Elektronik-Grundlagen I Elektronische Bauelemente · Struktur des integrierten MOS-Transistors bulk...

BTU Cottbus TI - Elektronische Grundlagen

Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering

Brandenburgische Technische Universität Cottbus

Elektronik-Grundlagen IElektronische Bauelemente

H. T. VierhausBTU Cottbus

Technische Informatik

- Einführung für Studierende der Universität Potsdam -




P-N-Übergang

p-dotiert n-dotiert

Verarmungs-schicht

R

Durchlaßrichtung: + -

Spannungsquelle

Sperrichtung: - +

HL-Kristall, Einkristall

+ -




p-n-Diode in Flußrichtung

n p

Sperrschicht

n (x)

p (x)p0

Konzentration

x

n0

lnlp

Verengung




p-n-Übergang in Sperr-Richtung

p n

Sperrschicht

+

-

Minoritätsträger




P-N-Diode in Sperrichtung

p n

Sperrschicht

Ausweitung




Strom-Spannungs-Kennlinie des p-n-Übergangs

Id

Ud

SperrstromIo

U0




Z-DiodeId

Ud

SperrstromIo

U0Uz

Durchbruch




Einweg-Gleichrichter

u (t) R

Diode

t

u (t)

i (t)

i (t)




Brücken-Gleichrichter

+

_

u(t)

R




Kapazität-Variationsdiode

u (t)

Ck

C

L Cvar

Ck

Uvar




Erstzschaltungen von realer passiver BauelementeWiderstand R L

Kondensator

C L

R

Spule L R

C




Ersatzschaltbild einer Diode

UD

IDD IDR

I D,BR C DDC S

RB




Lineare Kleinsignal-Ersatzschaltungen einer Diode

RB rD

CD

NF- Ersatzschaltbild HF- Ersatzschaltbild

LGRB rD

CDCG




Thyristor

P n p n

- Flußrichtung +

+ Sperrichtung -

Zünd-Elektrode




Thyristor-Kennlinie

Durchbruch

Sperrbereich Durchlassbereich

U

I

ohne Zündung

nach Zündung




Bipolare Transistor-Struktur

n p n

E B C

E-B-Sperrschicht B--C-Sperrschicht




Bipolarer Transistor mit äußerer Beschaltung

n p n

E B C

E-B-Sperrschicht B--C-Sperrschicht

- + +-

Rbe Rce

I e Ic

Ib

Emitter Basis Kollektor




Transistor-Schaltzeichen für bipolare Transistoren

npn-Transistor pnp-Transistor




Eingangskennlinie des bipolaren Transistors

U BE

I EU CB steigt

I C = 0




Arbeitspunkt-Einstellung

B

C

E

Vcc

GND

R1

R2

Rc

Re

Uce

Ic

Ib

Ausgangs-Kennlinienfeld

Arbeitsgerade

Arbeitspunktin out

Arbeitspunkt-Einstellung für Kleinsignalbetrieb




Uce

Ic

Ib


Lastkennlinie

"Sättigung"

BE-Diode

CB-Diode leitendgesp.

gesp.

leitend

Arbeitsmodus desTransistors

inaktiv

Sättigung

normalaktiv

inversaktiv

Inversbetrieb

B

C

E

Vcc

GND

R1

R2

Rc

Re

Uce

Ic

Ib


Arbeitsgerade

Arbeitspunktin out




Kleinsignalverstärker in Emitterschaltung

B

C

E

Vcc

GND

R 1

R 2

Rc

Re

in

outI q

C kC k

C eU be

I bI c




Kleinsignal-Ersatzschaltbild - NF

h11h21IIin

1 / h22I in




Kleinsignal-Ersatzschaltbild HF

b

e eGND

cb’r bb’

g b’ec b’e

c b’c

S21 u b’e

g ce c ce

des bipolaren Transistors in Emitterschaltung




Verstärker mit Transistor in Emitterschaltung bei höheren

Frequenzen

b

e eGND

cb’r bb’

g b’ec b’e

c b’c

S21 u b’e

g ce c ceR1 R2 RC




Großsignalbetrieb

Uce

Ic

Ib


Lastkennlinie

"Sättigung"

BE-Diode

CB-Diode leitendgesp.

gesp.leitend

Arbeitsmodus desTransistors

inaktiv

Sättigung

normalaktiv

inversaktiv

Inversbetrieb




Ebers-Moll-Ersatzschaltung

E C

B

I EB0 α F I E

I CB0α R I C




Großsignal-Ersatzschaltung für höhere Frequenzen

E C

B

I EB0α F I E

I CB0α R I C

C EB C CB

C CE




Integrierter Bipolarer Transistor

emitter

base

burried layer

n++p+

n-

n+

n++

collector

isolator

(vertical cut)

Grundsubstrat (Silizium)




Integrierter Bipolarer Transistor

Emitter

Basis

Kollektor

burried layer

n++p+

n-

n+

n++Isolator

Basis

(vergrabene Schicht)




Feldeffekt-Transistor

HL-Kristall

RD

+

-

Us

gate

drain

source




Stammbaum der FETsFET

J-FET

MESFETIGATE-FET

SI-MESFETGaAs-MESFET

GaAs-MODFET(Si)

GaAs-IGATE-FET

Si-MOSFET

n-Kanal p-Kanal

normal-on

normal-off

normal-off

normal-on

nMOS CMOS pMOS

normal-on

normal-off

GaAs-FET-ICs

bipolarBICMOS




n-Kanal-MOS-Transistor (Schnitt)

Silizium Grundsubstrat (p- dotiert)

SiO2 Sperrschicht

n+

Poly-SiliziumKon-takt

n+

MetallFeld-Oxid




n-Kanal MOS-Transistor (Funktion)

SiO2 Sperrschicht

n+


n+

Metall

RD

source draingate

+-

UGS

UDS

+-

- - - -

Kanal

UDS << UGS

UGS > Uth: Stromfluss

Uth: Schwellenspannung




n-Kanal MOS-Transistor: Abschnürung

SiO2 Sperrschicht

n+


n+

Metall

RD

source draingate

+-

UGS

UDS

+-

- - - -

Kanal Abschnürung

UDS > UGS

lleff




p-Kanal MOS-Transistor

Silizium Grundsubstrat (n- dotiert)

SiO2 Sperrschicht

p+


p+

MetallFeld-Oxid




p-Kanal MOS-Transistor, Funktion

SiO2 Sperrschicht

p+


p+

Metall

p p p p p

Kanal

Strom fließt, wenn die Gate-Elektrode gegenüber dem Kanaleine mindesten um Uth niedrigere Spannung hat !

drainsource

-+

gate

-+

UDS

UGS




Struktur des integrierten MOS-Transistors

bulk (p-) silicon

source drainn+ n+oxide

poly-silicon poly-silicon

source drainoxide

gate

bulk (n-) silicon

p+ p+

p-channel enhancementtransistor

gate

n-channel enhancement MOStransistor




MOS-Transistor: Kanal und Abschnüreffekt

bulk (p-) silicon

source drainn+ n+

oxidepoly-silicongate

leitenderKanal bulk (p-) silicon

source drainn+ n+

Ugs >> Uds

Ugs = Uds

leitenderKanal




Ausgangskennlinien des MOS-Transistors

Uds

Ids

Ugs alsParameter

SättigungsbereichAnlauf-bereich




n-Kanal-Typen

n-Diffusion

Polysilizium

selbstsperrend

selbstleitend

p-Kanal-Typen

selbstsperrend

p-Diffusion

Gate-Oxid

Feldoxidselbstleitend

n-Substrat

Uds < 0, Ugs > 0

p-Substrat n-Substrat

p-Substrat

Uds > 0, Ugs < 0

Uds > 0, Ugs > 0 Uds < 0, Ugs < 0

Metall




Kurzkanal-Effekte

p - Substrat

n + n+

Poly-Si

LkLkeff

dox

Tunnel-Effekt

SperrschichtSperrschicht

Source

GateDrain

Kanalverkürzung




Struktur des MOS-Transistors

p - Substrat

n + n+

Poly-Si

LkLkeff

dox

SperrschichtSperrschicht

Source

GateDrain

W




Ersatzschaltbild des MOS-Transistors

Rs

G

S D

Cgb

B

Cgd

Cdb

RdCgs Id




Struktur eines MESFET

Grundsubstrat (semi-isolierend)

n - Diff. n- Diff.

Gate DrainSource

Sperrschicht




Recessed-Gate-MESFET

Grundsubstrat

Gate

Source Drain

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