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

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1 Tilman Küpper E-Mail [email protected] Internet http://kuepper.userweb.mwn.de/ Vorlesungsfolien und alte Klausuren Im Internet und als Skript bei der Fachschaft Angewandte Elektronik Bachelorstudiengänge Maschinenbau, Fahrzeugtechnik, Automobilwirtschaft 2 Gliederung der Vorlesung 1. Einleitung 2. Grundlagen der Halbleiterphysik Bindungs- und Bändermodell, Stromfluss in Halbleitern 3. Homogene Halbleiterbauelemente Heiß-und Kaltleiter, Fotowiderstand, Hall-Sensor 4. Dioden Gleichrichterdiode, Fotodiode, Leuchtdiode, Zenerdiode 5. Anwendungen von Dioden in Stromversorgungseinheiten Gleichrichter für Ein-und Dreiphasenwechselstrom, Spannungsstabilisierung 6. Bipolare Transistoren NPN-und PNP-Transistor, Transistor als Verstärker und Schalter 7. Unipolare Transistoren, MOSFETs Aufbau und Funktion von MOSFETs, Anwendungen 8. Digitaltechnik (Studienschwerpunkt „Mechatronik“) Logikbausteine, Aufbau und Funktion von Mikroprozessoren 9. Bauelemente der Leistungselektronik (Studienschwerpunkt „Mechatronik“) Thyristor, Triggerdiode, Triac, Diac 10. Operationsverstärker Grundschaltungen, Anwendungen

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3

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11

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12

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12

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12

38

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bV

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II b

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I aV

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13

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15

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16

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17

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ritätsträge

r“).

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:

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19

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ngsträge

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r po

s. Ladu

ngsträge

r (z. B. Lö

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em

Qu

ersch

nitt A

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me

n

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s Ab

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21

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Ha

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ew

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):

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in e

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samm

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D

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de

r Löch

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nd

de

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de

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lektro

ne

n.

•Fü

r de

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en

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erstan

d u

nd

die

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Leitfäh

igkeit

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oh

l für re

ine

als auch

für d

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alble

iter):

22

Be

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sion

im W

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23

Zur B

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chn

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s Diffu

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2. G

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n d

er H

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A

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A =

Qu

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es

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ngsträge

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ted

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os. Lad

un

gsträger

(„Löch

er p

ro V

olu

me

n“)

Ipd

iff=

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sstrom

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24

Ist die

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nze

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gsträge

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t ko

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nt, tre

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Diffu

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sström

e a

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che

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as

Ko

nze

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nsge

fälle

au

szugle

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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

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ann

kon

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:

Diffu

sion

sstrom

im H

alb

leite

r

2. G

run

dlage

n d

er H

alble

iterp

hysik

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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

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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

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ne

nd

ichte

.

Üb

un

gsau

fgab

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)

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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

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Akze

pto

r od

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do

tiert?

Ge

be

n Sie

de

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Dich

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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

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eträgt N

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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.

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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

ie M

ino

ritätsträge

rdich

te in

d

er B

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?

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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

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rbin

du

ng m

it ein

er h

oh

en

Ladu

ngsträge

rbe

we

glichke

it füh

rt zu

ho

he

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riftgesch

win

digke

iten

de

r Lad

un

gsträge

r im e

lektr. Fe

ld.

•B

ei Erw

ärm

un

g de

s Ha

lble

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

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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)

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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

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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

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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.

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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)

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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:

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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

B.

•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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ien

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

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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

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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

lassen

ele

ktrische

n Stro

m n

ur in

ein

er R

ichtu

ng p

assiere

n

( Du

rchla

ssrichtu

ng, Flu

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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+

––

––

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––

++

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+

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––

––

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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

Ladu

ngsträge

r (Löch

er b

zw. fre

ie E

lektro

-n

en

) un

d d

er o

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

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3

pn

-Üb

erga

ng (b

)

4. D

iod

en

++

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+

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+

++

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+

––

––

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++

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––

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

++

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Du

rch R

eko

mb

inatio

n d

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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

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raktisch ke

ine

fre

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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

n A

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

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5

pn

-Üb

erga

ng (d

)

4. D

iod

en

++

++

+

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+

++

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+

––

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Be

i An

lege

n e

ine

r Span

nu

ng in

Du

rchla

ssrichtu

ng

fließ

en

Ladu

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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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

mlad

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

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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

–+

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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

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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

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Kath

od

e

Line

are

s Ersatzscha

ltbild

in

Du

rchla

ssrichtu

ng

Schw

elle

n-, Sch

leu

sen

spa

nn

un

g:

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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

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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

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me

n/ W

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10

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14

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= D

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iod

en

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in Te

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11

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en

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= 1

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LED

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n 2

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en

We

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n

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u

bla

u

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12

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13

Zen

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14

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be

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15

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un

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fgab

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rz=

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15

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Gle

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ge

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lpu

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altu

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ittelp

un

ktscha

ltun

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uls-B

rücke

nsch

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hstro

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n D

iod

en

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.

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3

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un

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uls-M

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ktscha

ltun

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4

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5

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g:

Oh

ne

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7

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Oh

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Zwe

ipu

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ne

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ng:

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oh

ne

Glättu

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Zwe

ipu

ls-Brü

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10

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en

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cken

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13

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14

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15

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19

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21

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29

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16

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5

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7

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9

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11

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13

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15

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17

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21

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17

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3

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5

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9

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11

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13

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14

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18

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3

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5

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7

Da

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igita

ltech

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Q

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Q

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T2

T1

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e:

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9

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ua

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igita

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11

Ad

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lzah

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8. D

igita

ltech

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12

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me

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gische

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ltech

nik

Arith

me

tisch-lo

gische

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13

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nik

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15

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un

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fgab

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ll-a

dd

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rV

oll-

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16

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17

Üb

un

gsau

fgab

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nik

b)

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ichn

en

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nd

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19

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3

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n Trigge

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un

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I

U

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5

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un

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Ku

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G d

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un

g UTr am

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un

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32

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altun

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en

?

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11

0. O

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ratio

nsv

erstä

rker

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s:

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erstä

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erstä

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trom

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rsorg

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ge

n, S

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r

•O

pe

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nsv

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Digita

le IC

s:

•G

atte

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R, N

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, XO

R), Z

äh

ler

•S

pe

iche

r

•P

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n, M

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Be

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rstä

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nso

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tärk

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gle

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.

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0. O

pe

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nsv

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rker

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grierte

Scha

ltun

gen

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3

Scha

ltsymb

ol, A

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10

. Op

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tion

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rstärke

r

4

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eratio

nsve

rstärke

r LM7

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, inte

rne

Scha

ltun

g

10

. Op

era

tion

sve

rstärke

r

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5

Üb

ertra

gun

gsken

nlin

ie

10

. Op

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Die

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7

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