SkriptElektronik SS2019 V38 - tu-ilmenau.de · 3 Bedeutung der Elektronik Heute unzählige Gebiete...
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ELEKTRONIK Grundlagen der Elektronik / Einführung in die Elektronik
Dr. Gernot Ecke TU Ilmenau, FG Nanotechnologie, Institut für Mikro- und Nanotechnologien, Feynmanbau, Raum 315 [email protected] Verbesserungen und Korrekturen bitte an: [email protected]
Literatur: - Skript Elektronik - Lehrbriefe Grundlagen elektronischer Bauelemente Köhler / Mersiowski, Nachauflage durch Buff / Hartmann, TU Ilmenau 1998 - www.elektronik-kompendium.de - Elektronik für Physiker K. H. Rohe Teubener Studienbücher; ISBN 3-519-13044-0 - Gerthsen Physik H. Vogel Springer Verlag, 20. Auflage, ISBN 3-540-65479-8
- Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik H. Lindner, H. Brauer, C. Lehmann Carl Hanser Verlag, Leipzig 2008, ISBN 978-3-446-41458-7
- Lehr- und Übungsbuch Elektronik
G. Koß, W. Reinhold, F. Hoppe Carl Hanser Verlag, Leipzig 2005, ISBN 3-446-40016-8 V38
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0. Vorbemerkungen Begriffe: Elektronik: Lehre von der Steuerung von Elektronen, Elektron (gr.) = Bernstein Unter Elektronik wird zweierlei verstanden: 1. diejenige Disziplin der Physik, die sich mit dem Verhalten elektrischer Ladungen in Gasen, Leitern, Halbleitern und im Vakuum befasst; 2. den hierauf aufbauenden Teilbereich der Elektrotechnik Entwicklung, Modellierung und Anwendung elektronischer Bauelemente Elektronische Bauelemente: Bauelemente der Elektrotechnik ohne mechanische Bewegungen: - passive elektronische Bauelemente - aktive elektronische Bauelemente - vakuumelektronische Bauelemente - festkörperelektronische Bauelemente - Bauelemente sind z. B.: Widerstände Kondenstoren Spulen Dioden Transistoren Thyristoren Leuchtdioden Fotodioden Laserdioden LCD-Displays Integrierte Schaltungen (IC) Unterteilung der Elektronik in: - Analogelektronik kontinuierliche Signale,
Leitung, Verstärkung, Verarbeitung Verstärker wichtigste Schaltung, OPV, Oszillator, Filter - Digitalelektronik Verarbeitung diskreter Zustände (1,0)
- Mikroelektronik Miniaturisierung und Integration von Bauelementen zu komplexen Schaltungen - Leistungselektronik Erzeugung, Umwandlung, Verteilung und Regelung von großen Leistungen (Motorsteuerungen, Lichtdimmer, Kraftwerkstechnik) - Hochfrequenzelektronik Signale hoher Frequenz, elektromagnetische Wellen, Funk, drahtlose Übertragung, Satelitenempfang, Mobiltelefonie, Radar - Optoelektronik Umwandlung von elektrischer Leistung Licht LED, Laser-Diode Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung Elektrizität Photodiode, Solarzelle, Sensorik - Akustoelektronik
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Bedeutung der Elektronik Heute unzählige Gebiete (Nanoelektronik, Quantenelektronik), Computertechnik, Informationstechnik. Nicht wegzudenken, großer Stellenwert in der Gesellschaft Großer Umsatz in der Industrieproduktion.
- derzeit Wachstum aller Elektronik-Produkte in Asien/Pazifik, bes. China Asien/Pazifik: Bauelemente und Baugruppen: 2012: ca. 54% Westeuropa ca. 15 %: Reihenfolge: Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien
Geschichte der Elektronik - Bettet sich in die allgemeine Geschichte der Technik und speziell in die Geschichte der Elektrotechnik ein. www.telecent.de/geschichte.php Technikgeschichte, Elektrotechnik 600 v. Chr. Thales von Milet beobachtete die elektrisierende Wirkung von Bernstein 47 n. Chr. Spannungsschläge des Zitterrochens zur Behandlung bei Kopfschmerzen um 1600 Unterschiede in der magnet. Wirkung und Bernsteinwirkung werden erkannt 1663 Otto von Guericke - Versuche zur Elektrizität Elektrisierungsmaschine aus Schwefelkugeln (Vakuum) 1670 Isaac Newton – viele Versuche – Versuche zur Elektrizität 1750 Benjamin Franklin – Blitzableiter 1774 Erste Herzwiederbelebung mit elektrischen Schlägen 1802 zwei Wege, mit Strom Licht zu erzeugen, werden vorgestellt: glühende Metalldrähte und Lichtbogen zwischen 2 Kohlen, Sir Humphry Dary 1801 Volta, erste Batterie 1821 Oerstedt, Ampere magnetische Wirkung elektr. Stroms, Kräfte 1848 erste elektrische Morselinie in Europa erste elektrische Beleuchtung mit Bogenlampen in Paris ab 1850 Bau von Generatoren und Elektromotoren 1854 Heinrich Goebel: erste Glühlampe mit verkohlten Bambusfasern 1876 Bell: erstes Telefon, Gründung der Bell Telephone Company 1883 Erfindung des Transformators 1895 W.C. Röntgen – Entdeckung der Röntgenstrahlen 1898 Metalldraht aus Osmium für Glühlampen
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spezielle Geschichte der Elektronik zuerst Elektronenröhre Edison 1884 in Glühlampe fließen Elektronen von Glühwendel zu einer weiteren Elektrode
EDISON-Effekt: polt man U um, kein Strom! daraus 1906 von Lee d. Forest, R. von Lieben: TRIODE
ab 1910 - neue Anordnungen von Gittern und Kathode konzentrisch, neue Materialien 1913 – erstes Patent zur Mehrgitterröhre Langmuir damit ab 1. Weltkrieg: Röhren als Gleichrichter und Verstärkerbauelemente Grundlage für Radios, Radar, Verstärker, Funk Speziell: Geschichte der Halbleiterelektonik 1823 Jöns Jacob Berzelius (S) entdeckt Si 1874 Ferdinand Braun entdeckt den Gleichrichtereffekt ab 1925 Halbleitergleichrichter aus Kupferoxydul 1947 Bardin, Brattain Shockley Erfindung des Transistors aus Germanium (Ge seit 1886 bekannt, Clemens Winkler (D)), dafür 1956 – Physik- Nobelpreis, da schon erste Transistorradios! 1958 Erste integrierte Schaltung von Texas Instruments von der Elektronenröhre zum IC: kleiner - schneller - billiger höhere Lebensdauer, höhere Zuverlässigkeit , geringerer Energieverbrauch Start der Entwicklung der IC-Industrie: Tendenzen: Miniaturisierung (< 100 nm) neue Materialien (GaAs, GaN, SiC…) insbesondere für Spezialanwendungen HF, Leistung, Optoelektronik neue Konzepte und Prinzipien Quanteneffekte, HEMT Integration von Gesamtsystemen MEMS Mikroelektromechanische Systeme NEMS Nanoelektromechanische Systeme MOEMS Mikrooptoelektromechanische Systeme
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1. Eigenschaften fester Körper 1.1 Metalle
- Metalle sind dadurch gekennzeichnet, dass die Atome ihre Valenzelektronen leicht abgeben. daraus resultieren - gute Leitfähigkeit
- Undurchsichtigkeit - Reflexion und Glanz
Elektronen bilden im Metall-Festkörper das Elektronengas (nach P. Drude, A. Lorentz) Legt man eine Spannung über ein Metall an, dann fließt ein Strom:
Die Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt:
l
UE amF e
em
eEa
mit : kgm
Ase
e31
19
10109,9
10602,1
freie Flugdauer bis zum Stoß mit einem Rumpfatom:
m
eEv
Die Geschwindigkeit ist der thermischen Bewegung überlagert:
smvth
510 bei T = 300 K
diese ist aber ungerichtet, Wimmelbewegung. mittlere Geschwindigkeit, Driftgeschwindigkeit:
eD m
eEv
2
1
6
Beweglichkeit: Proportionalitätskonstante zwischen v und E:
Ev E
v
m
e
2
1
Leitfähigkeit: m
nene
2
2
1 (später Herleitung)
Strom durch einen Metalldraht:
t
QI
mit Driftgeschwindigkeit: t
svD
alle Elektronen im Volumen V durchdringen in t die Fläche A Anzahl sAnN = Vn Ladung sAneQ
Strom DvAnet
sAneI
EnAeI l
UE
Ul
nAeI
Proportionaler Zusammenhang: I ~ U (Ohmsches Gesetz!)
R
UI mit
Ane
lR
A
l
A
lR
1
1 ne
7
1.2 Energiebänder im Festkörper Potential um ein Einzelatom:
Potential um Atome im Festkörper:
zwei Effekte: 1. die Potentialkurven überlagern sich 2. die Energieniveaus spalten sich zu Bändern auf und verbreitern sich Je näher sich die Atome kommen, desto weiter werden die Bänder.
8
1.3. Fermi-Gas - die Elektronen eines Festkörpers versuchen innerhalb der erlaubten Bänder energetisch niedrige Zustände zu besetzen. - Fermi-Verteilung /Fermienergie kennzeichnen die Grenze der Besetzung mit Elektronen.
Bei Temperaturerhöhung „verwischt“ die scharfe Grenze
Verteilungsfunktion.: Fermi-Verteilung:
1exp
1
kT
WWWf
F
k = Bolzmann Konstante = KJ231038,1
9
T = Absoluttemperatur kT 25 meV bei 300K Metalle: Elektronen im Leitungsband: frei beweglich - hohe Leitfähigkeit
z.B. Kupfer: 17106 cm
Vs
m2210 (niedrig!)
22
105.8 n cm-3 Beweglichkeit ist temperaturabhängig! 1.4 Isolator
keine Elektronen im Leitungsband kein Stromfluss möglich! Spezifische Widerstand/Leitfähigkeit ist eine der Stoffeigenschaften, die den größten Bereich überspannt (40 Größenordnungen!!!)
eVJ
VAs
NmJ
18
10242,61
1
1
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
ParaffinDiamantGlasSchieferReinstes Wasser
reines Ge
Ag
Au, Cu
SnPb
Hal
blei
terlg
[ cm]
10
1.5. Halbleiter Halbleiter sind: Elemente und Verbindungen der 4. Hauptgruppe IV Verbindungen aus 3. + 5. HG III - V Verbindungen aus 2. + 6. HG II – VI Beispiele: IV Si, Ge, SiC III – V GaAs, AlAs, InAs, InP, GaN, InN, AlN, In Sb II – VI ZnSE, CdS, CdTe … ZnS verschiedene Kristallgittertypen:
Diamantgitter (kfz) Zinkblendegitter Hexagonales Gitter (Wurzit) Si GaAs, ZnS, CdS GaN, SiC 1.5.1. Reine Halbleiter, Eigenhalbleiter (alles am Beispiel des Si)
WF
W
Energieniveauschema
Leitungsband
Valenzband
f(W)
WG
WC
WV
verbotene Zone, Gapca. 1,1 eV bei 300K
Zustandsdichte Funktion
W
x Bei Raumtemperatur sind beim Si nur ca. 1010 Elektronen pro cm3 im Leitungsband (bei Cu 1022 !) … bei niedrigeren Temperaturen noch weniger!
11
Gap-Energien WG für verschiedene Halbleiter: Si 1,12 eV GaN 3,37 eV Ge 0,67 eV InN 0,7 eV SiC 2,36 … 3,28 eV InP 1,27 eV GaAs 1,43 eV (AlN 6,2 eV) Für jedes Elektron im Leitungsband fehlt ein Elektron im Valenzband. Elektronen können vom Valenz- ins Leitungsband durch Energie angehoben werden Energie > WG Photon Licht Phonon Wärme
stark unterschiedliche Beweglichkeiten (Si) Vs
cmn
2
1350
Vs
cmp
2
480
Anzahl ist gleich! inpn
in Eigenleitungsdichte
in ist abhängig - von der Temperatur
- von der Breite der verbotenen Zone WG
32 ~Tni , kT
W
i
G
en ~2
12
kT
W
i
kT
W
i
i G
GeTn
en
Tn22
3
2
23
~
~
~
0
1
2
2
23
0
23
1
0
1
kT
W
kT
W
i
i
G
G
e
e
T
T
Tn
Tn
01 22
23
0
1 kT
W
kT
W GG
eT
T
01
11
22
3
0
1 TTk
WG
eT
T
10
0
10
1
22
3
0
1 TT
T
TT
T
k
WG
eT
T
1
0
0
12
23
0
1 T
T
kT
WG
eT
T
1
0
0
12
23
0
101
T
T
kT
W
ii
G
eT
TTnTn
310105,1300 cmKni
- bei 0 K gibt es keine elektrische Leitung im Halbleiter - bei Metallen sinkt die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur (Beweglichkeit sinkt) en
n
- bei undotierten Halbleitern steigt die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur (Ladungsträgerkonzentration steigt) pne pn
1.5.2 gestörte Halbleiter, dotierte Halbleiter
jede Störung des Kristallgitters kann zusätzliche Energiezustände für Elektronen erzeugen, die oft in der Bandlücke liegen z. B. - nichtstöchiometrische Zusammensetzung bei Verbindungshalbleitern - Fremdatome (Dotierung, Verunreinigung) - unbesetzte Gitterplätze (Leerstellen) - Teilchen auf Zwischengitterplätzen
13
- Kristallgrenzen, Oberflächen - Versetzungen
ungewollt / gewollt. 1.5.2.1 n-Dotierung
Einbau eines 5-wertigen Atoms auf dem Gitterplatz eines Si-Atoms, üblich P, As, N, Sb Schematisch:
Das 5-wertige Atom heißt „Donator“ Konzentration von P im Si: ND Bei Raumtemperatur sind alle Donatoren ionisiert: nND (Störstellenerschöpfung) Normale Dotierungskonzentration = 1 P auf 107 Si Hohe Dotierungskonzentration = 1 P auf 104 Si (0,01%) Welche Konzentration? Si 3221099,4 cmN Si
Normale: 315105 cm Hohe: 318105 cm
- In einem Halbleiter, der Elektronen und Löcher enthält, wird durch n-Dotierung mit Phosphor die Konzentration der Elektronen erhöht (z. B. von 310105,1 cm auf
315105 cm ). Für die Löcher steigt die Wahrscheinlichkeit, auf ein Elektron zu treffen und zu rekombinieren Die Löcherkonzentration p sinkt. Es gilt das Massenwirkungsgesetz:
2
inpn
P besitzt 5 Valenzelektronen 4 werden für die Bindung benötigt 1 wird frei – ins Leitungsband
Phosphor wird bei Raum- temperatur ionisiert
ePP Ferminiveau steigt energetisch
14
Elektronen – Majoritätsladungsträger DNn
Löcher – Minoritätsladungsträger D
ii
N
n
n
np
22
, stark temperaturabhängig
Einbringen von Fremdatomen (Dotierung) erfolgt durch - Diffusion (Wärme, Diffusionsquelle Festkörper, Flüssigkeit) - Implantation (Ionenbeschuss) + Ausheilen
1.5.2.2 p-Dotierung
Einbau von 3-wertigen Atomen auf den Gitterplatz von Si, z.B.: B, Al, Ga Schematisch: Das 3-wertige Atom heißt „Akzeptor“ Konzentration von B im Si = AN
Bei Raumtemperatur sind alle Akzeptoren ionisiert pN A (Störstellenerschöpfung) Normale Dotierungskonzentration: 1 B auf 610 Si = 316105 cm
Hohe Dotierungskonzentration: 1 B auf 410 Si = 318105 cm
- Erhöhung der Löcherkonzentration Verringerung der Elektronenkonzentration. Löcher – Konzentration ANp Majoritätsladungsträger
Elektronen-Konzentration A
ii
N
n
p
nn
22
Minoritätsladungsträger
Die Minoritätsladungsträgerkonzentration ist stark temperaturabhängig!
B bei Raumtemperatur ionisiert
eBB Ferminiveau sinkt energetisch
2
inpn
B besitzt 3 Valenzelektronen 4 werden benötigt 1 vom Si aus der Nachbarschaft Loch wird erzeugt
15
2. Passive elektronische Bauelemente 2.1. Widerstände 2.1.1 Festwiderstände
- fester Widerstandswert - Einheit Ω - lineare Strom – Spannungskennlinie
I
UR
AAR
1
Anstieg dU
dI überall gleich -
R
1
Einheit A
V11
- verschiedene Bauformen: Drahtwiderstand Kohleschichtwiderstand Metallschichtwiderstand Metalloxidwiderstand - Eigenschaften technischer Widerstände Typ max,VP max,oT R RR / R
[w] [°C] [Ω] % [1/K] Draht 0,5-600 200-350 51 1010 0,1-10 +10-4 Kohleschicht 0,1-5 125 121 1010 1-20 -10-4 … - 10-3 Metallschicht 0,1-2 170 70 1010 0,1-2 10-6 ... 10-4 Metalloxid 0,5-200 180-250 61 1010 2-10 ±10-5 ... ±5*10-4
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Kennzeichnung der Widerstände durch Farbcodes in den Farbcodes: Zahl, Einheit (Widerstandswert) Toleranz Betriebsspannung TK
Widerstandsrechner: http://www.uni-ulm.de/wwe/PHP/widerstand2.php Beispiel:
Widerstandsstaffelung (Werte errechnen sich durch E-Reihen)
Formel: in
iR 10
n = Nummer der E-Reihe 23 n , a=1,2,3 … (6 12 24 48 96) - 96 Werte zwischen 1 und 10 kΩ bei E96
- Toleranzen: Toleranzen leiten sich aus den E-Reihen ab: z. B. E24
- je höher die E-Reihe, desto enger die Toleranzen
E3 = über 20 %, E6 = 20 %, E12 = 10%, E24 = 5 %, E48 = 2 %, E96= 1 %, E192 = 0,5 %
E6 E12 E24 E6 E12 E24
20% 10% 5% 20% 10% 5%
1,00 1,00 1,00 3,30 3,30 3,33
1,10 3,60
1,20 1,21 3,90 3,90
1,30 4,30
1,50 1,50 1,50 4,70 4,70 4,70
1,60 5,10
1,80 1,80 5,60 5,60
2,00 6,20
2,20 2,20 2,20 6,80 6,80 6,80
2,40 7,50
2,70 2,70 8,20
3,00 9,10
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Temperaturabhängigkeit wird linearer vereinfacht angegeben durch den Temperaturkoeffizienten α Allgemeine Gleichungen für die fiktive physikalische Größe G
T
TG
TGGTK
0
1 TTKTGTG 10
Angewendet auf den Widerstand R
T
R
R
20
1 TRR 120
20TTT
Thermische Belastbarkeit: - durch die umgesetzte Leistung IUP wird der Widerstand warm - Temperatur darf die Maximaltemperatur nicht überschreiten -> maximale OF-Temp.
Integration von Widerständen: In IC werden Widerstande durch dotierte Gebiete in Halbleitern hergestellt, die oftmals lang und schmal sind und Mäanderform bekommen. 2.1.2 Andere Widerstände Einstellbare Widerstände
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- Widerstandswert durch Drehen oder Schieben zwischen 0 und Maximalwert einstellbar - lineare, logarithmische und exponentielle Kurvenläufe möglich - Anwendung: Lautstärkeregler, Einstellung des Arbeitspunktes Temperaturabhängige Widerstände:
Spannungsabhängige Widerstände, Varistoren, VDR:
2.2. Kondensatoren 2.2.1. Allgemeines Kapazität = Ladungsspeicherung
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Formeln: dU
dQC
d
AC r 0
Vm
As120 10854,8
Tabeller
U
QC
dt
duCi dti
Cu
1
Einheit: FV
As gebräuchlich pF, nF, µF
Bei Wechselspannung: tUu sin0
0Ii sin 90t
20
Im Zeitbereich: Ersatzschaltbild für hohe Frequenzen - Zuleitungsinduktivität - Induktivität von Wickelkondensatoren - Zuleitungswiderstand - Widerstand des Dielektrikums - Widerstand der Außenisolation (Lack) 2.2.2. Technische Ausführungen von Kondensatoren Keramik – Kondensatoren Dielektrikum Keramik =13 …50000 0,5 pF … 0,2 µF, verschiedene Qualitätsklassen und TK Keramik, auf beiden Seiten Metall aufgedampft Folienkondensatoren/Wickelkondensatoren zwischen zwei Metallfolien Kunststoff oder Papier, Metall meist auch aufgedampft Werte < 10 µF, selbstheilend Polyester, Polykarbonat, Polystyrol u.a.
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Speziell: Styroflexkondensatoren Dielektrikum Polystyrol Spezielle Herstellungstechnologie geringe dielektrische Verluste, geringe Alterung, linearer TK Elektrolytkondensator
32OAl hohe Dielektrizitätskonstante 10~r
hohe Spannungsfähigkeit 800 V/µm
Polarität beachten! Säure löst Oxid auf bei falscher Polung Formierspannung bestimmt die Oxiddicke: 1,2 nm/V Große Kapazität, weil A groß, d klein, groß C > 10 µF… F Materialdaten der drei in der Elektronik verwendeten Elektrolytkondensator-Bauarten: Anode Dielektrikum rel. Dielektrizitätskonstante Spannungsfestigkeit V/µm Aluminium Al2O3 8.4 700 Tantal Ta2O5 28 625 Niob Nb2O5 42 455
22
Gold-Cap-Kondensatoren Spezieller Kondensator (Panasonic) aus Aktivkohle + Elektrolyt dielektrische Doppelschicht wirkt als Dielektrikum Parallelschaltung vieler kleiner Kapazitäten mit Verbindungswiderständen
Nicht für HF oder NF-Anwendungen, sondern Spannungsversorgungen, Pufferbauelemente steht zwischen Kondensator und Akkumulator, typische Werte: 0,1 F….10 F…12000 F Veränderliche Kondensatoren/ Drehkondensatoren Aufbau:
Isolation: Luft oder Kunststoff
Variation max0 CC
lineare Einstellung KC , 1800 Getriebe, Seilzüge... mechanische Konstruktion Hauptanwendung: Senderwahl in Analogradios Einmalige Einstellung: Trimmer 2.3. Spulen 2.3.1. Allgemeines
Symbol: alt:
Haupteigenschaft der Spule ist ihre Induktivität Formelzeichen: L
Einheit: Henry A
VsH 1 (Joseph Henry 1797 – 1878)
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Wird ein Leiter von einem veränderlichen Strom durchflossen, so induziert das vom Strom erzeugte veränderliche Magnetfeld eine Spannung U(t)
dt
dILU ind
angelegte Spannung und Selbstinduktionspannung sind einander entgegengesetzt und gleich groß
dt
dILUU ind
für Sinussignal IwLjU komplexe Schreibweise LwjZ L im Zeitbereich:
Induktivität einer Zylinderspule (l>>d)
l
AµµNL r02 Spulenlänge: l , Kernquerschnitt: A , Windungszahl: N
0µ = mag. Permeabilität des Vakuums
As
µVs
m
Hµ 26,11025664,1 6
0
rµ = relative Permeabilität, Eisen: 2000 … 5000
24
reale (verlustbehaftete) Spule: der Draht besitzt einen ohmschen Widerstand
Ersatzschaltbild:
Im
j Lω
ReR
Z =L δ
in kompl. Darstellung
L
R
tan
1tanarctan QarcL
R
Güte einer Spule
tan
1
R
LQ
25
2.3.2. Technische Ausführung von Spulen
Spulendraht guter Leiter, meist Cu, isoliert mit Lack für hohe Frequenzen HF-Litze (> 100 kHz Oberflächenleiter)
entweder Kern aus Luft (Luftspulen) oder:
2.3.3. Spezielle Anwendungen von Spulen 2.3.3.1 Das Relais
- ein durch elektrischen Strom betriebener Schalter - Steuerstromkreis Laststromkreis
niedrige Spannung, hohe Spannung niedrige Leistung hohe Leistung
Relaistypen: Kleinrelais (DIL, SMD) Schütz (Relais für hohe Leistungen) Fernmelderelais Bistabile Relais /Stromstoßrelais (Licht, Drehkern) REED-Relais in Glas gekapselte Kontakte (rechts)
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2.3.3.2 Der Transformator
Zusammenschaltung von 1, 2 oder mehreren Spulen auf einem gemeinsamen Kern, zur Transformation von Wechselspannungen.
Primärspule vom Wechselstrom durchflossen erzeugt veränderliches Magnetfeld induziert Wechselspannung in der Sekundärspule.
Gesetzmäßigkeiten: P
S
S
P
S
P
I
I
N
N
U
U
SP PP
das gilt nur im Leerlauffall! praktisch und unter Nennlast: Verluste in Transformator PV (durch elektrischen Spulenwiderstand, Wirbelströme und Ummagnetisierung) Kernverlust Wicklungsverluste belastungsunabhängig belastungsabhängig
z. B. 1,0P
V
P
P 10 % Verluste
Sekundärspule benötigt eine höhere Wicklungszahl als berechnet:
P
V
SKorrSEK
P
PU
U
1
Praktische Ausführung von Transformatoren: Eisenkerntransformatoren (Eisenlamellen) Ferritkerntransformatoren/Ringkerntransformatoren - je größer der Trafo, desto besser der Wirkungsgrad (< 99,8 %) - übertragene Leitung steigt mit der 4. Potenz der Größe - Oberfläche wächst nur quadratisch Kühlprobleme Ölkühlung
27
2.4. Zusammenschaltungen passiver Bauelemente 2.4.1. Hochpass/Tiefpass 2.4.1.1. Der Tiefpass Tiefpass lässt tiefe Frequenzen durch und dämpft hohe Frequenzen:
Übertragungsfunktion:
e
a
u
u Rechnung im Komplexen
tUu ee sin
Amplitude und Phase, im Zeitbereich
Komplexe Rechnung ist in der Lage, Amplitude und Phase zu berücksichtigen! drei Darstellungen im Komplexen sind möglich:
ImRe jZ
iBeZ
sincos jBZ
Berechnung der komplexen Übertragungsfunktion einfach (im Seminar)
aus der komplexen Übertragungsfunktion
e
a
U
U
können das Verhältnis der Amplituden und der Phasenwinkel
22 ImRe
e
a
U
U
Re
Imarctan berechnet werden
28
Darstellung des Amplituden- und Phasenganges in doppelter logarithmischer Darstellung üblich: Darstellung in dB (Dezibel): dB Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung bei Dämpfung und Verstärkung:
dBP
PL
2
1lg10
Wenn man Spannungsverhältnisse darstellt.
2~ UP
dBU
UdB
U
UdB
P
PL
2
122
21
2
1 lg20lg10lg10
1 Dekade
bei Leistungen 10dB
bei Spannungen 20 dB Übertragungsfunktion des Tiefpasses in dB
102
103
104
105
106
10- 2
10- 1
100
Tiefpass
Am
plitu
den
verh
ältn
is
Frequenz in Hz
102
103
104
105
106
-100
- 80
- 60
- 40
- 20
0
20
40
60
80
100
Tiefpass
Pha
sen
dre
hun
g [
°]
Frequenz in Hz
102
103
104
105
106
Grenz fr equenz
-40
dB-2
0 dB
0 d
B
Tiefpass
Am
plitu
de
nver
häl
tnis
Frequenz
29
Grenzfrequenzen des Tiefpasses: ǀReǀ=ǀImǀ, Schnittpunkt der Verlängerung der linearen Bereiche
RC
fG 21
RCG
1 RCG
Bei der Grenzfrequenz: Abfall des Amplitudenverhältnisses auf
71,02
1 oder auf -3dB
2.4.1.2. Der Hochpass Der Hochpass lässt hohe Frequenzen ungehindert durch und bedämpft tiefe Frequenzen.
Komplexe Übertragungsfunktion
e
a
U
U
im Seminar
Daraus ableitbar das Amplitudenverhältnis
e
a
U
U
und Phasenlage
Grenzfrequenz wird genauso berechnet wie beim Tiefpass
102
103
104
105
106
10- 2
10- 1
100
Grenzfrequenz
Tiefpass Hochpass
Am
plit
ud
en
verh
ältn
is
Frequenz in Hz
102
103
104
105
106
-100
- 80
- 60
- 40
- 20
0
20
40
60
80
100
Tiefpass Hochpass
Pha
sen
dre
hun
g [
°]
Frequenz in Hz
30
Zusammenschaltung von Hoch- und Tiefpass = Bandpass
Hochpass Tiefpass
fg1
B
fg2
f2f1
-3dB
lgUa
Ue lg f
Bandbreite B ist die Differenz der Frequenz 12 ff , bei denen das Signal auf -3 dB abgefallen ist - Frequenzen zwischen 1f und 2f werden durchgelassen
- mittlere Frequenz = geometrisches Mittel 210 fff
- Bandbreite 12 ffB - hohe und tiefere Frequenzen werden bedämpft. 2.4.2. Der Schwingkreis Zusammenschaltung von Spule und Kondensator Erklärung, wie es zur Schwingung kommt, durch abwechselnde - Speicherung von elektrischer Energie im Kondensator - Speicherung von magnetischer Energie im Magnetfeld der Spule idealer Schwingkreis -> real kommt es zur Bedämpfung durch ohmsche Widerstände, Abklingen der Schwingung
31
zwei Spezialfälle des Schwingkreises 2.4.2.1. Der Parallelschwingkreis
Spule Kondensator Zusammenschaltung
Bei einer bestimmten Frequenz 0f sind die beiden Blindwiderstände von Spule und Kondensator
betragsmäßig gleich groß:
C
L
1
Der resultierende Strom wird zu 0, der Widerstand groß eine bestimmte Frequenz, gerade 0f , wird nicht durchgelassen!
im Resonanzfall:
c
L
1
CL
12
LC
1
Resonanzfrequenz LC
f2
10
Realer Schwingkreis Widerstände vorhanden, die bedämpfen charakteristischer Wert für die „Güte“ eines Schwingkreises (wie lange kann die Schwingung aufrechterhalten werden)
Güte L
CRQ P mit RP – paralleler Äquivalenzwiderstand
- über beiden Bauelementen liegt die gleiche Spannung - unterschiedlicher Strom
32
- die Güte bestimmt auch die mögliche Abweichung von der Resonanzfrequenz hohe Güte steile, schmale Kurven kleine Güte breite, flache Kurven
- B (Bandbreite) B
fQ 0
12 ffB bei 12 , ff ist die Schwingungsamplitude auf -3 dB bzw.
auf2
1 abgefallen
120 fff
2.4.2.2. Der Reihenschwingkreis
- durch beide Bauelemente fließt der gleiche Strom - Spannungen können verschieden sein. bei der Resonanzfrequenz 0f heben sich die Spannungen auf trotz
fließendem Strom I fällt keine Spannung ab Widerstand 0 eine bestimmte Frequenz wird durchgelassen!
Resonanzfrequenz wie beim Parallelschwingkreis LC
f2
10
Spule Kondensator Zusammenschaltung
Formeln für B, 1f und 2f gelten sinngemäß genauso, jedoch C
L
RQ
1
Erzwungene Schwingungen am Reihenschwingkreis: Externer Oszillator (Wechselspannungsquelle) wird an L-C-Schwingkreis angeschlossen bei f f0 kein Strom
bei 0ff Widerstand wird zu 0
Resonante Schwingung wird angeregt Spannungs- und Stromamplituden steigen!
33
3. Aktive elektronische Bauelemente 3.1. Halbleiterdioden 3.1.1. Der p-n-Übergang Ströme im Halbleiter Der Feldstrom: hervorgerufen durch elektrische Feldstärke EpµnµeJ pn aus vJ
und µEv
allgemein gilt: pµnµe pn
bei dotierten Halbleitern ein Beitrag meist vernachlässigbar Der Diffusionsstrom:
Bei Konzentrationsgradienten diffundieren bewegliche Ladungsträger von Orten hoher Konzentration zu Orten niedriger Konzentration. hervorgerufen durch Konzentrationsgradienten
Elektronenstrom dx
dnDeJ nDn
Löcherstrom dx
dpDeJ pDp
34
Diffusionskoeffizienten hängen von der Beweglichkeit ab: (Nach Nernst, Townsend, Einstein)
e
kTµD p
p
e
kT
Temperaturspannung, e
kT bei 300 k = 25.83 mV
3.1.1.1. p-n-Übergang im stromlosen Zustand
Symmetrischer p-n-Übergang, abrupt mit konstanter Dotierung (Modellfall, real meist komplizierter)
Dotierprofil
an der Grenzfläche hoher Konzentrationsgradient Elektronen diffundieren ins p-Gebiet nach den Gesetzen der Diffusion und Löcher diffundieren ins n-Gebiet des Diffusionsstromes Wenn die bew. Ladungsträger wegdiffundieren Ladungsneutralität verletzt. Im Bereich der Grenzfläche entsteht Raumladung (+) im n-Gebiet (-) im p-Gebiet Folge elektrisches Feld Feldstrom, der dem Diffusionsstrom entgegengesetzt ist so lange, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt Beträge von Diffusionsstrom und Feldstrom gleich groß: 0 FD II
x0x
NA ND
Dot
ieru
ng
e
kTµD n
n
35
Konsequenzen: = Laplace-Operator
Poisson-Gleichung
in einer Ortskoordinate:
2
2
x
x
E
x
E
__________________________________________________________________________
2
2
x
dxdx
dd
dx
dE
xd
UE
dx
dE Edxd
dxxE 1
dxxE
00 E 00
_________________________________________________________________________ daraus Entwicklung des Diagramms - Konzentration ortsfester Ladungen - Konzentration beweglicher Ladungsträger (log.) - Konzentration beweglicher Ladungsträger (lin.) - Raumladung - Berechung des Feldverlaufs - Berechnung des Potentialverlaufs
36
Konzentrationen beweglicher Ladungs- träger in log. Darstellung Konzentrationen beweglicher Ladungs- träger und Dotandenionen in lin. Darstellung Resultierende Raumladung in lin. Darstellung Elektrische Feldstärke Potentialverlauf
37
Stromgleichgewicht für Elektronen und Löcher:
Epeµdx
dpeD pp
Lösung der DG möglich
Eneµdx
dneD nn Gesetzmäßigkeit des p-n-Übergangs
im stromlosen Zustand Darstellung des p-n-Übergangs im stromlosen Zustand im Bänderdiagramm:
3.1.1.2. Der p-n-Übergang bei angelegter Spannung 1. Fall: negative Spannung am n-Gebiet
positive Spannung am p-Gebiet
38
Verringerung der Potentialschwelle leicht geringere Sperrschichtbreite leicht geringere Raumladungszonenbreite leicht geringerer Feldstrom Diffusionsstrom > Feldstrom
Minoritätsladungsträger diffundieren in die gegenüberliegenden Bahngebiete und rekombinieren dort Diffusionsschwänze
Diodenstrom fließt!
Diodenstrom hängt exponentiell von der angelegten Spannung ab
I ~ TU
U
e
2. Fall: positive Spannung am n-Gebiet negative Spannung am p-Gebiet
Potentialschwelle wird höher Feldstärke im p-n-Übergang wird höher p-n-Übergang wird breiter Raumladungszone wird breiter Strom sinkt bis auf ein Minimum SI ,
das durch Generation bestimmt
wird 2~ iS nI
39
- Konzentration der beweglichen Ladungsträger im p-n-Übergang sinkt. - an den Raumladungszonen (RLZ) - Grenzen Absenkung der Minoritätsladungsträgerkonzentration -> 0 (durch Feld über p-n-Übergang) Ergebnis: p-n-Übergang hat „Ventilwirkung“ für elektrischen Strom
in Durchlassrichtung durchlässig
TU
U
eI ~
In Sperrrichtung undurchlässig SII
3.1.2. Die Diode, Gleichstromverhalten
Herzstück: p-n-Übergang Aufbau:
Symbol: Pfeil in Durchlassrichtung
40
Das Gleichstromverhalten der Diode:
1TnU
U
S eII
Beschreibt Sperr- und Durchlassbereich SI Sperrstrom, Sättigungsstrom
TU Temperaturspannung mVUT 25 bei Raumtemperatur
e
kTUT
n Emissionskoeffizient, Idealitätsfaktor 1 … 2 in Durchlassrichtung in Sperrrichtung
1TnU
U
e 1TnU
U
e Flussspannung und Sperrstrom sind abhängig vom Halbleiter- material abhängig vom Bandabstand
GW SI FU
Einfluss des Halbleiters auf Flussspannung und Sperrstrom
41
Durchbruchsspannung (maximale Belastbarkeit in Sperrrichtung) hängt ab von der Dotierung Hohe Dotierung schmaler p-n-Übergang kleine Durchbruchsspannung Niedrige Dotierung breiter p-n-Übergang hohe Durchbruchsspannung empirische Formel für asymmetrisch dotierte Dioden:
2
3
,121072,2 DABR NU
DAN , Dotierung des niedriger dotierten Gebietes in cm-3, UBR in V
Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie Fast alle Größen, die den Diodenstrom bestimmen, sind temperaturabhängig: ,,,, 2
TSii UInn
Diffusionskoeffizienten für n und p Dp, Dn Trägerlebensdauer pn ,
Stärkste Temperaturabhängigkeit hat 2~ iS nI
Temperaturabhängigkeit durch Minoritätsladungsträgerdichte ~ 2in
T
T
kT
Wg
iis eT
TTnTnI
0
0
13
00
22~
oder einfacher: kT
Wg
S eT
TI
3
0
~
In der Diodengleichung wirkt SI im Durchlass- und im Sperrbereich:
mit steigender Temperatur: - verschiebt sich die Kennlinie im Durchlassbereich nach links zu kleineren Spannungen/höheren Strömen - verschiebt sich die Sperrkennlinie nach unten zu höheren Sperrströmen oder Rechnung mit TK: Temperaturkoeffizient der Sperrströme: Si: 0,03 … 0,06 K-1 Ge: 0,04 … 0,12 K-1 Der Strom einer Si-Diode verdoppelt sich alle 10 K. 3.1.3. Kleinsignalverhalten 3.1.3.1. Das quasistatische Verhalten
Änderung des Stromes I bei Änderung der Spannung Berechnung durch Aufstellen der Taylor-Reihe
42
...!3
1
!2
1 33
32
2
2
00
000
UdU
IdU
dU
IdU
dU
dIUIIII
UUU
....!2
1 22
2
00
UdU
IdU
dU
dII
UU
TTT nU
U
T
SnU
U
T
SnU
U
S enU
I
dU
Ide
nU
I
dU
dIeII
22
2
1
Vereinfachte Betrachtung: Abbruch der Taylorreihe nach dem linearen Glied:
UenU
IU
dU
dII TnU
U
T
S
U
0
0
Einführung des differentiellen Widerstands r
Ur
I 1
TnU
U
S
T
APeI
nU
dI
dUr
0
Was verbirgt sich dahinter?
Bei kleinen Änderungen beschreibt die linearisierte Kennlinie bzw. der differentielle Widerstand die Stromänderung gut. Abweichungen bei größeren Spannungsänderungen. Bei größeren Abweichungen Verzerrungen Eingangssignal: Sinusförmig Ausgangssignal: verzerrter Sinus (Sinus mit Oberwellen)
43
Erklärung an der Diodenkennlinie, gemessen mit Oszillograph: 3.1.3.2. Das dynamische Verhalten
Bei hohen Frequenzen: parasitäre Kapazitäten, in Durchlassrichtung Diffusionskapazität in Sperrrichtung Sperrschichtkapazität
dU
dQC wenn Spannungsänderungen dann Ladungsänderung C!
44
Durchlassrichtung: U
QC D
D
Ladungen in den Diffusionsschwänzen gespeichert Spannungsänderung bewirkt Ladungsänderung Abbau der in den Diffusionsschwänzen gespeicherten Ladung beim Umschalten von Durchlass- in Sperrrichtung
DC Minoritätsladungsträger in den Bahngebieten Sperrrichtung
- Ladungsspeicherung durch „Atmung“ der Raumladungszone je größer die Sperrspannung desto breiter die Raumladungszone
Sperrschichtkapazität Majoritätsladungsträger
45
m
DIFF
D
SOS
UU
CUC
1
0
= Nullspannungskapazität m = Gradationsexponent
SOC abrupter p-n-Übergang: 0,5
linearer p-n-Übergang: 0,33
DIFFU = Diffusionsspannung Sperrschichtkapazität hängt selbst von der Spannung ab! Diffusionskapazität:
D
DD rUC
1 = Zeitkonstante, Trägerlebensdauer [us]
Dr = differentieller Widerstand
Diffusionskapazität hängt ab vom Diodenstrom SD CC
Zusätzlich zu den parasitären Kapazitäten der Diode Bahnwiderstände: ohmsche Widerstände der Bahngebiete (p- und n-Gebiet) Berechenbar aus Dotierung und Geometrie Dynamisches Ersatzschaltbild der Halbleiterdiode: 3.1.4. Das Schaltverhalten der Diode Beim Umschalten der Diode von Sperrrichtung in Durchlassrichtung und umgekehrt müssen die Kapazitäten umgeladen werden:
46
IDUD
IF
UF
t
IDUD
IR0
IF
UF
tFtS
tRR
t0,1 IR0
Prinzipschaltung idealer Verlauf ohne Vorhan- realer Verlauf mit Umladung densein der Kapazitäten der Kapazitäten in der Speicherzeit st Entladung Diffusionskapazität
in der Abfallzeit ft Aufladung der Sperrschichtkapazität
rrt - Sperrerholzeit, einige ns … einige 100 ns kritisch beim Schalten von Rechtecksignalen 3.1.5. Gleichrichterschaltungen
Hauptanwendungsgebiet der Diode: Gleichrichtung von Wechselsignalen
3.1.5.1. Die Einweg-Gleichrichtung
47
Maximale Ausgangsgleichspannung: DeffDDC UUUUU 2ˆ mit UD=0.7V
Welligkeit der Ausgangsspannung: %100DC
w
U
UW eff ;
Frequenz der Welligkeit PRIMW ff
Abschätzung der Restwelligkeit: %1001
6 VU
mAI
µFCW
DC
L
%10011
6
kRµFC
W
bei großer Last 22 , RI und kleiner Welligkeit wird großer Kondensator gebraucht.
3.1.5.2. Die Zweiweg-Gleichrichtung
Zweiweg-Gleichrichtung mit Transformator mit Mittelanzapfung
48
maximale Ausgangsspannung: DeffDDC UUUUU
2
Welligkeit der Ausgangsspannung:
%,100DC
effW
U
UW Frequenz: PRIMW ff 2
Abschätzung: %1001
3 VU
mAI
µFCW
DC
L
%10011
3
kRµFC
W
Welligkeit nur halb so groß oder C halb so groß bei gleicher Welligkeit verglichen mit der Einweggleichrichtung
Brückengleichrichtung, Graetz-Gleichrichtung Schaltung:
andere Variante zur Nutzung jeder Halbwelle! Spannungsverläufe wie zuvor bei Schaltung mit Trafo mit Mittelanzapfung
aber: DDC UUU 2
(siehe Strompfad!)
Welligkeit wie Schaltung zuvor Brückengleichrichtung ist die verbreitetste Schaltung zur Erzeugung von
Gleichspannungen, weil: - bessere Gleichspannung, geringere Welligkeit als Einweggleichrichtung - Platzersparnis, Gewichtsersparnis gegenüber Trafo mit Mittelanzapfung
- Graetzbrücken als „ein Bauelement“ mit 4 Anschlüssen lieferbar 3.1.6. Spezielle Halbleiterdioden 3.1.6.1. Die Schottkydiode anstelle der p-Schicht im p-n-Übergang eine Metallelektrode
wenn Austrittsarbeit des Metalls > Austrittsarbeit des Halbleiters Elektronen verlassen die HL-Oberfläche Verarmungszone Diodenverhalten Energieniveauschema:
49
m
DIFF
D
SOS
UU
CUC
1
0
Symbol Eigenschaften: - sehr schnelle Dioden, kleine Schaltzeiten - zum Gleichrichten hochfrequenter Signale - pFCS 1~
- rrt = 50 ps … 1ns
- Durchlassspannungen 0,4 V - Sperrspannung ca. – 50 V 3.1.6.2. Kapazitätsdiode - veränderliche Kapazität in Sperrrichtung - großflächige p-n-Übergänge - Formel für die Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität (siehe 3.1.3.2) - elektrisch einstellbarer „Kondensator“ - Abstimmung von Schwingkreisen, in Sendern, Tunern (Ersatz der mech. Drehkondensatoren)
Symbol:
50
3.1.6.3. Tunneldiode
- Kennlinie mit negativem differentiellen Widerstand durch Tunneleffekt - schnelle Schaltdioden, Diskriminatoren, Schwingungserzeugung Symbol:
3.1.6.4. Z-Diode, Zenerdiode
- exakte Durchbruchsspannung mit steiler Kennlinie durch „Zenereffekt“ - Durchbruchsspannung mit hoher Temperaturstabilität - Spannungsreferenz-Bauelemente, Netzteile
Umdrehen von Spannung und Strom schiebt den III. Quadranten in den I.
51
3.1.6.5. Leuchtdiode (LED)
Symbol:
Emission von Licht durch Ladungsträgerrekombination in der Raumladungszone und angrenzenden Diffusionsgebieten Bandlücke Wg bestimmt Wellenlänge h
hE c gW
ch
seVh 1510136,4 18109978,2 smc
hoher Wirkungsgrad: 90% Elektroenergie Strahlung allerdings: nur 30% verlassen den Chip Lichtausbeuten >300 lm/W erreichbar LEDs haben, abhängig von der Farbe und Material, hohe Flussspannungen
GaAIAs/GaAs (rot und infrarot): 1,2–1,8 V InGaAIP (rot und Orange): 2,2 V GaAsP/GaP (gelb): 2,1 V GaP, InGaAlP (grün, ca. 570 nm): 2,2–2,5 V GaN/GaN (grün): 3,0–3,4 V InGaN (grün, 525 nm): 3,5–4,5 V InGaN (blau und weiß): 3,3–4 V
3.2. Bipolartransistoren 3.2.1. Grundlagen
Bipolartransistor „Arbeitspferde“ der Elektronik Bipolartransistor Verstärkerbauelement, hat die Verstärkerröhre abgelöst Name: „transfer resistor“ veränderbarer Durchgangswiderstand nach vielen Voruntersuchungen in der Halbleiter- und Festkörperphysik 1947 von Shockley, Bardeen & Brattain erfunden. Erfindung des Transistors Anfang einer rasanten Bauelemente-Entwicklung
3.2.1.1. Aufbau des Bipolartransistors
Besteht aus zwei p-n-Übergängen die gegeneinander gepolt sind:
52
Aufbau des Bipolartransistors: Beispiel: Si-Planartransistor verschiedene Technologien, verschiedene Bauformen, Leistungen, Gehäuse Emitter – am höchsten dotiertes Gebiet Basis – sehr dünn, niedrig dotiert Kollektor – hochdotiert, große Fläche
3.2.1.2. Transistorwirkung
Das Wesen der Transistorwirkung ist, dass in beiden p-n-Übergängen Ströme fließen, die von beiden Spannungen abhängen. p-n-Übergänge müssen sich einander sehr nahe sein (näher als die Diffusionslänge) Transistorwirkung am Beispiel der Basisschaltung:
- Eingangsdiode in Durchlassrichtung - Ausgangsdiode in Sperrrichtung
53
)1(
T
EB
Un
U
ESE eII )1(
T
CB
UnU
CSC eII
EN IA CI IA
UEB UCB
UUEB
CB
I IE C
Ströme - Injektion von Elektronen aus dem Emitter in die Basis - Feldstrom von Minoritätsladungsträgern im BC-Übergang - Injektion von Löchern aus Basis in den Emitter - Rekombination von Elektronen in der Basis - Generation von Elektronen-Loch-Paaren im BC-Übergang Was kann man erkennen? größter Strom: Emitterstrom
Kollektorstrom etwas kleiner als Emitterstrom 1E
C
I
I
Sehr kleiner Basisstrom kleine EB – Spannung große BC- Spannung Verstärkerwirkung: Eingangsleistung EBE UI klein
Ausgangsleistung BCC UI groß
Ströme im Transistor beschreibbar durch Ersatzschaltbild nach Ebers-Moll:
(1) /1 CInU
U
ESE IAeII T
EB
(2) /1 eNnU
U
CSC IAeII T
CB
(1)
11 T
CB
T
EB
nU
U
CSInU
U
ESE eIAeII
(2)
11 T
CB
T
EB
nU
U
CSnU
U
ESNC eIeIAI
Transistorgrundgleichungssystem NA - Stromverstärkung in Normal-Richtung
IA - Stromverstärkung in Invers-Richtung
54
3.2.2. Basisschaltung (benannt nach gemeinsamer Elektrode für Ein- und Ausgang)
Eingangsdiode (EB) in Durchlassrichtung Ausgangsdiode (CB) in Sperrrichtung Herleitung: wovon hängt der Kollektorstrom (Ausgangsstrom) ab?
(1) I = -I (e -1 ) + A I ( e -1 E ES I CS
UEB
nUT
UCB
nUT
(2) I = A I (e -1 ) - I ( e -1 )C N ES CS
UEB
nUT
UCB
nUT
CSInU
U
ESE IAeII T
EB
ECSInU
U
ES IIAeI T
EB
CSnU
U
ESNC IeIAI T
EB
NCSCnU
U
ES AIIeI T
EB
/
N
CSCECSI A
IIIIA
INCSENC AAIIAI 1
ENC IAI 0CBI
Kennlinien für Eingang und Ausgang
Eingang: BEE UfI
Ausgang: CBC UfI
laut Gleichung: CI hängt nicht von CBU ab, sondern von EI
EI wird Parameter (AKL)
EI hängt von EBU ab (Diodenverhalten!)
55
Eigenschaften der Basisschaltung:
Kleiner Eingangswiderstand: (z.B.. 20 ) Mittlerer bis großer Ausgangswiderstand Stromverstärkung < 1 Große Spannungsverstärkung (z.B. 100) Phasenverschiebung 0° Hohe Grenzfrequenz 3.2.2. Die Emitterschaltung
Herleitung des CI aus dem Transistorgrundgleichungssystem und IB + IC + IE =0:
CSN
INB
N
NC I
A
AAI
A
AI
1
1
1
0CEBNC IIBI N
CBCE A
II
10
0
Erinnerung BI sehr klein
CI und EI fast gleichgroß
56
Knotensatz: 0 ECB III
Maschensatz: 0 CBBECE UUU
3.2.3.1 Kennlinien
1. Ausgangskennlinienfeld: CEc UfI
2. Eingangskennlinien: BEB UfI
3. Übertragungskennlinie: BC IfI
4. Spannungsrückwirkung: CEBE UfU
zu 1.) Ausgangskennlinienfeld
Gleichung 0CEBNC IIBI
Early-Effekt: mit wachsender Sperrspannung über der Ausgangsdiode wird die Sperrschicht breiter Folge: Basisweite wird kürzer Strom steigt als Folge des größeren Ladungsträgergradienten in der Basis Für pnp-Transistor: alles umpolen (-IC, -UCE, -IB )
IC
UCE
I =f(U )C CEAusgangskennlinienfeld
Early-Effekt
Parameter IB
npn-Trans
Restspannungsgerade
57
zu 2.) Eingangskennlinie BEB UfI
Strom an der Eingangsdiode
(1)
11 T
CB
T
EB
nU
U
CSInU
U
ESE eIAeII
Diodenverhalten expon. Diodenkennlinie
Eingangskennlinie und Ausgangskennlinienfeld in Emitterschaltung zu 3.) Übertragungskennlinie, Stromsteuerkennlinie BC IfI
Gleichung 0CEBNC IIBI
vereinfacht linearer Zusammenhang
In der Praxis Abweichungen von der Geraden
Wenn UCE > 0 Ausgangsdiode in Sperrrichtung 0 Ausgangsdiode in Durchlassrichtung bewirkt Verschiebung
58
zu 4.) Spannungsrückwirkungskennlinie CEBE UfU
Spannungsrückwirkung des Ausgangs auf den Eingang (10-4) - geringe Verschiebung der Eingangskennlinie durch Einfluss von CEU
Darstellung aller 4 Kennlinienfelder in einem kombinierten Diagramm: 4-Quadranten-Kennlinienfeld 4-Quadranten-Kennlinienfeld eines Si-npn-Transistors
59
3.2.3.1. Arbeitsgerade und Arbeitspunkt:
3.2.3.2. Verlustleistungshyperbel
Maximalleistung des Transistors CCEV IUP max
Hyperbelform mit constUI CEC
Schränkt den Arbeitsbereich des Transistors ein, darüber wird er zu heiß, dann folgt Zerstörung ebenso
maxCI und maxCEU dürfen nicht überschritten werden
Grenzwerte: Das Überschreiten von bestimmten Maximalwerten Ströme CI und BI , Sperrspannungen CBU , CEU , und EBU
und der Verlustleistung PV führt evtl. zur Zerstörung des Transistors.
60
3.2.3.3. Stromversorgungsschaltung Zum Verstärkerbetrieb: Eingangsdiode in Durchlassrichtung Ausgangsdiode in Sperrrichtung Grundschaltung mit nur einer Spannungsquelle:
Berechnung der Schaltungen, Dimensionierung der Widerstände im Seminar!
1. Richtwerte: VU BE 7,0
2. 2
UqU CE für maximale Aussteuerung muss der Arbeitspunkt in die Mitte!
3. BRR IIoderI 1031 für Schaltung 3
Richtwerte 2. und 3. kann man zur Optimierung der Schaltungskennwerte auch weglassen!
61
3.2.3.4. Einfluss der Temperatur auf die Kennlinienfelder des Bipolartransistors in Emitterschaltung
Einfluss der Temperatur auf die Eingangskennlinie wie bei Diode bewirkt eine Verschiebung die Eingangsdiodenkennlinie nach links bzw. oben
bei constU BE steigt BI , bei kT 10 Verdoppelung
T
T
kT
Wg
BB eT
TTITI
013
00
1065,0 KITK B
CEOI stark temperaturabhängig N
CBOCS
N
INCEO A
II
A
AAI
11
1
über CEOBNC IIBI
verschiebt sich das Ausgangskennlinienfeld nach oben (im Bild CBOI )
00
TTCCEOCEO
EeTITI 112,0...08,0 KCE
auch NB temperaturabhängig 131051 K
dT
dB
BTK N
N
Temperaturabhängigkeit des ICB0 und des Ausgangskennlinienfeldes in Emitterschaltung
62
3.2.3.5. Temperaturkompensationsschaltungen Stromgegenkopplung
R4 wirkt auch als Gegenkopplung auf das Signal in gleicher Weise wie auf Temperaturänderungen. Um das zu verhindern, kann R4 durch einen C überbrückt werden. Spannungsgegenkopplung
Eigenschaften der Emitterschaltung
hohe Stromverstärkung: 50 … 1000 hohe Spannungsverstärkung: 50 … 1000 mittlere Ein- und Ausgangswiderstände
z. B. eZ 10 k
aZ 10 k
größere Leistungsverstärkung obere Grenzfrequenz ca. 10 MHz Phasenverschiebung 180° zwischen aU und eu
Anwendungsgebiete: HF- und NF-Verstärker, Leistungsverstärker – Endstufen
Schalter
63
3.2.4. Das Kleinsignalersatzschaltbild, h-Parameter
Der Transistor als Verstärker, black box
mathematische Darstellungen der Abhängigkeiten mindestens 2 Gleichungen sind nötig, z.B. 2121 ,, uifiu 1. h-Parameter
2121 ,, uufii 2. y-Parameter
2121 ,, iifuu z-Parameter
2121 ,, iufui d-Parameter
2221 ,, iufiu a-Parameter
1122 ,, iufiu
1. Linearisierung der Abhängigkeiten 2121111 uhihu (1)
2221212 uhihi (2) Übersetzung für Emitterschaltung Basisschaltung
CEEBEBE uhihu 1211 (1) CBBEBEB uhihu 1211 (1)
CEEBEC uhihi 2221 (2) CBBEBC uhihi 2221 (2)
Unter Benutzung des Gleichungssystems für die Emitterschaltung CEEBEBE uhihu 1211 (1)
CEEBEC uhihi 2221 (2)
64
constUB
BE
uB
BEE
CECEI
U
i
uh
0
11 Kurzschlusseingangswiderstand
zu bestimmen aus dem Anstieg der Eingangskennlinie (III. Quadrant)
constICE
BE
iCE
BEE
BBU
U
u
uh
0
12 Leerlaufspannungsrückwirkung
zu bestimmen aus dem Anstieg der Kennlinie Spannungsrückwirkung (IV. Quadrant)
constUB
C
uB
CE
CECEI
I
i
ih
0
21 Kurzschlussstromverstärkung
zu bestimmen aus dem Anstieg der Stromverstärkungskennlinie (II. Quadrant) in der Praxis Eh21 , wenn alles linearer Verlauf NE Bh 21
.0
22
constICE
C
iCE
CE
BBU
I
u
ih
Leerlaufausgangsleitwert
zu bestimmen aus dem Anstieg der Ausgangskennlinie (I. Quadrant) wenn man die Parameter einer Schaltungsart kennt, kann man die einer anderen daraus berechnen z.B.:
. h-Parameter-Gleichungssystem:
2221111 uhihu (1)
2221212 uhihi (2) daraus wird ein Ersatzschaltbild entwickelt:
65
i1
h11
h u12 2
h i21 1
i2
h22
1 u2
u1
Kleinsignal-Ersatzschaltbild des Bipolartransistors in h-Parameterdarstellung Bestimmung der h-Parameter von Transistoren: 1. Durch Berechnung aus dem Grundgleichungssystem (nur für den inneren Transistor, ungenau!) 2. Durch Bestimmung in 4-Quadranten-KLF (Quasistatische Parameter) Seminar 3. Durch Messungen unter bestimmten Voraussetzungen (Datenblätter) Mit den Transistor-h-Parametern lassen sich bei komplexeren Schaltungen deren Eigenschaften berechnen. Wichtige Eigenschaften von Transistorverstärker-Schaltungen sind:
Eingangswiderstand E
EE i
uz
Ausgangswiderstand A
AA i
uz
Stromverstärkung E
AI i
iv
Spannungsverstärkung E
AU u
uv
Leistungsverstärkung uiP vvv
Für den Transistor (ohne Beschaltung) lassen sich diese Größen aus dem h-Parametern einfach berechnen.
66
i1
y11
y u12 2 y u21 1
i2
y22 u2
u1
RS – Gesamtwiderstand am Eingang des Transistors bei kurzgeschlossener Signalquelle RL – Gesamtlastwiderstand am Ausgang des Transistors Δh – Determinante der h-Matrix 21122211 hhhhh h-Parameter sind Arbeitspunkt-abhängig: 3.2.5. y-Parameter 2121 ,, uufii linearisiertes Gleichungssystem: 2121111 uyuyi (1)
2221212 uyuyi (2)
konstU
U
Iy
2
1
111 Eingangskurzschlussleitwert
konstU
U
Iy
1
2
112 Übertragungsleitwert rückwärts
konstU
U
Iy
2
1
221 Übertragungsleitwert vorwärts (Steilheit)
konstU
U
Iy
1
2
222 Ausgangskurzschlussleitwert
daraus entwickeltes Ersatzschaltbild:
67
y-Parameter und h-Parameter sind ineinander umrechenbar 3.2.6. Der Transistor als Schalter mechanischer Schalter, Relais Transistor als Schalter langsam (ms, s) schnell (ns) große Leistung zur Betätigung kleine Steuerleistung schlecht automatisierbar voll elektronisch steuerbar
aber: minimaler Strom im Aus-Punkt
Restspannung im EIN-Zustand Umladungen von Diodenkapazitäten
1111
1
hy
1111
1
yh
11
1212 h
hy
11
2121 h
hy
11
2121 y
yh
11
1212 y
yh
1122 h
hy
1122 y
yh
21122211 hhhhh 21122211 yyyyy
68
dynamisches Transistorersatzschaltbild:
RBERBC
RBB
CDE
CSE CSD
CDC
rBErCB
Prinzipschaltung:
Am Kollektorstromverlauf:
dt - Verzögerungszeit
- Entladung der SC
rt - Anstiegszeit
- Aufladen der dC
st - Speicherzeit
- Entladen der dC
ft - Abfallzeit
- Aufladen der sC
1
2
Schalterstellung
t
t
U /Rq1 1
U /Rq2 1
IB
tstf
t
tstftd tr
90%
10%
U /Rq2 2
IC
Basistrom
Kollektorstrom
69
3.3 Feldeffekttransistor (FET)
- Bei FET beeinflusst das elektrische Feld der Steuerspannung den Querschnitt und/oder die Leitfähigkeit des Halbleiterwiderstandes, durch den der zu steuernde Strom fließt.
- keine Injektion und Diffusionsmechanismen - nur Majoritätsladungsträger – Strom (Unipolartransistoren) - spannungsgesteuert, leistungsarme Steuerung - zwei Unterarten: Sperrschicht-FET und MOS-FET (auch IG-FET)
3.3.1. Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SFET engl. JFET) 3.3.1.1. Aufbau und Funktion
Sperrspannung an GS-Diode Raumladungszone vergrößert sich
Aufbau (schematisch) und Schaltsymbol eines n-Kanal-SFETs
70
Aufbau und Schaltsymbol eines p-Kanal-SFETs Steuerwirkung: Einengung des Kanalquerschnitts
GSUAR
1
3.3.1.2. Kennlinien Am Beispiel des n-Kanal-SFET:
Übertragungskennlinie Beispiel: Ansteuerung nur mit GSU … VU GS 1 , 0DSU
GS-Diode in Sperrrichtung! _._. VU GS 1 , VU DS 2
der Transistor ist bei 0GSU Überlagerung von GSU und DSU führt
am leitfähigsten! Drain-seitig zur Abschnürung!
tU - Schwellspannung UP-Abschnürspannung
71
Übertragungskennlinie und Ausgangskennlinienfeld eines n-Kanal-SFET Beim p-Kanal-SFET: alle Dotierungen und Spannungen ändern!:
72
+
++
++
+
-
n-Si
Beispiel p-Halbleiter
M O S
UMS
Ladungsträger im p-Si
Löcher
Ionisierte Akzeptoren
Elektronen
lg n,p
n
n
p
+-+
+
-
++
+
-
p-Si
M S
-+
+
+
++
+++
+
+
3.3.2. Feldeffekttransistoren mit isolierendem Gate (IGFET) Metall-Oxid-Halbleiter-FET (MOS-FET) - abgeleitet nach Aufbau/Schichtfolge
3.3.2.1 Aufbau
p
S
G
D
n+ n+
B
SiO2
n- Kanal
S D
n
Metall
Aufbau eines n-Kanal-MOSFET (schematisch) Aufbau eines p-Kanal-MOSFET Der Kanal wird durch die Spannung am Gate gesteuert. Das Kernstück eines MOS-FET ist die MOS-Kapazität. 3.3.2.2. MOS-Kapazität
73
Prinzip der Äquivalenzladung: - Feldlinien beginnen an positiver Ladung, enden an negati ver äquivalenten Ladung
- für jede Ladung auf der Metall-Platte muss im Halbleiter eine äquivalente Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen existieren.
Ladung im Halbleiter gleich groß, versch. Vorzeichen Flächenladung auf Metall Beispiel p-Halbleiter: Ladung im Halbleiter kann gebildet werden durch:
- Anhäufung von Majoritätsladungsträgern, Löcher, positiv (+) bei p-HL Anreicherung flächenhafte Verteilung bewegliche Ladungsträger
- Entblößung von ionisierten Störstellen, Borionen (-) Verarmung Verteilung übers Volumen, Raumladung ortsfeste Ladungsträger
- Anhäufung von Minoriätsladungsträgern. Elektronen (-) Inversion flächenhafte Verteilung bewegliche Ladungsträger
Berechnung des Potential- und Feldstärkeverlaufs durch die Poissongleichung
0
0
X
Isolator
ii
erimHalbleit
xHGB dEdEU
Randbedingung
74
-
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
p
n
UMS
Anreicherung(Akkumulation)
Anreicherung von Löchern an der Halbleiteroberflächepositive Gegenladung: Löcher
ni
p
n
UMS
Verarmung
ni
p
n
UMS
n <ps b
UMS
Verarmung von Löchern an der Halbleiteroberflächenegative Gegenladung: Akzeptorionen
Inversion
an Halbleiteroberfläche: n Gebiet (nicht leitfähig)Gegenladung: noch Akzeptorionen
starke Inversion
starke Inversionleitfähiges n-Gebiet an Halbleiteroberfläche, Gegenladung: Elektronen
p-HL
+
+
+
+
+
-
-
-
p-HL
+
+++
+
-
-
-
--
-
+
+ni
n >ps b
--
--
-
+
++
+
+
+
++
+
-
-
-
-
p-HL
+
+
p-HL
75
In einer MOS- Kondensatoranordnung können die Leitfähigkeit und der Leitungstyp (n oder p) einer Halbleiteroberfläche leistungslos durch die angelegte Spannung beeinflusst werden! das ist die Grundlage für die Funktion eines MOS-FET! 3.3.2.3. Funktion des MOSFET
p
S
G
D
n+ n+
Ox
n- Kanal
Metall
UDS
A
ohne GSU kein Kanal kein Drainstrom
GSU stark positiv starke Inversion
Kanal Drainstrom Beispiel:
VseiU t 3
1. VU GS 4 , VU DS 0
2. VU GS 6 , VU DS 0
3. VU GS 6 , VU DS 3 - Abschnürung des Kanals
Selbstregulierung, Stabilisierung
76
Formeln Aktives Gebiet:
2
2DS
DStGSD
UUUUKI tGSDS UUU
Abschnürgebiet:
2
2 tGSD UUK
I tGSDS UUU
Transistorkonstante
L
W
dK
x
xn 0
00
3.3.2.4. Typen von MOSFETs
- Die Schwellspannung tU hängt ab
- von der Dotierung des HL - von festen Ladungen im Oxid und an der SiSiO 2 -Grenzfläche - von der Technologie (Oxid-Dicke) - Austrittsarbeitsdifferenz Gatemetall-HL
- Durch gezielte Beeinflussung (Ionenimplantation) kann tU eingestellt werden.
- Man kann einen Kanal erzeugen, der auch ohne angelegte Gate-Source-Spannung schon vorhanden ist: Verarmungs-MOSFET, Depletion-Transistor, Normally-ON-FET
- Im Gegensatz dazu muss bei anderen Transistoren erst eine Gate-Source-Spannung TU angelegt werden Anreicherungs-MOSFET, Enhancement-Transistor, Normally-OFF-FET
77
Daraus ergeben sich 4 Typen von MOSFETs n-Kanal-Anreicherungs-MOSFET n-Kanal-Verarmungs-MOSFET p-Kanal-Anreicherungs-MOSFET p-Kanal-Verarmungs-MOSFET Schaltsymbole und Übertragungskennlinien:
Anreicherungs-MOSFET Verarmungs-MOSFET
Ausgangskennlinienfeld und Übertragungskennlinie eines n-Kanal-Verarmungs-MOSFET 3.3.2.5. Grundschaltungen von MOSFETs
78
wie beim Bipolartransistor sind alle 3 Schaltungsarten möglich - Sourceschaltung (häufigste) - Gateschaltung - Drainschaltung
Schaltungen für Anreicherungs-MOSFETs müssen tGS UU sicherstellen!
Schaltungen für Verarmungs-MOSFETs funktionieren auch für 0GSU
3.3.2.6. CMOS-Technologie
- Abkürzung für Complementary-MOS-Technology - Verwendet p-Kanal und n-Kanal-MOSFETs für logische Funktionen - Hauptvorteil gegenüber anderen: absolut geringer Energieverbrauch bei niedrigen
Frequenzen! - Standardtechnologie für Mikroprozessoren, Speicher und anwenderspezifische
Schaltkreise (ASIC) - Strom wird nur beim Schaltvorgang verbraucht, sonst nicht Demonstration am Beispiel des CMOS-Inverters Inverter – einfachstes logisches Bauelement
79
Eingang NMOS PMOS Ausgang 1 1GSU 0GSU 0
leitend sperrt 0 0GSU 1GSU 1
sperrt leitend
UGS
ID
Ut UGS
NMOS
-UGS
PMOS
Ut
ein Transistor sperrt immer! kein Strom in der Ausgangsmasche! (nur beim Umschalten)
80
y u21 1 y22
i 2
u2
i1
u1
= 0
Realisierung komplizierter: n-Kanal im p-Substrat p-Kanal im n-Substrat Lösung: z.B. p-Substrat mit n- Wannen für PMOS - in C-MOS-Technologie wird die Mehrzahl aller ICs hergestellt.
3.3.2.7. Kleinsignalersatzschaltbild von MOSFETs üblich: Kleinsignal-Ersatzschaltbild in y-Parameter-Darstellung
i1
y11y u12 2
y u21 1
i2
u2
u1 y22
21y - Übertragungsleitwert vorwärts (Steilheit)
22y - Ausgangskurzschlussleitwert (sehr klein, oft vernachlässigbar!)
SdU
dI
dU
dIy
konstUGS
D
konstU DSDS
1
221
im Abschnürbereich 2
2 tGSD UUK
I
tGS UUkS
)(0tGS
ox
rn UUL
W
d
uS
Entwurfsparameter, Beweglichkeit und Oxideigenschaften gehen direkt in die Steilheit ein!
µn
81
3.4. Operationsverstärker (OPV) 3.4.1. Aufbau und Prinzip Herzstück des OPV ist ein Differenzverstärker: Verstärkt wird die Differenz der Eingangsspannungen.
UA1
+UB
Transistoren
Konstantstromquelle
UA2
Ausgangsspannung 12 AA UU Ausgang am Differenzverstärker 1212 EEAA UUVUU Aufbau des OPV an verschiedenen Blocks:
1. Differenzverstärker 2. Verstärkerstufe 3. Kurzschlusssicherung 4. Endstufe
zwei Schaltungen von Differenzverstärkern (im zweiten Bild mit Signalen an den Ein- und Ausgängen)
82
Komponenten des OPV einfache Schaltung eines OPV Schaltung des OPV µA 741 (1968 – heute) 3.4.2. idealer Opertionsverstärker Verstärkung des idealen OPV unendlich groß Eingangswiderstand (keine Strombelastung der Eingangsspannung) Ausgangswiderstand 0 Frequenzbereich 0 … Vollständig symmetrisch keine Offsetspannung Gleichtaktverstärkung von 0 Verlustleistung unendlich Verstärkung/Gleichtaktverstärkung (Gleichtaktunterdrückung) 3.4.3. realer Opterationsverstärker Temperaturbereich: normal -20 … 70°C Militär -55 … 125°C Versorgungsspannung: 15 V (< 18V) Verlustleistung: 8-Pin-Plastikgehäuse 310 mW Eingangsspannung: bis max. Versorgungsspannung Ausgangskurzschluss: unbegrenzt möglich Eingangswiderstand: ca. 2 M Offsetspannung: ca. 2 mV Gleichtaktunterdrückung: < 30.000 Leerlaufverstärkung: 200.000
83
idealer OPV
realer OPV
U -UE2 E1
UA
+UB
-UB
Verstärkung V
Offset UE0
R2
R1
UEDUE
UA
-
+
I1
I2
3.4.4. Zwei Grundschaltungen mit OPV Invertierender Verstärker Knotensatz 21 II und EDU =0
1
2
22
11
R
R
U
U
URIU
URIU
E
A
EDA
EDE
ER 0EI
v = 0EDU
+
84
R1
UE
R2
UA
Hebelmodell:
R2
R1
UED
UE UA
-
+
I2
I1
Hebelmodell:
Nichtinvertierender Verstärker: Knotensatz 21 II und EDU =0
EDE URIU 11
1122 RIRIU A
1
21R
R
U
U
E
A
Vielzahl von Schaltungen heute mit Operationsverstärkern wegen:
- Verstärkung einstellbar - preiswert, klein - hervorragende elektronische Eigenschaften - etablierte Technologie - ersetzt weitgehend diskrete Bauelemente
85
Beispiele für Schaltungen mit OPV:
4. Herstellungstechnologie von integrierten Schaltungen 4.1. Halbleitergrundmaterial: Si Ausgangsmaterial: Sand (SiO2) Reduktion: (braucht viel Energie!) Danach wird Si gemahlen und gereinigt (Gasphasenprozeß) Ergebnis: polykristallines Silizium hoher Reinheit hochreines Si wird geschmolzen aus der Schmelze wird in einem komplizierten Verfahren ein möglichst großer Einkristall gezogen
86
Zonenziehen oder Tiegelziehen (Czochralski-Verfahren) wenig Defekte - gute elektrische Eigenschaften (perfekter Einkristall) Einkristall wird zersägt - geschliffen - poliert - verpackt Grundmaterial für Schaltkreisherstellung 4.2. Schaltkreisherstellung 4.2.1. Einführung Herstellung von IC technisch und technologisch sehr anspruchsvoll ! Wissensgebiet: Halbleitertechnologie (Mikro- und Nanoelektronik-Technologie) Zusammenwirken von Physik, Chemie, Werkstoffwissenschaften Bearbeitung ganzer Si-Scheiben: Scheibenprozeß Ziel: möglichst viele Schaltkreise auf jede Si-Scheibe größere Scheiben - kleinere Strukturen (Frage der Kosten und Zuverlässigkeit) Si-Scheibendurchmesser 1970 50 mm 1980 100 mm 1990 150 mm 1995 200 mm 2001 300 mm ca. 2015 450mm kleinere Strukturen - kleinere Schaltkreisflächen oder komplexere IC
87
Jahr Strukturbreite Speicherkapazität das entspricht: 1975 5 µm 4 kbit DRAM 1/4 A4-Seite 1985 1,5 µm 1 Mbit DRAM 64 A4-Seiten 1990 1 µm 4 Mbit 256 A4-Seiten 1995 0,6 µm 16 Mbit 1000 A4-Seiten 2000 0,18 µm 256 Mbit 16000 A4-Seiten 2003 0,13 µm 512 Mbit 32000 A4-Seiten (100 Bücher) 2009 0,050 µm 4 Gbit 800 Bücher 2014 0,020 µm 8 Gbit 1600 Bücher (Bibliothek Ilmenau 60.000 Bücher)
Bei der Herstellung von IC auf einer Si-Scheibe - Abfolge bestimmter technologischer Schritte, die mehrfach durchlaufen werden, bis der IC fertig ist. Am Ende des Scheibenprozesses: Zersägen der Scheibe (Trennschleifen), Vereinzeln der Chips. Herstellen des fertigen Bauelements 4.2.2. Wichtige Teilschritte der Bauelementefertigung 4.2.2.1. Dotierung Für die Funktion von Bauelementen ist wichtig:
Leitfähigkeitstyp des Halbleiters (n- oder p-HL) Leitfähigkeit des HL
Gezielter Einbau von Fremdatomen in den Halbleiter = Dotierung Was? (3- oder 5- wertiges Element in Si (4-wertig) ), Wieviel? Dotierung durch Diffusion und Implantation eingebrachte Fremdatome (Verteilung) müssen in das Si-Gitter eingebaut werden (Temperatur) Ionenimplanter (Schema) 4.2.2.2. Schichtherstellung Alle Bauelemente sind aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaut. Unterschiedliche Materialien - unterschiedliche Funktionen ° Halbleiter, Metalle, Isolatoren ° aktive Schichten, elektrische Verbindungen (Verdrahtung), Isolationen, Schutzschichten, Maskenschichten (werden wieder entfernt) Verfahren: Thermische Oxidation von Si bei Temperaturen um 1000 °C und O2 wird
Si zu SiO2 (mit H20) SiO2 - guter Isolator dünne Schichten (20 nm) Gateoxid dickere Schichten (1 µm) Schutzschichten Oxidationsofen im ZMN
88
Schichtabscheidung aus der Gasphase ° verbunden mit chemischer Reaktion (CVD) Halbleiter-, Isolator- und Metallschichten möglich dünne, hochperfekte Si-Schichten: bei Temp. 800 °C - 1200 °C Umwandlung von SiH4 Isolationsschichten SiO2 und Si3N4: SiH4 und O2 oder NH3 ° ohne chemische Reaktion, z. B. Verdampfen (PVD)
Im Hochvakuum werden Materialien (Metalle) in einem Tiegel geschmolzen – Material verdampft und schlägt sich als dünne Schicht auf der Si-Scheibe nieder.
Schichtdicken zwischen 10 ... 2000 nm
Erwärmung des Verdampfungsgutes durch stromdurchflossene Widerstandstigel oder Widerstandswendel (Wendel- oder Tigelverdampfer) mit Elektronenstrahl (Elektronenstrahlverdampfer) Oder durch Ionenverfahren (Sputtern): Mittels Plasma werden durch energiereiche Ionen die Atome des Targets zerstäubt und schlagen sich auf der Sputteranlage Si-Scheibe nieder. Die PVD-Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich Abscheiderate, Abscheidegeschwindigkeit und Kantenbedeckung stark.
Prozesskontrolle: Schichtdicke, Materialzusammensetzung, Schichtstruktur, Reinheit Metallschichten zur Herstellung der Leitbahnen (innere Drähte des IC) 4.2.2.3. Schichtstrukturierung zur Erzeugung laterale Strukturierung der abgeschiedenen Schichten Die Struktur ist in einer fotographischen Maske gespeichert. Maskenherstellung ist ein komplizierter und teurer technologischer Prozeß Übertragung der Struktur aus der Maske auf den Schaltkreis mit Licht (Spezialprojektor 10:1, kurzwelliges Licht: UV) auf lichtempfindlichen Lack. immer nur ein Chip wird belichtet - Waferstepper nach Belichten des Fotolackes - Entwickeln, Auslösen (analog Fotografie) durch die Öffnungen im Fotolack ist die selektive Bearbeitung möglich (Ätzen von Isolatorschichten, Dotieren)
89
Ätzen Abtragen von darunterliegenden Schichten durch die Lackmaske Nasschemisches Ätzen: sehr reaktionsfreudige Chemikalien (HNO3, HF, H3PO4) in wässriger Lösung, Schichtmaterial wird 'aufgelöst', jedoch nicht nur senkrecht, auch Unterätzen unter der Abdeckschicht - Strukturverbreiterung! Trockenätzen (Plasmaätzen) Im Vakuum wird eine elektrische Entladung erzeugt (wie Leuchtstofflampe), Ionen werden auf die Si-Scheibe beschleunigt und tragen dort Material ab (mit oder ohne chemische Reaktion) Wegen Kompliziertheit des Chipaufbaus sehr viele Lithographie- und Ätzschritte mit hoher Reproduzierbarkeit. d.h. -> teure Maschinen, hoher Zeitaufwand (30 ... 40 % der Prozesskosten) 4.2.2.4. Verkappen und Anschließen (Packaging) Nach etwa 200 ... 300 Prozessschritten ist die Chipherstellung abgeschlossen Vereinzeln: Scheibe (auf Folie) wird mit einer Trennscheibe (50 µm dick) zersägt. danach muss der Chip 1.auf einem Trägerstreifen befestigt werden (Chipbonden) 2.elektrisch angeschlossen werden (Drahtbonden) 3.hermetisch von der Umgebung abgeschlossen werden (Verkappen) 4.elektrisch getestet werden Erste Tests der IC’s auf der Scheibe vor dem Vereinzeln Defekte Chips werden mit Farbklecks markiert (geinkt) und nicht weiterverarbeitet Chipbonden (Diebonden) der fertigen Chips auf dem Trägerstreifen durch Kleben, Löten Wichtig: gute Wärmeleitfähigkeit – große Flächen Drahtbonden mit Temperatur, Druck und Ultraschall (Au- oder Al-Drähtchen, 50 µm)
offener, gebondeter (re.), und verkappter Chip (li.)
90
Verkappen durch Plast-Spritzguss oder Metallgehäuse dann elektrische Tests, Kontrollmessungen, Belastungstests, mechanische Stabilitätstests (Zentrifuge), thermische Stabilitätstests (-50 °C ... 150 °C), Betrieb bei 100 % Überspannung ... IC-Ausfallraten 10-10/h (Elektronenröhre 10-4/h) Produkt: IC Funktionsgruppe Gerät 4.2.3. Reinraumtechnik Zur Produktion von IC - absolute Voraussetzung: Staubfreiheit ! wegen: kleine Strukturen viele Strukturen, komplexe Schaltungen viele Prozessschritte hohe Zuverlässigkeit Reinräume (Cleanrooms) mit extrem gereinigter Luft: 10 ... 100 Partikel pro m3, normal 106 - 109 m-3 definierter Luftstrom Mensch als Hauptschmutzquelle weitgehend fernhalten durch:
- spez. Reinraum-Kleidung, Mundschutz etc.
- Spezielle Luftströmung vom Menschen weg
- Hermetisch gedichtete Maschinen - Trennung von Wartungs- und
Prozessräumen (Grau- und Weißbereiche)
In einem OP-Saal könnte man keine IC herstellen! Herstellungsfabriken für IC sind sehr teuer 4.2.4. Technologiebegleitende Analytik 4.2.4.1 Ziele und Aufgaben der Analytik Kontrolle der Prozessschritte Aufspüren von Fehlern Fehlerhafte Scheiben schon frühzeitig erkennen und aussondern Qualitätssicherung Hilfe bei der Entwicklung und Einführung neuer Technologien und Materialien Beispiele: Schleier (Verunreinigungsschichten), Kristallfehler, Haftprobleme bei Schichten, Staubdefekte, inhomogene Schichtdicken, unerwünschte Diffusionen, Kontaktprobleme u.v.a.m.
Blick in den Cleanroom einer Chipfabrik
91
Analytik auf den folgenden Gebieten: 4.2.4.2. Atomar-chemische Analytik Das bedeutet: Woraus besteht die Schicht?
Welche Elemente, Welche Verunreinigungen? Wie sind Grenzflächen, Welche Atome sind an der Oberfläche? vielfältige physikalische Analyseverfahren: Chemische Analyse, Auger-Spektroskopie, Elektronenstrahl-Mikroanalyse u.a. 4.2.4.3. Strukturelle Analytik Das bedeutet: Welche kristalline Perfektion der Schichten?
Welche Kornstruktur? Welche Spannungen in den Schichten?
Welcher Gittertyp? Welche Texturen?
Röntgenbeugung, Elektronenbeugung 4.2.4.4. Elektrische Analytik Das bedeutet: Welche Schichtwiederstände und Ladungsträgerkonzentrationen?
Welche Leitfähigkeiten? Welche Kontaktwiderstände?
Welche Elektronenbeweglichkeiten? Wie groß sind die Widerstände, Kapazitäten? Welche Steilheiten haben die FET’s?
Elektrische Messplätze mit Strom-, Spannungsmessungen, Kapazitätsmesslätzen (CV-Kurven), Mercury-Probe, Hochfrequenzmessplätze, Hallmessplätze u.v.a.m. 4.2.4.5. Morphologische Analytik Das bedeutet: Welche Oberflächenbeschaffenheit?
Welche Kanten- und Stufenbedeckungen? Wie sehen die Kontaktfenster aus?
Gibt es Terrassen? Wie hoch sind die Stufen? Wie dick sind die Schichten? Wie gut funktioniert das CMP (chemisch- mechanisches Polieren) ?
Lichtmikroskopie, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Tastschnittgeräte, Nanopositionier- und Messmaschine
Elektronenmikroskopisches Bild einer geätzten Al-Schicht