

alble

iter

n-H

alble

iter

–+

7

Dio

de

nke

nn

linie

(a)

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

-1-0

,50

0,5

1

I / A

U / V

4. D

iod

en

Die

Dio

de

nke

nn

linie

zeigt, d

ass de

r Du

rchlassstro

m exp

on

en

tiell

zur D

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en

span

nu

ng

zun

imm

t. Zur e

infach

ere

n B

ere

chn

un

g wird

o

ft ein

e id

ealisie

rte, lin

eare

Ke

nn

linie

verw

en

de

t (näch

ste Fo

lie).

8

Dio

de

nke

nn

linie

(b)

4. D

iod

en

I

U1

V0

,5 V

10

0 m

A

20

0 m

A

US

An

od

e

Kath

od

e

Line

are

s Ersatzscha

ltbild

in

Du

rchla

ssrichtu

ng

Schw

elle

n-, Sch

leu

sen

spa

nn

un

g:

9

-8-6

-4-2

1

-50

-10

0

IA/ µ

A

UA

K/ V

E =

20

0 lx

40

0 lx

60

0 lx

80

0 lx

Foto

dio

de4

. Dio

de

n

IA

UA

K

Be

i Foto

dio

de

nist e

s mö

glich, d

ie Sp

errsch

icht m

it Licht zu

be

strahle

n.

De

r Ke

nn

linie

nve

rlauf än

de

rt sich m

it de

r Be

leu

chtu

ngsstärke

.

10

Leu

chtd

iod

e, LED

(Light Em

itting

Dio

de

)

4. D

iod

en

Ve

rgleich

von

Leu

chtd

iod

en

un

d „ko

nve

ntio

ne

llen

“ Leu

chtm

itteln

: *

„Klassisch

e“ G

lüh

lamp

e1

0 …

14

Lum

en

/ Watt

Halo

gen

lamp

e

15

… 2

0 Lu

me

n/ W

attLe

uch

tstoffrö

hre

70

… 9

0 Lu

me

n/ W

attLE

D-Le

uch

tmitte

l (inkl. E

lektro

nik u

. Op

tik)4

0 …

10

0 Lu

me

n/ W

att

*Q

ue

lle: W

ikipe

dia/Le

uch

tdio

de

, 09

/20

14

Ein

e D

iod

e in

Du

rchlassrich

tun

g nim

mt d

ie Le

istun

g P =

UD ·ID

auf

(UD

= D

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en

span

nu

ng, ID

= D

urch

lassstrom

). Be

i Leu

chtd

iod

en

wird

e

in Te

il davo

n als Lich

t abge

strahlt.

11

Üb

un

gsau

fgab

e 4

.1

4. D

iod

en

R1

An

ein

er B

atterie

(UB

= 9

V) so

llen

zwe

i b

laue

un

d e

ine

rote

LED

be

trieb

en

we

r-d

en

. Die

Dio

de

n h

abe

n fo

lgen

de

Date

n:

Ro

te LE

D:

US

= 1

,5 V

un

d rf =

10

ΩB

laue

LED

:US

= 2

,7 V

un

d rf =

35

Ω

i)W

elch

en

We

rt mu

ss de

r Wid

erstan

d

R2

be

sitzen

, dam

it du

rch d

ie ro

te

Leu

chtd

iod

e e

in Stro

m vo

n 2

0 m

A

fließ

t?

ii)W

elch

en

We

rt mu

ss de

r Wid

erstan

d

R1

be

sitzen

, dam

it du

rch d

ie b

laue

n

Leu

chtd

iod

en

ein

Strom

von

20

mA

flie

ßt?

bla

u

bla

u

R2

rot

iii) Wie

groß

sind

die

Dio

de

nströ

me

, falls die

Batte

riesp

ann

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g(b

ei u

nve

ränd

erte

n W

ide

rständ

en

R1

un

d R

2 ) auf U

B=

7 V

sinkt?

UB

12

4. D

iod

en

4.2

. Die

Zen

erd

iod

eZe

ne

rdio

de

n (Z-D

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en

) sind

Dio

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n, d

ie sp

ezie

ll für d

en

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trieb

im

Du

rchb

ruch

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reich

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twicke

lt wu

rde

n:

•In

Du

rchlassrich

tun

g verh

ält sich e

ine

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iod

e w

ie e

ine

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erkö

mm

liche

Halb

leite

rdio

de

.

•In

Spe

rrrichtu

ng b

egin

nt ab

ein

er ge

nau

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finie

rten

Spe

rrspan

nu

ng

(„Zen

ersp

an

nu

ng“) d

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urch

bru

chb

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ich.

•Im

Ge

gen

satz zu h

erkö

mm

liche

n H

alble

iterd

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en

wird

die

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er-

dio

de

du

rch d

en

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trieb

im D

urch

bru

chb

ere

ich n

icht b

esch

ädigt,

solan

ge d

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m d

en

zulässige

n M

aximalw

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icht ü

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rschre

itet.

•Ze

ne

rdio

de

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en

in d

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raxis zur Sp

an

nu

ngssta

bilisie

run

gso

wie

zum

Schu

tz vor Ü

be

rspa

nn

un

g ein

gese

tzt.

13

Zen

erd

iod

e (a

)

4. D

iod

en

Ke

nn

linie

de

r Zen

erd

iod

e B

ZX8

4C

6V

2L

Zen

ersp

ann

un

g: 6,2

Vo

lt; max. V

erlu

stleistu

ng: 2

25

mW

UD

ID

14

Zen

erd

iod

e (b

)

5. A

nw

en

du

nge

n vo

n D

iod

en

Ide

alisie

rte, lin

ea

risierte

Ke

nn

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ein

er Ze

ne

rdio

de

ID

UD

-UZ0

+–

Line

are

s Ersatzscha

ltbild

im

Du

rchb

ruch

be

reich

Du

rchla

ss-

be

reich

Dio

de

spe

rrt

Du

rch-

bru

ch

15

Üb

un

gsau

fgab

e 4

.2

4. D

iod

en

(WS 2

00

2/0

3 –

FA, A

ufga

be

3)

Ein

e Ze

ne

rdio

de

wird

an e

ine

r We

chse

l-sp

ann

un

gm

it de

m Effe

ktivwe

rt Ue

= 1

0 V

b

etrie

be

n. D

ie W

erte

de

r Z-Dio

de

sind

:

Spe

rrrichtu

ng: U

Z0=

5,1

V u

nd

rz=

2 Ω

Du

rchlassrich

tun

g: Uf =

0,7

V u

nd

rf = 2

ΩD

er V

orw

ide

rstand

be

trägt RV

= 1

0 Ω

i)B

ei w

elch

er p

ositive

n Sp

ann

un

g ua +

un

d b

ei

we

lche

r ne

gativen

Span

nu

ng u

a –b

egin

nt d

ie

Z-Dio

de

gerad

e zu

leite

n b

zw. zu

spe

rren

?

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elch

e m

ax. Au

sgangssp

ann

un

g uam

axu

nd

w

elch

e m

in. A

usgan

gsspan

nu

ng u

amin

trete

n

be

i de

n Sch

eite

lwe

rten

de

r We

chse

lspg. au

f?

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lche

maxim

ale V

erlu

stleistu

ng (M

om

en

tanw

ert) P

vmax

tritt an d

er

Zen

erd

iod

e au

f?

RV

~

ue

ua

15

. An

we

nd

un

ge

n v

on

Dio

de

n

5.A

nw

en

du

nge

n vo

n D

iod

en

inStro

mve

rsorgu

ngse

inh

eite

nS

trom

ve

rsorg

un

gse

inh

eite

n („N

etzg

erä

te“) e

rzeu

ge

n d

ie v

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ele

ktro

nisch

en

Sch

altu

ng

en

be

tigte

n G

leich

spa

nn

un

ge

n.

Sie

be

steh

en

oft a

us d

rei B

löcke

n:

•Tra

nsfo

rmato

r

•G

leich

richte

r un

d G

lättun

gskon

de

nsato

r (�A

bsch

nitt 5

.1)

•Sp

an

nu

ngssta

bilisie

run

g(�

Ab

schn

itt 5.2

)

Im Tra

nsfo

rmato

rw

ird d

ie N

etzw

ech

selsp

an

nu

ng

in e

ine

We

ch-

selsp

an

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ng

de

r be

tigte

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röß

e tra

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rmie

rt un

d im

Gle

ich-

richte

rg

leich

ge

richte

t. De

r Glättu

ngsko

nd

en

sator v

errin

ge

rt die

We

lligke

it die

ser G

leich

spa

nn

un

g. D

ie Sp

an

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ngssta

bilisie

run

gg

leich

t Sch

wa

nku

ng

en

vo

n N

etzsp

an

nu

ng

un

d B

ela

stun

g a

us.

25

. An

we

nd

un

ge

n v

on

Dio

de

n

5.1

. Ne

tzgleich

richtu

ng m

it Dio

de

nIn

die

ser V

orle

sun

g w

erd

en

folg

en

de

Gle

ichrich

tersch

altu

ng

en

für W

ech

selstro

m u

nd

Dre

hstro

m b

etra

chte

t:

•Ein

pu

ls-Mitte

lpu

nktsch

altu

ng

(M1

, Ein

we

gg

leich

richte

r)

•Zw

eip

uls-B

rücke

nsch

altu

ng

(B2

, Gra

etz-B

rücke

)

•D

reip

uls-M

ittelp

un

ktscha

ltun

g(M

3)

•Se

chsp

uls-B

rücke

nsch

altu

ng

(B6

, Dre

hstro

mb

rücke

)

In a

llen

Be

ispie

len

wird

vo

n

„ide

ale

n D

iod

en

“ au

sge

ga

ng

en

.

I

U

3

Einp

uls-M

ittelp

un

ktscha

ltun

g (a)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

uP

uS

uA

R

uD

iod

e

ωt

ωt

Be

i de

r Einp

uls-M

ittelp

un

ktscha

ltun

g(a

uch

M1

-Scha

ltun

g, E

inw

eg

-

gle

ichrich

ter) le

itet d

ie D

iod

e n

ur w

äh

ren

d d

er p

ositiv

en

Ha

lbw

elle

de

r We

chse

lspa

nn

un

g u

s .

uP

=S

pa

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g a

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rimä

rseite

de

s Tran

sform

ato

rs

us

= S

pa

nn

un

g a

n d

er S

eku

nd

ärse

ite

uS (t) =

ûS

sin(ω

t + φ

u )

4

Einp

uls-M

ittelp

un

ktscha

ltun

g (b)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

Die

Au

sga

ng

sspa

nn

un

g d

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in-

pu

ls-Mitte

lpu

nktsch

altu

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wird

pra

ktisch

imm

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eg

lätte

t.

Die

s ge

schie

ht a

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infa

chste

n

du

rch P

ara

llelsch

altu

ng

ein

es

Glättu

ngsko

nd

en

sators.

uD

iod

e

uP

uS

uA

RC

ωt

Mittl. S

pa

nn

un

g a

m V

erb

rau

che

r:

Stro

mflu

sswin

kel

5

Einp

uls-M

ittelp

un

ktscha

ltun

g (c)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

Sch

eite

lwe

rt de

r

gle

ichg

erich

tete

n

Sp

an

nu

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Ze

itl. Mitte

lwe

rt

de

r gle

ichg

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-

tete

nS

pa

nn

un

g

Ma

xima

le S

pe

rr-

spa

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un

ga

n d

er

Dio

de

Oh

ne

Glättu

ng:

Mit G

lättun

g:

Oh

ne

Glättu

ng:

6

Einp

uls-M

ittelp

un

ktscha

ltun

g (d)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

Mit G

lättun

gskon

de

nsato

r:

Pe

riod

ische

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an

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sdiffe

ren

z am

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ttun

gsko

nd

en

sato

r

Mitte

lwe

rt de

r gle

ichg

erich

tete

n S

pa

nn

un

g

7

Zwe

ipu

ls-Brü

cken

scha

ltun

g (a)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

uS

uA

RC

Die

Zwe

ipu

ls-Brü

cken

scha

ltun

g (au

ch B

2-Sch

altu

ng

, Gra

etz-B

rücke

)

ist die

wich

tigste

Gle

ichrich

tersch

altu

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für E

inp

ha

sen

-We

chse

lstrom

.

ωt

Oh

ne

Glättu

ngsko

nd

en

sator

ωt

Mit G

lättun

gs-ko

nd

en

sator

8

Zwe

ipu

ls-Brü

cken

scha

ltun

g (b)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

Sch

eite

lwe

rt de

r

gle

ichg

erich

tete

n

Sp

an

nu

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Ze

itl. Mitte

lwe

rt

de

r gle

ichg

erich

-

tete

nS

pa

nn

un

g

Ma

xima

le S

pe

rr-

spa

nn

un

ga

n d

en

Dio

de

n

Oh

ne

Glättu

ng:

Mit u

nd

oh

ne

Glättu

ng:

9

Zwe

ipu

ls-Brü

cken

scha

ltun

g (c)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

Mit G

lättun

gskon

de

nsato

r:

Pe

riod

ische

Sp

an

nu

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sdiffe

ren

z am

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ttun

gsko

nd

en

sato

r

Mitte

lwe

rt de

r gle

ichg

erich

tete

n S

pa

nn

un

g

10

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

Zwe

ipu

ls-Brü

cken

scha

ltun

g (d)

Fe

rtig v

ersch

alte

te B

rücke

ng

leich

-

richte

rsin

d in

un

tersch

ied

liche

n

Leistu

ng

sstufe

n v

erfü

gb

ar.

11

Dre

ipu

ls-Mitte

lpu

nktsch

altu

ng (a

)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

r mittle

re Le

istun

ge

n a

b e

inig

en

Kilo

wa

tt au

fwä

rts we

rde

n

Dre

hstro

mgle

ichrich

ter

wie

die

Dre

ipu

ls-Mitte

lpu

nktsch

altu

ng

(M3

) od

er d

ie S

ech

spu

ls-Brü

cken

scha

ltun

g (B

6) e

ing

ese

tzt:

•Im

Ve

rgle

ich zu

de

n b

ishe

r be

trach

tete

n G

leich

richte

rscha

l-

tun

ge

nfü

r ein

ph

asig

en

We

chse

lstrom

ist die

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lligke

it de

r

gle

ichg

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tete

n S

pa

nn

un

g k

lein

er.

•D

er A

ufw

an

d fü

r die

Glä

ttun

g ist a

us d

iese

m G

run

d g

erin

ge

r.

Oft k

an

n a

uf e

ine

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ttun

g so

ga

r ga

nz v

erzich

tet w

erd

en

.

•E

ine

typ

ische

An

we

nd

un

g d

iese

r Gle

ichrich

tersch

altu

ng

en

find

et sich

be

i Stra

ße

nb

ah

ne

n, d

ie o

ft mit G

leich

spa

nn

un

ge

n

vo

n 5

00

…7

50

V b

etrie

be

n w

erd

en

. Sie

we

rde

n a

uch

in d

en

he

ute

üb

liche

n K

FZ

-Dre

hstro

mg

en

era

tore

n e

ing

ese

tzt.

(In b

eid

en

Fälle

n o

hn

e w

eite

re G

lättu

ng

).

12

u(t)

Dre

ipu

ls-Mitte

lpu

nktsch

altu

ng (b

)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

We

itere

Be

zeich

nu

ng

:

M3

-Scha

ltun

gt

u3

u2

u1

uA

13

Dre

ipu

ls-Mitte

lpu

nktsch

altu

ng (c)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

Sch

eite

lwe

rt de

r

gle

ichg

erich

tete

n

Sp

an

nu

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Ze

itl. Mitte

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rt

de

r gle

ichg

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-

tete

nS

pa

nn

un

g

Ma

xima

le S

pe

rr-

spa

nn

un

ga

n d

en

Dio

de

n

14

Sech

spu

ls-Brü

cken

scha

ltun

g (a)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

We

itere

Be

zeich

nu

ng

en

:

B6

-Scha

ltun

g,D

reh

strom

brü

cke

15

Ve

rlauf d

er A

usgan

gsspan

nu

ng

(Diffe

ren

z zwisch

en

„Plu

s-u

nd

Min

us-D

iod

en

“)

Sech

spu

ls-Brü

cken

scha

ltun

g (b)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

„Min

us-D

iod

en

„Plu

s-Dio

de

n“

t

u(t)

16

Sech

spu

ls-Brü

cken

scha

ltun

g (c)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

Sch

eite

lwe

rt de

r

gle

ichg

erich

tete

n

Sp

an

nu

ng

Ze

itl. Mitte

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rt

de

r gle

ichg

erich

-

tete

nS

pa

nn

un

g

Ma

xima

le S

pe

rr-

spa

nn

un

ga

n d

en

Dio

de

n

17

Be

ispie

l: KFZ-D

reh

strom

gen

erato

r

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

U

G

15

30

D+

Errege

r-d

iod

en

Dre

hstro

m-

wicklu

ng

D+

+–

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Spa

nn

un

gs-re

gler

Plu

s-D

iod

en

Min

us-

Dio

de

n

Errege

r-w

icklun

gB

–3

1

B+

zu d

en

Ve

rbra

uch

ern

+

DF

18

Üb

un

gsau

fgab

e 5

.1

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

Die

Au

sga

ng

sspa

nn

un

g e

ine

r B2

-Gle

ichrich

terb

rücke

ve

rsorg

t ein

en

Lastw

ide

rstan

d R

= 5

0 Ω

un

d w

ird m

it Hilfe

ein

es K

on

de

nsa

tors C

ge

glä

ttet. D

ie W

ech

selsp

an

nu

ng

am

Ein

ga

ng

de

s Gle

ichrich

ters h

at

ein

e F

req

ue

nz v

on

50

Hz. S

ie w

ird v

on

ein

em

Tran

sform

ato

r ge

lie-

fert, d

er In

ne

nw

ide

rstan

d d

es Tra

fos

ka

nn

ve

rna

chlä

ssigt w

erd

en

.

An

de

n D

iod

en

fällt e

ine

Du

rchla

ssspa

nn

un

g v

on

0,7

5 V

ab

.

i)D

er W

ide

rstan

d so

ll ein

e Le

istun

g P

= 5

W a

ufn

eh

me

n. W

ie

gro

ß m

uss d

er K

on

de

nsa

tor C

sein

, da

mit d

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pa

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un

g a

m

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ersta

nd

um

ma

xima

l ±0

,1 V

schw

an

kt?

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elch

en

Effe

ktiv

we

rt mu

ss de

r Trafo

liefe

rn, d

am

it sich a

m

Wid

ersta

nd

ein

e m

ittlere

Gle

ichsp

an

nu

ng

vo

n 5

V e

inste

llt?

iii)W

elch

e S

pe

rrspa

nn

un

g m

üsse

n d

ie D

iod

en

au

sha

lten

kön

ne

n?

19

Üb

un

gsau

fgab

e 5

.1, Sim

ulatio

n zu

(i)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

20

Üb

un

gsau

fgab

e 5

.1, Sim

ulatio

n zu

(ii)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

21

Üb

un

gsau

fgab

e 5

.2 (a

)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

90

°1

80

°2

70

°3

60

°ω

t

U / V

Ein

e G

leich

richte

rscha

ltun

g fü

r Ne

tzspa

nn

un

g m

it f = 5

0 H

z ist als

ein

pu

lsige

Mitte

lpu

nktsch

altu

ng

(M1

) mit La

stwid

ersta

nd

R u

nd

Glä

ttun

gsko

nd

en

sato

r C a

usg

efü

hrt. A

uf d

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Oszillo

skop

zeig

t sich

de

r folg

en

de

Ve

rlau

f de

r Au

sga

ng

sspa

nn

un

g:

50

45

22

Üb

un

gsau

fgab

e 5

.2 (b

)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

i)B

estim

me

n S

ie a

us d

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Dia

gra

mm

de

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trom

flussw

inke

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ie

Stro

mflu

sszeit ts

sow

ie d

en

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rt de

r gle

ichg

erich

tete

n

Sp

an

nu

ng

am

Lastw

ide

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d.

ii)W

elch

e La

du

ng

Q w

ird d

em

Glä

ttun

gsko

nd

en

sato

r C =

10

00

µF

hre

nd

de

r Stro

mflu

ssph

ase

zug

efü

hrt?

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estim

me

n S

ie d

ie Z

eitko

nsta

nte

τd

es R

C-G

lied

es u

nd

die

Grö

ße

de

s Lastw

ide

rstan

ds R

.

iv)

Be

rech

ne

n S

ie d

en

mittle

ren

Stro

m Id

du

rch d

en

Wid

ersta

nd

R.

23

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

5.2

. Spa

nn

un

gsstab

ilisieru

ng m

it Zen

erd

iod

eUD

IDD

iod

en

ken

nlin

ied

er

Ze

ne

rdio

de

BZ

X8

4C

6V

2L

Ze

ne

rspa

nn

un

g: 6

,2 V

ma

x. Ve

rlustle

istun

g: 2

25

mW

24

Spa

nn

un

gsstab

ilisieru

ng m

it Z-Dio

de

(a)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

Ide

alisie

rte, lin

ea

risierte

Ke

nn

linie

ein

er Ze

ne

rdio

de

ID

UD

-UZ

0

+–

Line

are

s Ersatzscha

ltbild

im

Du

rchb

ruch

be

reich

Du

rchla

ss-

be

reich

Dio

de

spe

rrt

Du

rch-

bru

ch

25

Spa

nn

un

gsstab

ilisieru

ng m

it Z-Dio

de

(b)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

RA

UA

RV

UE

IZ

RA

UA

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UE IE

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rZ

UZ0

Span

nu

ngsstab

ilisieru

ngssch

altun

gLin

eare

s Ersatzschaltb

ild

Die

Ab

bild

un

g ze

igt e

ine

Sch

altu

ng

zur Sp

an

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ngssta

bilisie

run

g mit-

tels

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erd

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e. Tro

tz schw

an

ken

de

r Ve

rsorg

un

gssp

an

nu

ng

UE

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d

we

chse

lnd

er B

ela

stun

g R

Aw

ird d

ie S

pa

nn

un

g U

Asta

bil g

eh

alte

n.

IA

IE

26

Spa

nn

un

gsstab

ilisieru

ng m

it Z-Dio

de

(c)

5. A

nw

en

du

ng

en

vo

n D

iod

en

Sch

wa

nkt d

ie E

inga

ng

sspa

nn

un

g im

Be

reich

UE

,min

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E<

UE

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x

un

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t.

•F

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,min

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äh

eru

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swe

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,min

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,ma

x

27

Spa

nn

un

gsstab

ilisieru

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de

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5. A

nw

en

du

ng

en

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n D

iod

en

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ilisieru

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28

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un

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fgab

e 5

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FA, A

2

5. A

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en

du

ng

en

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en

Ge

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m

Vo

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nd

RV

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r Z-D

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en

Sie

die

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er Z

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gra

mm

ein

.

RL

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RV

UE

29

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en

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mm

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V.

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U / V

12

108642

5 1

0 1

5

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en

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= 1

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en

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hn

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Lb

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n!

30

Üb

un

gsau

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e 5

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en

du

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n D

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en

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Vo

rwid

ersta

nd

RV

= 2

0 Ω

un

d

ein

em

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ide

rstan

d R

L=

20

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be

n. Lö

sen

Sie

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de

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ne

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run

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ne

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ge

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s-

spa

nn

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gu

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in.

uE (t)

t / s

U / V

18

16

14

12

108642

5

16

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olare

Transisto

ren

n-H

alb

leite

rp

n-H

alb

leite

rE

C

B

Ba

sis(B

)

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r (E)

Ko

llekto

r (C)

p-H

alb

leite

rn

p-H

alb

leite

rE

C

B

Ba

sis(B

)

Emitte

r (E)

Ko

llekto

r (C)

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N-Tra

nsisto

r

PN

P-Tra

nsisto

r

6. B

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Tran

sistore

n6

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nsw

eise

2

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ktion

swe

ise d

es N

PN

-Tran

sistors (a

)

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

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++

++

++

++

--

--

--

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++

++

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--

--

-

E1

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n fo

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n Fo

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Fun

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ein

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un

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n b

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en

Zon

en

he

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en

Fe

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n E

1u

nd

E2 .

CE

B

3

Fun

ktion

swe

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es N

PN

-Tran

sistors (b

)

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

npn

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++

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be

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et sich

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g. Die

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ie R

aum

ladu

ngszo

ne

verb

reite

rt sich.

Die

Rau

mlad

un

gszon

e zw

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de

rt. Insge

samt

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er Sp

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m.

C

E

B

4

Fun

ktion

swe

ise d

es N

PN

-Tran

sistors (c)

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

++

++

++

++

++

++

++

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--

--

--

--

--

--

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––

––

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Ein

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Span

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n

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dass d

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de

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Em

itter.

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nn

en

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ien

Ele

ktron

en

(M

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r!) im E

mitte

r in d

ie

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ße

n. N

ur ca. 1

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er E

lektro

-n

en

reko

mb

inie

ren

do

rt mit Lö

che

rn in

d

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asis. De

r üb

erw

iege

nd

e A

nte

il de

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lektro

ne

n d

iffun

die

rt du

rch d

ie se

hr

nn

e B

asis hin

du

rch, ge

rät in d

as ele

k-trisch

eFe

ld E

1u

nd

wird

zum

Ko

llekto

r h

in ge

rade

zu „ab

gesau

gt“.

5

Ba

sisstrom

steu

ert K

olle

ktorstro

m

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

De

r Basis-E

mitte

r-Strom

IBE

steu

ert also

die

Du

rchlässigke

it de

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Em

itter-R

aum

ladu

ngszo

ne

für d

ie fre

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ktron

en

aus d

em

Em

itter:

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e kle

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Än

de

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g von

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be

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ine

groß

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nd

eru

ng d

es K

olle

k-to

r-Em

itter-Stro

ms IC

E . Au

f die

se W

eise

wird

mit d

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Transisto

r ein

e

Strom

verstärku

ng e

rzielt.

Qu

elle

: Ph

ilips, E

xpe

rime

ntie

rkasten

EE

20

40

(19

76

), sieh

e au

ch: h

ttp://e

e.o

ld.n

o

6

Inn

ere

r Au

fba

u e

ine

s Tran

sistors

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

Sche

matisch

er A

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au e

ine

s np

n-B

ipo

lartransisto

rsin

E

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artech

nik:

Ep

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ch.), B

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s Kristalls d

urch

An

lageru

ng

von

Ato

me

n o

de

r Mo

lekü

len

an e

in A

usgan

gskristall, de

ssen

Stru

ktur vo

n d

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sich b

ilde

nd

en

Kristall ko

pie

rt wird

.

pn

n

Em

itter

EB

asis

BK

olle

kto

rC

(ob

en

)

(un

ten

)

< 1

µm

7

Ba

ufo

rme

n vo

n Tra

nsisto

ren

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

86

. Bip

olare

Transisto

ren

B

E C

IB

UC

E

IC

10

IC/ m

A

2 4 6

20

40

60

IB/ µ

A

UC

E=

20

V

UC

E=

2V

8

U1

RB

6.2

. Ersatzscha

ltbild

9

Ersatzscha

ltbild

de

s NP

N-Tra

nsisto

rs

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

Basis

Ko

llekto

r

Emitte

rEm

itter

IBIC

=B

·IB

IBIC

=B

·IB

US

rBE

UB

E

Basis

Ko

llekto

r

Emitte

rEm

itter

10

Zusa

mm

en

ha

ng zw

ische

n IB , IC

un

d U

CE

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

Gro

ßsign

al-V

erstä

rkun

gsfakto

r,G

leich

strom

-Ve

rstärku

ngsfa

ktor

Kle

insign

al-V

erstä

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gsfakto

r,W

ech

selstro

m-V

erstä

rkun

gsfakto

r,Sign

al-V

erstä

rkun

gsfakto

r

Steilh

eit

11

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

Die

Ke

nn

linie

n sin

d te

mp

eratu

rabh

ängig. In

sbe

son

de

re ve

rschie

be

n

sich d

ie A

usgan

gsken

nlin

ien

mit zu

ne

hm

en

de

r Tem

pe

ratur n

ach o

be

n.

6.3

. Ke

nn

linie

n d

es N

PN

-Tran

sistors

0 2 4 6

0,2

0,4

0,6

0,1

0,2

0,30

0 4

8 1

2

1 2 3 4 5 6 7

12

6.4

. Ve

rstärke

rscha

ltun

gen

Die

Be

rech

nu

ng e

ine

r Ve

rstärkersch

altun

g basie

rt auf d

en

Ein

gangs-

un

d A

usgan

gsken

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de

s Transisto

rs un

d d

en

dam

it zusam

me

n-

hän

gen

de

n G

röß

en

wie

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un

d S.

Ab

er w

ie b

ere

chn

et m

an d

ie W

ide

rständ

e R

Bu

nd

RC ?

Be

rech

nu

ng vo

n V

erstä

rkersch

altu

nge

n

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

ue

ua

U1

RC

= ?

RB

= ?

13

Ve

rstärke

rscha

ltun

g für W

ech

selsp

an

nu

ng

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

ue

ua

UB

RC

R1

R2

C1

C2

iB

uB

E

iC

uC

E

Die

Ab

bild

un

g zeigt e

ine

Ve

rstärkersch

altun

g für W

ech

selsp

ann

un

g(z. B

. aus e

ine

m M

P3

-Playe

r) mit e

ine

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PN

-Transisto

r. C1

die

nt d

azu,

alle G

leich

span

nu

ngsan

teile

aus d

er vo

rhe

rgeh

en

de

n Stu

fe ab

zuko

p-

pe

ln, e

be

nso

sorgt C

2fü

r ein

e re

ine

We

chse

lspan

nu

ng am

Au

sgang.

14

Arb

eitsp

un

ktein

stellu

ng m

it Ke

nn

linie

n

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

48

12

0U

CE

/ V

IC/ m

A

0 1 2 3

IB=

20

µA

IB=

16

µA

IB=

A

PV

Max

IB=

A

IB=

12

µA

AP

1

2

3

15

Stab

ilisieru

ng d

es A

rbe

itspu

nkts

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

Dam

it de

r ein

geste

llte A

rbe

itspu

nkt au

ch b

ei Te

mp

eratu

ränd

eru

nge

n stab

il b

leib

t, fügt m

an o

ft ein

en

Em

itterw

ide

rstand

(„Strom

gege

nko

pp

lun

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. U

m d

adu

rch d

ie V

erstärku

ng n

icht zu

verrin

gern

, wird

die

ser W

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für

We

chse

lspan

nu

nge

n d

urch

ein

en

zusätzlich

en

Ko

nd

en

sator ü

be

rbrü

ckt.

ue

ua

UB

RC

R1

R2

C1

C2

iB

uB

E

iC

uC

E

RE

CE

16

Üb

un

gsau

fgab

e 6

.1 (a

)

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

ue

ua

UB

RC

RB

C1

C2

iB

uB

E

iC

uC

E

Die

abge

bild

ete

Ve

rstärkersch

altun

g soll an

ein

er B

etrie

bssp

ann

un

gU

B=

16

V m

it ein

em

Ko

llekto

rwid

erstan

d R

C=

40

Ωb

etrie

be

n w

erd

en

.

17

Üb

un

gsau

fgab

e 6

.1 (b

)

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

i)Ze

ichn

en

Sie d

ie A

rbe

itsgerad

e in

das A

usgan

gsken

nlin

ien

feld

ein

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ii)W

ähle

n Sie

im A

usgan

gsken

nlin

ien

feld

ein

en

sinn

volle

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rbe

itspu

nkt.

iii)Ze

ichn

en

Sie d

en

Arb

eitsp

un

kt in d

ie E

ingan

gsken

nlin

ie e

in.

UB

E/ V

IB/

mA0 2 4 6

0,2

0,4

0,6

IC/

A0,1

0,2

0,30

0 4

8 1

2U

CE

/ V

IB/

mA

1 2 3 4 5 6 7

18

Üb

un

gsau

fgab

e 6

.1 (c)

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

iv)E

rmitte

ln Sie

de

n B

asis-Em

itter-E

rsatzwid

erstan

d rB

Egrafisch

un

d re

chn

erisch

un

d d

ime

nsio

nie

ren

Sie d

en

Vo

rwid

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d R

Bzu

r Ein

stellu

ng d

es A

rbe

itspu

nkts.

v)B

estim

me

n Sie

de

n Stro

mve

rstärkun

gsfaktor B

, die

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Strom

verstärku

ng β

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d d

ie Ste

ilhe

it S de

s Transisto

rs im

Arb

eitsp

un

kt.

vi)B

ere

chn

en

Sie d

en

Ve

rstärkun

gsfaktor v d

er V

erstärke

rstufe

.

19

Tran

sistor a

ls Scha

lter

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

48

12

UC

E/ V

IC/ m

A0 1 2 3

IB=

20

µA

IB=

16

µA

IB=

A

IB=

A

IB=

12

µA

Kn

iesp

an

-n

un

gslinie

BA

Sättigun

gsbe

reich

Spe

rrbe

reich

6.5

. De

r Tran

sistor a

ls Scha

lter

20

Üb

un

gsau

fgab

e 6

.2 (a

)

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

UB

De

r Schaltp

lan ze

igt ein

e ko

ntaktge

steu

erte

Transisto

rzün

du

ng fü

r O

ttom

oto

ren

. Dim

en

sion

iere

n Sie

die

Wid

erstän

de

R1

un

d R

2so

, d

ass jed

er Tran

sistor b

eim

Ein

schalte

n 1

0-fach

üb

erste

ue

rt ist!

R1

R2

T1

T2

RZ

21

Üb

un

gsau

fgab

e 6

.2 (b

)

6. B

ipo

lare Tran

sistore

n

Es gelte

n fo

lgen

de

Date

n:

•B

etrie

bssp

ann

un

g UB

= 1

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•W

ide

rstand

de

r Prim

ärwicklu

ng d

er Zü

nd

spu

le R

Z=

3,5

Ω

•Tran

sistor T

1 :B

1=

50

rBE

1=

3 Ω

UC

ESat1=

0,4

VU

S1=

0,7

V

•Tran

sistor T

2 :B

2=

30

rBE

2=

1 Ω

UC

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0,5

VU

S2=

0,6

V

22

Üb

un

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6. B

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lare Tran

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n

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2d

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en

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2b

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groß

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ng U

BE

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chn

en

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n W

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17

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lare Tran

sistore

n, M

OSFE

Ts

7. U

nip

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ren

, MO

SFETs

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me

nt

steu

ert.

2

Fun

ktion

swe

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7. U

nip

olare

Transisto

ren

, MO

SFETs

UD

S

n+

n+

Sou

rce (S)

Drain

(D)

Gate

(G)

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3

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7. U

nip

olare

Transisto

ren

, MO

SFETs

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S

n+

n+

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(D)

Gate

(G)

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+

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ktion

swe

ise (c)

7. U

nip

olare

Transisto

ren

, MO

SFETs

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-Halb

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r.

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en

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––

––

Sou

rce (S)

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(D)

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(G)

5

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n vo

n M

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Qu

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r Leh

rveran

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g Gru

nd

lagen

de

r Ele

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g. G. W

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, HS M

ün

che

n)

67

. Un

ipo

lare Tran

sistore

n, M

OSFE

Ts

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00

N-K

anal-M

OSFE

TA

nre

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ax=

0,4

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SFET

An

reich

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ngstyp

Ge

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0P

VM

ax=

75

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7.2

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un

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7

We

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SFET

7. U

nip

olare

Transisto

ren

, MO

SFETs

G

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UA

UB

RD

RS

CS

8

Strom

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ng m

it MO

SFET

7. U

nip

olare

Transisto

ren

, MO

SFETs

UB

ID

RL

G

S D

50 10

20

01

02

03

0

UD

S/ V

ID / mA

RL

= 1

,5 kΩ

RL

= 0

,75

RL

= 0

kΩ UG

S=

0 V

9

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re Stro

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bilisie

run

g

7. U

nip

olare

Transisto

ren

, MO

SFETs

UB

ID

RL

G

S D

RS

UG

S

UL

N-K

anal-M

OSFET

Ve

rarmu

ngstyp

10

Gle

ichstro

msch

alte

r im K

FZ

7. U

nip

olare

Transisto

ren

, MO

SFETs

G

S D

Steu

er-

gerät

RL

12

V

„Low

-Side

-Schalte

r“m

it N-K

anal-M

OSFET

(An

reich

eru

ngstyp

)

+–

G

D S

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„High

-Side

-Schalte

r“m

it P-K

anal-M

OSFET

(An

reich

eru

ngstyp

)(B

ord

ne

tz)

11

Üb

un

gsau

fgab

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08

/09

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7. U

nip

olare

Transisto

ren

, MO

SFETs

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erd

en

ein

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en

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esisto

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An

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-Kan

al�

MO

SFET

�V

erarm

un

gstyp

12

Üb

un

gsau

fgab

e 7

.1 (b

)

7. U

nip

olare

Transisto

ren

, MO

SFETs

Au

sgangske

nn

linie

nfe

ld d

es ve

rwe

nd

ete

n Tran

sistors:

13

Üb

un

gsau

fgab

e 7

.1 (c)

7. U

nip

olare

Transisto

ren

, MO

SFETs

ii.Ze

ichn

en

Sie d

ie K

en

nlin

ie d

es Fo

tow

ide

rstand

s in d

as Diagram

m e

in.

14

Üb

un

gsau

fgab

e 7

.1 (d

)

7. U

nip

olare

Transisto

ren

, MO

SFETs

iii.W

ie gro

ß ist d

er Stro

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elch

e Sp

ann

un

gen

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Sste

llen

sich b

ei

Be

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ng m

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10

0 lx

bzw

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10

00

lxe

in?

iv.Ze

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en

Sie d

ie A

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e d

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Au

sgangske

nn

linie

nfe

ld e

in. W

elch

e Sp

ann

un

gen

UA

erge

be

n sich

be

i Be

leu

chtu

ngsstärke

n vo

n E

= 1

00

lxu

nd

E =

10

00

lx?

v.W

elch

e Le

istun

g wird

be

i E =

10

00

lxam

Transisto

r in W

ärme

u

mge

setzt?

vi.W

elch

e Sp

ann

un

g UG

Skan

n in

de

r vorlie

gen

de

n Sch

altun

g auch

be

i se

hr gro

ße

n B

ele

uch

tun

gsstärken

nich

t üb

ersch

ritten

we

rde

n

(ne

hm

en

Sie n

ähe

run

gswe

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1=

0 Ω

an)?

Wie

groß

ist in d

iese

m Fall d

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usgan

gsspan

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ng U

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18

. Dig

italte

chn

ik

8. D

igitalte

chn

ikD

ie D

igita

ltech

nik

arb

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eg

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satz zu

r An

alo

gte

chn

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icht

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rliche

n so

nd

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iskre

ten

Sig

na

len

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kle

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Info

rma

tion

sein

he

it ist da

s Bit

(1 o

de

r 0, S

pa

nn

un

g o

de

r kein

e

Sp

an

nu

ng

).

Dig

itale

Sig

na

le w

erd

en

mit Lo

gike

lem

en

ten

(sog

. Gatte

rn) w

ie

NO

T, AN

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AN

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R u

nd

NO

R m

itein

an

de

r verk

pft. A

uch

kom

ple

xere

Sch

altw

erke

wie

Sp

eich

ere

lem

en

te (so

g. Flip

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s) bis

hin

zu P

roze

ssore

n sin

d le

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us so

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n G

atte

rn a

ufg

eb

au

t.

Be

ispie

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AN

D-G

atter

e1

a

e2

&e

1e

2a

2

De

r Inve

rter

8. D

igita

ltech

nik

ue

ua

10

V

10

00

Ω

47

00

Ω

Ve

rein

ba

run

g:u

> 9

V e

ntsp

richt „1

u <

1 V

en

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t „0“

t

ue

10

V

Ein

ga

ng

Au

sga

ng

e

a

1

3

Da

s NA

ND

-Gatte

r

8. D

igita

ltech

nik

ue

2

ua

ue

1

e1

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e2

&

e1

e2

a

4

Da

s NO

R-G

atter

8. D

igita

ltech

nik

ua

ue

1u

e2

e1

e2

ae

1

a

e2

≥1

5

Da

s RS-Flip

flop

(a)

8. D

igita

ltech

nik

Flip

flop

s (au

ch „b

istab

ile K

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stufe

“) ne

hm

en

zwe

i stab

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nd

e

ein

. Sie

sind

die

Gru

nd

ba

uste

ine

dig

itale

r Sp

eich

er.

Da

s sog

. RS-Flip

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kan

n a

us zw

ei N

OR

-Ga

ttern

au

fge

ba

ut w

erd

en

:

Q≥

1

≥1

Q _

6

Da

s RS-Flip

flop

(b)

8. D

igita

ltech

nik

uQ

Q

uQ Q

SR

Ein

RS

-Flip

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kan

n a

uch

mit zw

ei Tra

nsisto

ren

au

fge

ba

ut w

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en

.

Die

Se

t-/Re

set-E

ingä

ng

e w

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en

in d

iese

m Fa

ll mit e

ine

m m

ech

a-

nisch

en

Tastsch

alte

r be

tätig

t:

7

Da

s RS-Flip

flop

(c)

8. D

igita

ltech

nik

uQ

Q

uQ Q

SR

uQ

Q

uQ Q

SR

Zusta

nd

1:

Tran

sistor T

1 sp

errt,

Tran

sistor T

2 le

itet

Zusta

nd

2:

Tran

sistor T

2 sp

errt,

Tran

sistor T

1 le

itet

T1

T2

T1

T2

8

Ad

ditio

n vo

n D

ua

lzah

len

8. D

igita

ltech

nik

Za

hl a

:1

1 0

1 0

0 1

1

Za

hl b

:+

0 0

1 0

0 1

1 0

Su

mm

e:

an

bn

ün

-1

ün

sn

Za

hl a

:1

1 0

1 0

0 1

1

Za

hl b

:+

1 0

0 0

0 1

1 0

Su

mm

e:

9

Ad

die

rwe

rk für 4

-Bit-D

ua

lzah

len

8. D

igita

ltech

nik

0

Zahl a ��� �

Zahl b

��� �

Sum

me

��� �

10

Sub

traktio

n vo

n D

ua

lzah

len

8. D

igita

ltech

nik

0 1

0 1

0 0

1 1

–0

1 0

1 0

1 0

0 =

?

Za

hl a

:0

1 0

1 0

0 1

1

Za

hl b

:

Diffe

ren

z:

0 1

0 1

0 0

1 1

–0

1 0

1 0

0 1

0 =

?

Za

hl a

:0

1 0

1 0

0 1

1

Za

hl b

:

Diffe

ren

z:

11

Ad

die

r-/Sub

trah

ierw

erk

für 4

-Bit-D

ua

lzah

len

8. D

igita

ltech

nik

Zahl b

��� �

Zahl a ��� �

Sum

me

/Diff. ��� �

St0

St1

12

Arith

me

tisch-lo

gische

Einh

eit (A

LU)

8. D

igita

ltech

nik

Arith

me

tisch-lo

gische

Einh

eit

13

Ve

rein

fach

ter M

ikrop

roze

ssor

8. D

igita

ltech

nik

Ve

rein

fachte

r Mikro

pro

zesso

r

14

Üb

un

gsau

fgab

e 8

.1 (a

)

8. D

igita

ltech

nik

(WS 0

8/0

9 –

MB

, A3

)

Mit d

em

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f de

r folg

en

de

n Fo

lie a

bg

eb

ilde

ten

Ad

die

r-/Su

btra

hie

r-

we

rk so

ll von

de

r Za

hl 5

die

Za

hl 3

sub

trah

iert w

erd

en

.

a)

Bild

en

Sie

in zw

ei S

chritte

n a

us d

er D

ua

lzah

l +3

die

4-B

it-Du

alza

hl

-3. Tra

ge

n S

ie d

ie e

ntsp

rech

en

de

n D

ua

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len

in d

ie Ta

be

lle e

in.

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Trag

en

Sie

alle

die

se a

rithm

etisch

e O

pe

ratio

n b

etre

ffen

de

n

log

ische

n Z

ustä

nd

e 0

bzw

. 1 in

die

Ab

bild

un

g a

uf d

er fo

lge

nd

en

Folie

ein

.

Dezim

al

dual

15

Üb

un

gsau

fgab

e 8

.1 (b

)

8. D

igita

ltech

nik

= 1

= 1

= 1

= 1

Vo

ll-a

dd

iere

rV

oll-

ad

die

rer

Vo

ll-a

dd

iere

rV

oll-

ad

die

rer

16

Üb

un

gsau

fgab

e 8

.2 (a

)

3. D

igita

ltech

nik

a)

We

lche

log

ische

Fu

nktio

n w

ird in

de

r ab

ge

bild

ete

n D

igita

lscha

ltun

g

du

rch d

ie Tra

nsisto

ren

T1

/ T2

(Stu

fe 1

) bzw

. T3

/ T4

(Stu

fe 2

) ge

bild

et?

X

17

Üb

un

gsau

fgab

e 8

.2 (b

)

3. D

igita

ltech

nik

b)

Ze

ichn

en

Sie

die

Stu

fen

1 u

nd

2 m

it Log

ikg

atte

rn (a

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tt mit e

inze

lne

n

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sistore

n u

nd

Wid

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nd

en

). Ze

ichn

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Sie

alle

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rde

rliche

n

Ve

rbin

du

ng

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zwisch

en

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rn u

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au

ch d

ie b

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en

Ein

ng

e

E1

un

d E

2. (S

tufe

3 so

ll nich

t ge

zeich

ne

t we

rde

n!)

c)T

5ist e

in e

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che

r Ve

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r –d

ie La

mp

e le

uch

tet, fa

lls am

Pu

nkt X

ein

e lo

gisch

e 1

an

lieg

t. Ve

rvollstä

nd

ige

n S

ie d

as fo

lge

nd

e D

iag

ram

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19

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AN

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R), Z

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