Grundlagen der Elektronik: Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen ; ein Lernbuch
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| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Aachen
Shaker
2008
|
| Edition: | 7., erg. Aufl. |
| Series: | Elektronik
|
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | X, 426 S. graph. Darst. |
| ISBN: | 9783826588259 |
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|---|---|
| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 EINFÜHRUNG IN DIE PHYSIK DER HALBLEITER 1
1.1 Einordnung der Halbleiter zwischen Leitern und Isolatoren 1
1.2 Aufbau von Leitern und Halbleitern 1
1.2.1 Aufbau der Atome l
1.2.2 Kristallaufbau 3
1.3 Leitungsmechanismen in Halbleitern 5
1.3.1 Eigenleitung (Leitungsmechanismen im reinen Halbleiter) 5
1.3.2 Störstellenleitung 7
1.3.3 Ladungsträgerkonzentrationen im dotierten Halbleiter 10
1.3.4 Massenwirkungsgesetz 2
1.3.5 Leitfähigkeit des Halbleiters 12
1.3.6 Erklärung der Leitungsmechanismen im Halbleiter mit Energie-Modellen 13
1.3.7 Energie-Verteilung der freien Elektronen und der Löcher 15
1.4 Übungsaufgaben zur Physik der Halbleiter 19
2 DER PN-ÜBERGANG 20
2.1 Der pn-Übergang ohne äußere Spannung 20
2.1.1 Der ideale abrupte pn-Übergang
2.1.2 Ladungsträgerdiffusion - Bildung einer Raumladungszone 2°
2.1.3 Ladungsträgerdichte
2.1.4 Raumladungsdichte
2.1.5 Diffusionsspannung
2.1.6 Sperrschichtweite
2.1.7 Sperrschichtkapazität
2.1.8 Energiebänder-Modell des pn-Überganges
2.2 Der pn-Übergang mit äußerer Spannung
24
2.2.1 Sperrpolung
2.2.2 Flusspolung
2.2.3 Durchbrach bei hoher Feldstärke in Sperrpolung
2.2.4 Gesamtkennlinie des pn-Überganges
2.2.5 Temperaturabhängigkeit der Kennlinie
2.2.6 Schaltverhalten des pn-Übergangs
2.3 Übungsaufgaben zum pn-Übergang
3 METALL-HALBLEITER-ÜBERGÄNGE 36
3.1 Schottky-Kontakt (Sperrschicht-Kontakt)
3.1.1 Übergang von n-Halbleiter zu Metall mit größerer Austrittsarbeit (WM W„)
3.1.2 Übergang von p-Halbleiter zu Metall mit geringerer Austrittsarbeit (WM W„)
3.1.3 Eigenschaften des Schottky-Kontakts
3.2 Ohmscher Kontakt
3.2.1 Übergang von n-Halbleiter zu Metall mit kleinerer Austrittsarbeit (WM W„) *
32.2 Übergang von p-Halbleiter zu Metall mit größerer Austrittsarbeit (W„ WH) ^
3.2.3 Ohmseber Kontakt durch hochdotierte Halbleiterzwischenschicht
3-3 Übungsaufgaben zn Metall-Halbklter-Übergingen
I
Inhaltsverzeichnis
4 DIE DIODE 47
4.1 Allgemeines 47
4.2 Universal- und Richtdiode 50
4.3 Hochsperrende Leistungsdioden 51
4.4 Schaltdioden 52
4.5 DieZ-Diode 52
4.6 Kapazitätsdiode 53
4.7 Tunneldiode 54
4.8 Backward-Diode 55
4.9 Schottky-Diode 56
4.10 Weitere Diodenformen 56
4.11 Übungsaufgaben zu Dioden 57
5 STABILISIERUNGSSCHALTUNG MIT Z-DIODE 59
5.1 Grundschaltung 59
5.1.1 Graphische Schaltungsanalyse 59
5.1.2 Rechnerische Schaltungsanalyse (Betrieb mit Gleichspannung) 62
5.2 Berechnung von Grenzwerten 64
5.2.1 Zulässiger Arbeitsbereich der Z-Diode 64
5.2.2 Grenzwerte für die Einzelbauelenente 65
53 Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung 69
5.3.1 Wechselanteil der stabilisierten Gleichspannung 69
5.3.2 Verlustleistung der Z-Diode 70
5.3.3 Genauere Betrachtung des differentiellen Widerstandes 70
5.4 Übungsaufgaben zur Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode 72
6 NETZGLEICHRICHTER 73
6.1 Gleichrichterschaltungen ohne Glättung (mit ohmscher Last) 73
6.1.1 Einweggleichrichter 73
6.1.2 Zweiweggleichrichter - Mittelpunktschaltung 75
6.1.3 Zweiweggleichrichter - Brückengleichrichter (Graetz-Gleichrichter) 77
6.1.4 Genauere Berechnung der Zweiweggleichrichter 78
6.2 Gleichrichterschaltungen mit Glättung 80
6.2.1 Glättungsarten 81
6.2.2 Berechnung des Zweiweggleichrichters mit Glättungskondensator 82
6.3 Gleichrichter mit Pufferbatterie 90
6.4 Übungsaufgaben zu Netzgleichrichtern 91
II
Inhaltsverzeichnis
7 DREHSTROMGLEICHRICHTER 94
7.1 Mittelpunkt-Schaltung (Halbbrücke) (3-pulsiger Gleichrichter) 94
7.2 Drehstrom-Brückengleichrichter (6-pulsiger Gleichrichter) 96
7.3 Übungsaufgaben zu Drehstromgleichrichtern 99
8 SPANNUNGSVERVIELFACHUNG 100
8.1 Spannungsverdoppelung mit der Delonschaltung 100
8.2 Spannungsverdoppelung mit Villardschaltung 101
8.3 Spannungsvervielfachung durch Kaskadierung der Villardschaltung 103
8.4 Übungsaufgaben zur Spannungsvervielfachung 104
9 DER BIPOLARE TRANSISTOR 105
9.1 Aufbau und Herstellungsverfahren 105
9.2 Funktionsweise 107
9.2.1 Der Transistoreffekt 07
9.2.2 Strömungsmechanismen im Transistor HO
9.2.3 Einfluss der Kollektor-Basis-Spannung auf den Kollektorstrom 111
9.3 Schaltzeichen - Richtungspfeile für Ströme und Spannungen 112
9.4 Transistor-Grundschaltungen 112
9.4.1 Basisschaltung 112
9.4.2 Emitterschaltung •14
9.4.3 Kollektorschaltung nl
9.4.4 Umrechnung der Stromverstärkungen 118
9.5 Darlington- oder Super-Beta-Schaltung 118
9.6 Daten von Transistoren 119
9.7 Übungsaufgaben zu Aufbau und Funktionsweise des bipolaren Transistors 120
10 ARBEITSPUNKT DES BIPOLAREN TRANSISTORS /
GLEICHSTROMBETRIEB 121
10.1 Einstellung des Arbeitspunktes 121
10.1.1 Einprägung des Basisstromes 122
10.1.2 Einprägung der Basis-Emitter-Spannung 22
10.1.3 Einstellung der Kollektor-Emitter-Spannung 23
10.2 Stabilisierung des Arbeitspunktes 123
10.2.1 Anforderungen an die Stabilität des Arbeitspunktes I23
10.2.2 Ursachen für Arbeitspunkt-Verschiebungen 123
10.2.3 Gegenkopplungsmaßnahmen zur Arbeitspunkt-Stabilisierung 124
10.2.4 Verfahren zur Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes 126
10.2.5 Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes einer gegebenen Schaltung 127
10.2.6 Stabilisierung des Arbeitspunktes bei der Schaltungsdimensioniening 129
103 DimenrfcHÜeniiig etaer Tnrasistors^^ 131
10.3.1 Dimensionierung der Schaltung 131
10.3.2 Grafische Analyse des Arbeitspunktes 133
ni
Inhaltsverzeichnis
10.4 Beispielschaltungen 136
10.4.1 Konstantspannungsquelle 136
10.4.2 Einfache Konstantstromquelle 136
10.4.3 Einfacher Stromspiegel (Konstantstromquelle) 137
10.4.4 Wilson-Stromspiegel 139
10.5 Übungsaufgaben zum Gleichstrombetrieb des Transistors 140
11 DER BIPOLARE TRANSISTOR IM
WECHSELSPANNUNGSVERSTÄRKER 142
11.1 Grundschaltung eines Wechselspannungsverstärkers in Emitterschaltung 142
11.1.1 Prinzipieller Aufbau und Funktion 142
11.1.2 Analyse des Arbeitspunktes 143
11.1.3 Wechselstromanalyse 143
11.1.4 Verzerrungen und Begrenzungen des Ausgangssignals (Aussteuerungsgrenzen) 144
11.1.5 Technische Realisierung 146
11.2 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker in Emitterschaltung 147
11.2.1 Grafische Analyse des Wechselstrom-Verhaltens 147
11.2.2 Berechnung der Wechselstromgrößen 151
11.2.3 Wechselspannungsverstärkung bei Stromgegenkopplung 153
11.2.4 Berechnung der Kondensatoren 156
11.2.5 Gesamt-Grenzfrequenzen 159
11.3 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker in Basisschaltung 162
11.3.1 Die Schaltung 162
11.3.2 Berechnung der Wechselstrom-Kenngrößen 162
11.3.3 Obere Grenzfrequenz der Basisschaltung 163
11.4 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker in Kollektorschaltung 164
11.4.1 Stromlaufplan und Daten 164
11.4.2 Wechselstrom-Berechnungen 165
11.4.3 Bootstrapschaltung 168
11.5 Vergleich der Transistor-Grundschaltungen 170
11.6 Lage des Arbeitspunktes im Kennlinienfeld 171
11.6.1 Klein-und Mittelsignalverstärker 172
11.6.2 Leistungsverstärker - Transistorendstufen 172
11.7 Übungsaufgaben zum Wechselspannungsverstärker mit bipolarem Transistor 174
12 DER BIPOLARE TRANSISTOR ALS SCHALTER 176
12.1 Der ideale Schalter (zum Vergleich) 176
12.2 Die Betriebszustände des Transistor-Schalters 178
12.2.1 Ausgewählte Details aus der Halbleiter-und Transistorphysik 178
12.2.2 Prinzipielle Ansteuerungsvarianten 179
12.2.3 Der gesperrte Transistor 180
12.2.4 Der leitende Transistor (ungesättigt, Ucb 0) 181
12.2.5 Der leitende Transistor (gesättigt) 184
12.2.6 Kennlinien-Arbeitsbereiche des Transistors als Schalter 186
IV
Inhaltsverzeichnis
12.3 Das dynamische Verhalten 187
12.3.1 Einschaltvorgang 187
12.3.2 Der Ausschaltvorgang 190
12.4 Maßnahmen zur Verbesserung des Schaltverhaltens 195
12.5 Schaltverlustleistung 197
12.6 Transistorschalter bei ohmscher, kapazitiver und induktiver Last 199
12.6.1 Ohmsche Last 199
12.6.2 Ohmisch-induktive Last 199
12.6.3 Ohmisch-kapazitive Last 2°1
12.7 Transistor in digitalen Grundschaltungen 202
12.8 Übungsaufgaben zum Transistor als Schalter 205
13 DER FELDEFFEKTTRANSISTOR (FET) 207
13.1 Allgemeines/Grundprinzip 207
13.2 Sperrschicht-FET 207
13.2.1 Aufbau und Wirkungsprinzip 2 ^
13.2.2 Einfluss der Kanalspannung auf die Kennlinie 208
13.2.3 Steuerung über das Gate 210
13.2.4 Die Kennlinien des Sperrschicht-FET 2n
13 3 IG-FET (isolated gate) 212
13.3.1 Anreicherungstyp
13.3.2 Verarmungstyp 216
13.3.3 Vorteile der IG-FET 216
13.4 Übersicht über alle FET-Typen 217
13.5 Daten von Feldeffekt-Transistoren 218
13.6 FET als Analogschalter 219
219
13.6.1 Ein-und Ausschaltbedingungen
13.6.2 Grundschaltung eines FET-Analogschalters 219
13.6.3 Verbesserter FET-Analogschalter 221
13.6.4 Gegentakt-FET-Analogschalter
13.7 Arbeitspunkt-Einstellung - Konstantstromquelle (J-FET) 223
13.8 J-FET-Wechselspannungsverstärker in Source-Schaltung 22S
13.8.1 Schaltung des J-FET-WS-Verstärkers 225
13.8.2 Wechselstrom-Ersatzschaltbild des J-FET in Source-Schaltung 225
13.8.3 Berechnung des Wechselspannungsverstärkers
13.9 CMOS-Technik 227
13.9.1 CMOS-Inverter 22?
13.9.2 CMOS-NOR-Gatter 22J
13.9.3 CMOS-NAND-Gatter
13.9.4 CMOS-Übertragungsgatter
13.10 Übungsaufgaben zum Feldeffekttransistor
V
Inhaltsverzeichnis
14 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINES
OPERATIONSVERSTÄRKERS 233
14.1 Allgemeines 233
14.2 Interner Aufbau 233
14.2.1 Eingangsstufe 234
14.2.2 Koppelstufe 238
14.2.3 Ausgangsstufe 238
14.2.4 GesamtschaltungdesOP741 241
14.3 Eigenschaften und Daten von Operationsverstärkern 242
14.4 Moderne Operationsverstärker-Typen 245
14.5 Übungsaufgaben zu Aufbau und Funktionsweise des Operationsverstärkers (VV-OP) 245
15 OPERATIONSVERSTÄRKER - GRUNDSCHALTUNGEN 246
15.1 Anwendungsbeispiele ohne Rückkopplung oder mit Mitkopplung 246
15.1.1 Komparator 246
15.1.2 Schmitt-Trigger 247
15.1.3 Astabiler Multivibrator 248
15.2 Niederfrequente Anwendungsbeispiele mit Gegenkopplung 250
15.2.1 Invertierender Verstärker 251
15.2.2 Nicht-invertierender Verstärker 252
15.2.3 Addition (mit Inversion ) 253
15.2.4 Subtraktion (Differenzverstärker) 254
15.2.5 Integration 255
15.2.6 Differentiation 256
15.2.7 Tiefpass oder Verzögerungsglied 1. Ordnung 257
15.2.8 Hochpass 259
15.2.9 Bandpass 260
15.2.10 PI-Regler(Proportional-Integral-Regler) 261
15.3 Fehler-Rechnung 262
15.3.1 Fehler durch Eingangs-Offset-Spannung 262
15.3.2 Fehler durch Eingangsströme (Bias-Ströme) 263
15.3.3 Fehler durch Ungleichheit der Eingangsströme (Eingangs-Offsetstrom) 264
15.4 Stabilitätsprobleme - Frequenzgangkorrektur 265
15.4.1 Schwingneigung durch ungewollte Mitkopplung 265
15.4.2 Die Schleifenverstärkung 266
15.4.3 Frequenzgangkorrektur 267
15.4.4 Stabilität bei kapazitiver Last und beim Differenzierer 270
15.5 Übungsaufgaben zu Operationsverstärker-Grundschaltungen 271
VI
Inhaltsverzeichnis
16 SPEZIELLE SCHALTUNGSBEISPIELE MIT
OPERATIONSVERSTÄRKERN 273
16.1 Instrumentenverstärker 273
16.2 Präzisionsgleichrichter 274
16.3 Logarithmieren 274
16.4 Delogarithmieren 27S
16.5 Multiplizierer 276
16.6 Abtast-Halte-Glieder (Sample Hold - Verstärker) 277
16.7 Fensterkomparatoren M*
16.8 Multivibratoren mit dem Timer 555 280
16.9 Frequenz-Spannungs- und Spannungs-Frequenz-Wandler 283
16.10 Digital-Analog-und Analog-Digital-Umsetzer 285
16.10.1 Digital-Analog-Umsetzer 285
16.10.2 Analog-Digital-Wandler MB
16.11 Übungsaufgaben Spezielle Operationsverstärker-Schaltungen 293
17 MEHRSCHICHT-UND
LEISTUNGS-HALBLEITER-BAUELEMENTE 297
17.1 Thyristor 297
297
17.1.1 Aufbau und Funktionsweise
301
17.1.2 Haupteinsatzgebiete
17.2 TRIAC M2
17.3 DIAC 3°3
17.4 LeUtungs-MOS-FET (Kurzkanalstrukturen)
17.4.1 VMOS-FET 3O4
17.4.2 DMOS-FET 304
ns igbt 30S
17.6 Übungsaufgaben zu LeUtungs-Halbleiterbauelementen
18 OPTOELEKTRONISCHE BAUELEMENTE 307
307
18.1 Fotowiderstand (LDR)
308
18.2 Fotodiode
308
18.2.1 PN-Ubergang unter Lichteinwirkung
18.2.2 Diodenbetrieb der Fotodiode
18.2.3 Foto-PIN-Diode
18.2.4 Schottky-Fotodiode
18.2.5 Foto-Lawinen-Diode (Avalanche-Fotodiode)
18.2.6 Elementbetrieb der Fotodiode
18.2.7 Solarzelle
313
183 Fototransistor
314
18.4 Lumineszenz-Dioden
315
18JS Displays 315
18.5.1 LED-Displays 3]6
18.5.2 FlUssigkristall-Displays
vn
Inhaltsverzeichnis
18.6 Optoelektronische Koppler 317
18.6.1 Optokoppler (geschlossen) 317
18.6.2 Optokoppler-Lichtschranken 318
18.7 Laser-Dioden 319
18.8 Lichtwellenleiter 322
18.9 Übungsaufgaben zu optoelektronischen Bauelementen 325
19 HALBLEITERBAUELEMENTE OHNE PN-ÜBERGANG
(HOMOGENE HALBLEITERBAUELEMENTE) 326
19.1 Heißleiter (NTC-Widerstände) 326
19.2 Kaltleiter (PTC-Widerstände) 328
19.3 Varistoren (VDR) 329
19.4 Fotowiderstand (LDR) 329
19.5 Feldplatte (MDR) 330
19.6 HaUgenerator 330
19.7 Dehnungsmessstreifen 331
19.8 Übungsaufgaben zu homogenen Halbleitern 332
20 GLEICHSPANNUNGSWANDLER 333
20.1 Drossel-Aufwärtswandler 333
20.2 Drosscl-Abwärtswandler 335
20.3 Drossel-Inverswandler 337
20.4 Einschwingvorgänge 338
20.5 Anwendungsbeschränkungen 338
20.6 Übungsaufgaben zu Schaltwandlern 339
21 THERMISCHE PROBLEME/WÄRMEABLEITUNG 341
21.1 Temperaturerhöhung von Bauelementen durch Wärmefreisetzung 341
21.1.1 Verlustwärme - Verlustleistung 341
21.1.2 Wärmekapazität 341
21.2 Wärmeableitung 342
21.2.1 Der Wärmewiderstand 342
21.2.2 Wärmewiderstand bei Wärmeleitung 342
21.2.3 Wärmewiderstand bei Konvektion 343
21.2.4 Wärmestrahlung 343
21.2.5 Kühlflächenberechnung 343
21.3 Der Wärmestromkreis 344
21.4 Berechnung des Wärmestromkreises 346
21.4.1 Analogie thermischer und elektrischer Größen 346
21.4.2 Berechnung von Temperaturen im stationären Betrieb 347
21.4.3 Reduzierung der zulässigen Verlustleistung bei hoher Umgebungstemperatur 347
21.4.4 Thermische Ausgleichsvorgänge 348
21.5 Übungsaufgaben zu thermischen Problemen 351
VIII
Inhaltsverzeichnis
Anhang A - Schaltungsanalyse 353
A.l Grundlagen der Zweipoltheorie 353
A.2 Einfache Zweipole 354
A.2.1 Passive Zweipole 354
A.2.2 Aktive Zweipole 354
A.3 Ersatzwiderstand passiver Bauelemente ........................356
A.3.1 Berechnung eines Ersatzwiderstandes bei linearen Elementen 356
A.3.2 Graphisches Verfahren bei nichtlinearen Elementen 356
A3.3 Linearisierung von Kennlinien 357
A.4 Ersatzschaltungen aktiver Zweipole 359
A.4.1 Aktive Zweipole mit einer QueUe 359
A.4.2 Aktiver Zweipol mit mehreren Quellen 360
A.5 Zusammenschaltung aktiver und passiver Zweipole 361
A.5.1 Der lineare Grundstromkreis 361
A.5.2 Der nichtlineare Grundstromkreis - Graphisches Schnittpunktverfahren 361
A.5.3 Stromkreise mit bipolarem Transistor 367
Anhang B - Vierpoltheorie 370
B.l Vierpolgleichungen - Vierpolparameter 370
B.1.1 Die Z-Parameter 372
B.1.2 Die Y-Parameter 372
B.1.3 Die H-Parameter (= Hybrid-Parameter) 373
B.2 Transistor als linearer Vierpol 374
B.2.1 Die h-Parameter des Transistors 374
B.2.2 Ermittlung der h-Parameter aus den Kennlinien des Transistors 376
B.2.3 h-Parameter in Datenblättern von NF-Transistoren 377
B.2.4 Umrechnung der h-Parameter der Emitterschaltung auf die Basisschaltung 378
B.2.5 Theoretisch ermittelte Näherungswerte der Vierpolparameter des Transistors 379
Anhang C - Lösungen der Übungsaufgaben....—.......—.—. ••• 381
C.1 Halbleiterphysik (zu Abschnitt 1) 381
C.2 Physik des pn-Übergangs (zu Abschnitt 2) 382
C3 Metall-Halbleiter-Übergängen (zu Abschnitt 3) 384
C.4 Dioden (zu Abschnitt 4) 385
C.5 Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode (zu Abschnitt 5) 387
C6 Netzglelchrichter (zu Abschnitt 6) ^
C7 Drehstromgleichrichter (zu Abschnitt 7) 39Jj
C.8 .Spannungsvervielfachung (zu Abschnitt 8)
C.9 Aufbau und Funktionsweise des bipolaren Transistors (zu Abschnitt 9) 391
CIO Gleichstrombetrieb des Transistors (zu Abschnitt 10) f*f
C.l 1 Wechselspannungsverstärker mit bipolarem Transistor (zu Abschnitt 11) 395
C.12 Transistor als Schalter (zu Abschnitt 12). ~
C.13 Feldeffekttransistor (zu Abschnitt 13) ~ J
C.14 Aufbau und Funktionsweise des Operationsverstärkers (zu Abschnitt 14) 402
C.15 Operationsverstärker-Grundschaltungen (zu Abschnitt 15) *B
C.16 Operationsverstärker-Schaltungen (zu Abschnitt 16). *J*
C.17 Leistungs-Haibleiterbauelementen (zu Abschnitt 17)
C.18 Optoelektrische Bauelemente (zu Abschnitt 18)
C.19 Homogene Bauelemente (zu Abschnitt 19) 4U
C.20 Gleichspannungswandler (zu Abschnitt 20)
C.21 Thermische Probleme (zu Abschnitt 21)
Anhang D - Verwendete Größensymbole 413
Literaturiünweise ..............».....•..•.•»••••••••••••••••••••••••••••••• •• ••¦ ** ¦** ** * *
Stichwortverzeichnis..... ..........................•••••••••••••••••••• •••••••••• • • • • ¦ ¦* *
IX
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Inhaltsverzeichnis
1 EINFÜHRUNG IN DIE PHYSIK DER HALBLEITER 1
1.1 Einordnung der Halbleiter zwischen Leitern und Isolatoren 1
1.2 Aufbau von Leitern und Halbleitern 1
1.2.1 Aufbau der Atome l
1.2.2 Kristallaufbau 3
1.3 Leitungsmechanismen in Halbleitern 5
1.3.1 Eigenleitung (Leitungsmechanismen im reinen Halbleiter) 5
1.3.2 Störstellenleitung 7
1.3.3 Ladungsträgerkonzentrationen im dotierten Halbleiter 10
1.3.4 Massenwirkungsgesetz '2
1.3.5 Leitfähigkeit des Halbleiters 12
1.3.6 Erklärung der Leitungsmechanismen im Halbleiter mit Energie-Modellen 13
1.3.7 Energie-Verteilung der freien Elektronen und der Löcher 15
1.4 Übungsaufgaben zur Physik der Halbleiter 19
2 DER PN-ÜBERGANG 20
2.1 Der pn-Übergang ohne äußere Spannung 20
2.1.1 Der ideale abrupte pn-Übergang
2.1.2 Ladungsträgerdiffusion - Bildung einer Raumladungszone 2°
2.1.3 Ladungsträgerdichte
2.1.4 Raumladungsdichte
2.1.5 Diffusionsspannung
2.1.6 Sperrschichtweite
2.1.7 Sperrschichtkapazität
2.1.8 Energiebänder-Modell des pn-Überganges
2.2 Der pn-Übergang mit äußerer Spannung
24
2.2.1 Sperrpolung
2.2.2 Flusspolung
2.2.3 Durchbrach bei hoher Feldstärke in Sperrpolung
2.2.4 Gesamtkennlinie des pn-Überganges
2.2.5 Temperaturabhängigkeit der Kennlinie
2.2.6 Schaltverhalten des pn-Übergangs
2.3 Übungsaufgaben zum pn-Übergang
3 METALL-HALBLEITER-ÜBERGÄNGE 36
3.1 Schottky-Kontakt (Sperrschicht-Kontakt)
3.1.1 Übergang von n-Halbleiter zu Metall mit größerer Austrittsarbeit (WM W„) "
3.1.2 Übergang von p-Halbleiter zu Metall mit geringerer Austrittsarbeit (WM W„)
3.1.3 Eigenschaften des Schottky-Kontakts
3.2 Ohmscher Kontakt
3.2.1 Übergang von n-Halbleiter zu Metall mit kleinerer Austrittsarbeit (WM W„) *
32.2 Übergang von p-Halbleiter zu Metall mit größerer Austrittsarbeit (W„ WH) ^
3.2.3 Ohmseber Kontakt durch hochdotierte Halbleiterzwischenschicht
3-3 Übungsaufgaben zn Metall-Halbklter-Übergingen
I
Inhaltsverzeichnis
4 DIE DIODE 47
4.1 Allgemeines 47
4.2 Universal- und Richtdiode 50
4.3 Hochsperrende Leistungsdioden 51
4.4 Schaltdioden 52
4.5 DieZ-Diode 52
4.6 Kapazitätsdiode 53
4.7 Tunneldiode 54
4.8 Backward-Diode 55
4.9 Schottky-Diode 56
4.10 Weitere Diodenformen 56
4.11 Übungsaufgaben zu Dioden 57
5 STABILISIERUNGSSCHALTUNG MIT Z-DIODE 59
5.1 Grundschaltung 59
5.1.1 Graphische Schaltungsanalyse 59
5.1.2 Rechnerische Schaltungsanalyse (Betrieb mit Gleichspannung) 62
5.2 Berechnung von Grenzwerten 64
5.2.1 Zulässiger Arbeitsbereich der Z-Diode 64
5.2.2 Grenzwerte für die Einzelbauelenente 65
53 Überlagerung von Gleich- und Wechselspannung 69
5.3.1 Wechselanteil der stabilisierten Gleichspannung 69
5.3.2 Verlustleistung der Z-Diode 70
5.3.3 Genauere Betrachtung des differentiellen Widerstandes 70
5.4 Übungsaufgaben zur Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode 72
6 NETZGLEICHRICHTER 73
6.1 Gleichrichterschaltungen ohne Glättung (mit ohmscher Last) 73
6.1.1 Einweggleichrichter 73
6.1.2 Zweiweggleichrichter - Mittelpunktschaltung 75
6.1.3 Zweiweggleichrichter - Brückengleichrichter (Graetz-Gleichrichter) 77
6.1.4 Genauere Berechnung der Zweiweggleichrichter 78
6.2 Gleichrichterschaltungen mit Glättung 80
6.2.1 Glättungsarten 81
6.2.2 Berechnung des Zweiweggleichrichters mit Glättungskondensator 82
6.3 Gleichrichter mit Pufferbatterie 90
6.4 Übungsaufgaben zu Netzgleichrichtern 91
II
Inhaltsverzeichnis
7 DREHSTROMGLEICHRICHTER 94
7.1 Mittelpunkt-Schaltung (Halbbrücke) (3-pulsiger Gleichrichter) 94
7.2 Drehstrom-Brückengleichrichter (6-pulsiger Gleichrichter) 96
7.3 Übungsaufgaben zu Drehstromgleichrichtern 99
8 SPANNUNGSVERVIELFACHUNG 100
8.1 Spannungsverdoppelung mit der Delonschaltung 100
8.2 Spannungsverdoppelung mit Villardschaltung 101
8.3 Spannungsvervielfachung durch Kaskadierung der Villardschaltung 103
8.4 Übungsaufgaben zur Spannungsvervielfachung 104
9 DER BIPOLARE TRANSISTOR 105
9.1 Aufbau und Herstellungsverfahren 105
9.2 Funktionsweise 107
9.2.1 Der Transistoreffekt '07
9.2.2 Strömungsmechanismen im Transistor HO
9.2.3 Einfluss der Kollektor-Basis-Spannung auf den Kollektorstrom 111
9.3 Schaltzeichen - Richtungspfeile für Ströme und Spannungen 112
9.4 Transistor-Grundschaltungen 112
9.4.1 Basisschaltung 112
9.4.2 Emitterschaltung •14
9.4.3 Kollektorschaltung nl
9.4.4 Umrechnung der Stromverstärkungen 118
9.5 Darlington- oder Super-Beta-Schaltung 118
9.6 Daten von Transistoren 119
9.7 Übungsaufgaben zu Aufbau und Funktionsweise des bipolaren Transistors 120
10 ARBEITSPUNKT DES BIPOLAREN TRANSISTORS /
GLEICHSTROMBETRIEB 121
10.1 Einstellung des Arbeitspunktes 121
10.1.1 Einprägung des Basisstromes 122
10.1.2 Einprägung der Basis-Emitter-Spannung '22
10.1.3 Einstellung der Kollektor-Emitter-Spannung '23
10.2 Stabilisierung des Arbeitspunktes 123
10.2.1 Anforderungen an die Stabilität des Arbeitspunktes I23
10.2.2 Ursachen für Arbeitspunkt-Verschiebungen 123
10.2.3 Gegenkopplungsmaßnahmen zur Arbeitspunkt-Stabilisierung 124
10.2.4 Verfahren zur Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes 126
10.2.5 Berechnung von Abweichungen des Arbeitspunktes einer gegebenen Schaltung 127
10.2.6 Stabilisierung des Arbeitspunktes bei der Schaltungsdimensioniening 129
103 DimenrfcHÜeniiig etaer Tnrasistors^^ 131
10.3.1 Dimensionierung der Schaltung 131
10.3.2 Grafische Analyse des Arbeitspunktes 133
ni
Inhaltsverzeichnis
10.4 Beispielschaltungen 136
10.4.1 Konstantspannungsquelle 136
10.4.2 Einfache Konstantstromquelle 136
10.4.3 Einfacher Stromspiegel (Konstantstromquelle) 137
10.4.4 Wilson-Stromspiegel 139
10.5 Übungsaufgaben zum Gleichstrombetrieb des Transistors 140
11 DER BIPOLARE TRANSISTOR IM
WECHSELSPANNUNGSVERSTÄRKER 142
11.1 Grundschaltung eines Wechselspannungsverstärkers in Emitterschaltung 142
11.1.1 Prinzipieller Aufbau und Funktion 142
11.1.2 Analyse des Arbeitspunktes 143
11.1.3 Wechselstromanalyse 143
11.1.4 Verzerrungen und Begrenzungen des Ausgangssignals (Aussteuerungsgrenzen) 144
11.1.5 Technische Realisierung 146
11.2 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker in Emitterschaltung 147
11.2.1 Grafische Analyse des Wechselstrom-Verhaltens 147
11.2.2 Berechnung der Wechselstromgrößen 151
11.2.3 Wechselspannungsverstärkung bei Stromgegenkopplung 153
11.2.4 Berechnung der Kondensatoren 156
11.2.5 Gesamt-Grenzfrequenzen 159
11.3 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker in Basisschaltung 162
11.3.1 Die Schaltung 162
11.3.2 Berechnung der Wechselstrom-Kenngrößen 162
11.3.3 Obere Grenzfrequenz der Basisschaltung 163
11.4 RC-gekoppelter Wechselspannungsverstärker in Kollektorschaltung 164
11.4.1 Stromlaufplan und Daten 164
11.4.2 Wechselstrom-Berechnungen 165
11.4.3 Bootstrapschaltung 168
11.5 Vergleich der Transistor-Grundschaltungen 170
11.6 Lage des Arbeitspunktes im Kennlinienfeld 171
11.6.1 Klein-und Mittelsignalverstärker 172
11.6.2 Leistungsverstärker - Transistorendstufen 172
11.7 Übungsaufgaben zum Wechselspannungsverstärker mit bipolarem Transistor 174
12 DER BIPOLARE TRANSISTOR ALS SCHALTER 176
12.1 Der ideale Schalter (zum Vergleich) 176
12.2 Die Betriebszustände des Transistor-Schalters 178
12.2.1 Ausgewählte Details aus der Halbleiter-und Transistorphysik 178
12.2.2 Prinzipielle Ansteuerungsvarianten 179
12.2.3 Der gesperrte Transistor 180
12.2.4 Der leitende Transistor (ungesättigt, Ucb 0) 181
12.2.5 Der leitende Transistor (gesättigt) 184
12.2.6 Kennlinien-Arbeitsbereiche des Transistors als Schalter 186
IV '
Inhaltsverzeichnis
12.3 Das dynamische Verhalten 187
12.3.1 Einschaltvorgang 187
12.3.2 Der Ausschaltvorgang 190
12.4 Maßnahmen zur Verbesserung des Schaltverhaltens 195
12.5 Schaltverlustleistung 197
12.6 Transistorschalter bei ohmscher, kapazitiver und induktiver Last 199
12.6.1 Ohmsche Last 199
12.6.2 Ohmisch-induktive Last 199
12.6.3 Ohmisch-kapazitive Last 2°1
12.7 Transistor in digitalen Grundschaltungen 202
12.8 Übungsaufgaben zum Transistor als Schalter 205
13 DER FELDEFFEKTTRANSISTOR (FET) 207
13.1 Allgemeines/Grundprinzip 207
13.2 Sperrschicht-FET 207
13.2.1 Aufbau und Wirkungsprinzip 2"^
13.2.2 Einfluss der Kanalspannung auf die Kennlinie 208
13.2.3 Steuerung über das Gate 210
13.2.4 Die Kennlinien des Sperrschicht-FET 2n
13 3 IG-FET (isolated gate) 212
13.3.1 Anreicherungstyp
13.3.2 Verarmungstyp 216
13.3.3 Vorteile der IG-FET 216
13.4 Übersicht über alle FET-Typen 217
13.5 Daten von Feldeffekt-Transistoren 218
13.6 FET als Analogschalter 219
219
13.6.1 Ein-und Ausschaltbedingungen
13.6.2 Grundschaltung eines FET-Analogschalters 219
13.6.3 Verbesserter FET-Analogschalter 221
13.6.4 Gegentakt-FET-Analogschalter
13.7 Arbeitspunkt-Einstellung - Konstantstromquelle (J-FET) 223
13.8 J-FET-Wechselspannungsverstärker in Source-Schaltung 22S
13.8.1 Schaltung des J-FET-WS-Verstärkers 225
13.8.2 Wechselstrom-Ersatzschaltbild des J-FET in Source-Schaltung 225
13.8.3 Berechnung des Wechselspannungsverstärkers
13.9 CMOS-Technik 227
13.9.1 CMOS-Inverter 22?
13.9.2 CMOS-NOR-Gatter 22J
13.9.3 CMOS-NAND-Gatter
13.9.4 CMOS-Übertragungsgatter
13.10 Übungsaufgaben zum Feldeffekttransistor
V
Inhaltsverzeichnis
14 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINES
OPERATIONSVERSTÄRKERS 233
14.1 Allgemeines 233
14.2 Interner Aufbau 233
14.2.1 Eingangsstufe 234
14.2.2 Koppelstufe 238
14.2.3 Ausgangsstufe 238
14.2.4 GesamtschaltungdesOP741 241
14.3 Eigenschaften und Daten von Operationsverstärkern 242
14.4 Moderne Operationsverstärker-Typen 245
14.5 Übungsaufgaben zu Aufbau und Funktionsweise des Operationsverstärkers (VV-OP) 245
15 OPERATIONSVERSTÄRKER - GRUNDSCHALTUNGEN 246
15.1 Anwendungsbeispiele ohne Rückkopplung oder mit Mitkopplung 246
15.1.1 Komparator 246
15.1.2 Schmitt-Trigger 247
15.1.3 Astabiler Multivibrator 248
15.2 Niederfrequente Anwendungsbeispiele mit Gegenkopplung 250
15.2.1 Invertierender Verstärker 251
15.2.2 Nicht-invertierender Verstärker 252
15.2.3 Addition (mit Inversion ) 253
15.2.4 Subtraktion (Differenzverstärker) 254
15.2.5 Integration 255
15.2.6 Differentiation 256
15.2.7 Tiefpass oder Verzögerungsglied 1. Ordnung 257
15.2.8 Hochpass 259
15.2.9 Bandpass 260
15.2.10 PI-Regler(Proportional-Integral-Regler) 261
15.3 Fehler-Rechnung 262
15.3.1 Fehler durch Eingangs-Offset-Spannung 262
15.3.2 Fehler durch Eingangsströme (Bias-Ströme) 263
15.3.3 Fehler durch Ungleichheit der Eingangsströme (Eingangs-Offsetstrom) 264
15.4 Stabilitätsprobleme - Frequenzgangkorrektur 265
15.4.1 Schwingneigung durch ungewollte Mitkopplung 265
15.4.2 Die Schleifenverstärkung 266
15.4.3 Frequenzgangkorrektur 267
15.4.4 Stabilität bei kapazitiver Last und beim Differenzierer 270
15.5 Übungsaufgaben zu Operationsverstärker-Grundschaltungen 271
VI
Inhaltsverzeichnis
16 SPEZIELLE SCHALTUNGSBEISPIELE MIT
OPERATIONSVERSTÄRKERN 273
16.1 Instrumentenverstärker 273
16.2 Präzisionsgleichrichter 274
16.3 Logarithmieren 274
16.4 Delogarithmieren 27S
16.5 Multiplizierer 276
16.6 Abtast-Halte-Glieder (Sample Hold - Verstärker) 277
16.7 Fensterkomparatoren M*
16.8 Multivibratoren mit dem Timer 555 280
16.9 Frequenz-Spannungs- und Spannungs-Frequenz-Wandler 283
16.10 Digital-Analog-und Analog-Digital-Umsetzer 285
16.10.1 Digital-Analog-Umsetzer 285
16.10.2 Analog-Digital-Wandler MB
16.11 Übungsaufgaben Spezielle Operationsverstärker-Schaltungen 293
17 MEHRSCHICHT-UND
LEISTUNGS-HALBLEITER-BAUELEMENTE 297
17.1 Thyristor 297
297
17.1.1 Aufbau und Funktionsweise
301
17.1.2 Haupteinsatzgebiete
17.2 TRIAC M2
17.3 DIAC 3°3
17.4 LeUtungs-MOS-FET (Kurzkanalstrukturen)
17.4.1 VMOS-FET 3O4
17.4.2 DMOS-FET 304
ns igbt 30S
17.6 Übungsaufgaben zu LeUtungs-Halbleiterbauelementen
18 OPTOELEKTRONISCHE BAUELEMENTE 307
307
18.1 Fotowiderstand (LDR)
308
18.2 Fotodiode
308
18.2.1 PN-Ubergang unter Lichteinwirkung
18.2.2 Diodenbetrieb der Fotodiode
18.2.3 Foto-PIN-Diode
18.2.4 Schottky-Fotodiode
18.2.5 Foto-Lawinen-Diode (Avalanche-Fotodiode)
18.2.6 Elementbetrieb der Fotodiode
18.2.7 Solarzelle
313
183 Fototransistor
314
18.4 Lumineszenz-Dioden
315
18JS Displays 315
18.5.1 LED-Displays 3]6
18.5.2 FlUssigkristall-Displays
vn
Inhaltsverzeichnis
18.6 Optoelektronische Koppler 317
18.6.1 Optokoppler (geschlossen) 317
18.6.2 Optokoppler-Lichtschranken 318
18.7 Laser-Dioden 319
18.8 Lichtwellenleiter 322
18.9 Übungsaufgaben zu optoelektronischen Bauelementen 325
19 HALBLEITERBAUELEMENTE OHNE PN-ÜBERGANG
(HOMOGENE HALBLEITERBAUELEMENTE) 326
19.1 Heißleiter (NTC-Widerstände) 326
19.2 Kaltleiter (PTC-Widerstände) 328
19.3 Varistoren (VDR) 329
19.4 Fotowiderstand (LDR) 329
19.5 Feldplatte (MDR) 330
19.6 HaUgenerator 330
19.7 Dehnungsmessstreifen 331
19.8 Übungsaufgaben zu homogenen Halbleitern 332
20 GLEICHSPANNUNGSWANDLER 333
20.1 Drossel-Aufwärtswandler 333
20.2 Drosscl-Abwärtswandler 335
20.3 Drossel-Inverswandler 337
20.4 Einschwingvorgänge 338
20.5 Anwendungsbeschränkungen 338
20.6 Übungsaufgaben zu Schaltwandlern 339
21 THERMISCHE PROBLEME/WÄRMEABLEITUNG 341
21.1 Temperaturerhöhung von Bauelementen durch Wärmefreisetzung 341
21.1.1 Verlustwärme - Verlustleistung 341
21.1.2 Wärmekapazität 341
21.2 Wärmeableitung 342
21.2.1 Der Wärmewiderstand 342
21.2.2 Wärmewiderstand bei Wärmeleitung 342
21.2.3 Wärmewiderstand bei Konvektion 343
21.2.4 Wärmestrahlung 343
21.2.5 Kühlflächenberechnung 343
21.3 Der Wärmestromkreis 344
21.4 Berechnung des Wärmestromkreises 346
21.4.1 Analogie thermischer und elektrischer Größen 346
21.4.2 Berechnung von Temperaturen im stationären Betrieb 347
21.4.3 Reduzierung der zulässigen Verlustleistung bei hoher Umgebungstemperatur 347
21.4.4 Thermische Ausgleichsvorgänge 348
21.5 Übungsaufgaben zu thermischen Problemen 351
VIII
Inhaltsverzeichnis
Anhang A - Schaltungsanalyse 353
A.l Grundlagen der Zweipoltheorie 353
A.2 Einfache Zweipole 354
A.2.1 Passive Zweipole 354
A.2.2 Aktive Zweipole 354
A.3 Ersatzwiderstand passiver Bauelemente .356
A.3.1 Berechnung eines Ersatzwiderstandes bei linearen Elementen 356
A.3.2 Graphisches Verfahren bei nichtlinearen Elementen 356
A3.3 Linearisierung von Kennlinien 357
A.4 Ersatzschaltungen aktiver Zweipole 359
A.4.1 Aktive Zweipole mit einer QueUe 359
A.4.2 Aktiver Zweipol mit mehreren Quellen 360
A.5 Zusammenschaltung aktiver und passiver Zweipole 361
A.5.1 Der lineare Grundstromkreis 361
A.5.2 Der nichtlineare Grundstromkreis - Graphisches Schnittpunktverfahren 361
A.5.3 Stromkreise mit bipolarem Transistor 367
Anhang B - Vierpoltheorie 370
B.l Vierpolgleichungen - Vierpolparameter 370
B.1.1 Die Z-Parameter 372
B.1.2 Die Y-Parameter 372
B.1.3 Die H-Parameter (= Hybrid-Parameter) 373
B.2 Transistor als linearer Vierpol 374
B.2.1 Die h-Parameter des Transistors 374
B.2.2 Ermittlung der h-Parameter aus den Kennlinien des Transistors 376
B.2.3 h-Parameter in Datenblättern von NF-Transistoren 377
B.2.4 Umrechnung der h-Parameter der Emitterschaltung auf die Basisschaltung 378
B.2.5 Theoretisch ermittelte Näherungswerte der Vierpolparameter des Transistors 379
Anhang C - Lösungen der Übungsaufgaben.—.—.—. ••• 381
C.1 Halbleiterphysik (zu Abschnitt 1) 381
C.2 Physik des pn-Übergangs (zu Abschnitt 2) 382
C3 Metall-Halbleiter-Übergängen (zu Abschnitt 3) 384
C.4 Dioden (zu Abschnitt 4) 385
C.5 Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode (zu Abschnitt 5) 387
C6 Netzglelchrichter (zu Abschnitt 6) ^
C7 Drehstromgleichrichter (zu Abschnitt 7) 39Jj
C.8 .Spannungsvervielfachung (zu Abschnitt 8)
C.9 Aufbau und Funktionsweise des bipolaren Transistors (zu Abschnitt 9) 391
CIO Gleichstrombetrieb des Transistors (zu Abschnitt 10) f*f
C.l 1 Wechselspannungsverstärker mit bipolarem Transistor (zu Abschnitt 11) 395
C.12 Transistor als Schalter (zu Abschnitt 12). ~"
C.13 Feldeffekttransistor (zu Abschnitt 13) ~"J
C.14 Aufbau und Funktionsweise des Operationsverstärkers (zu Abschnitt 14) 402
C.15 Operationsverstärker-Grundschaltungen (zu Abschnitt 15) *B
C.16 Operationsverstärker-Schaltungen (zu Abschnitt 16). *J*
C.17 Leistungs-Haibleiterbauelementen (zu Abschnitt 17)
C.18 Optoelektrische Bauelemente (zu Abschnitt 18)
C.19 Homogene Bauelemente (zu Abschnitt 19) 4U
C.20 Gleichspannungswandler (zu Abschnitt 20)
C.21 Thermische Probleme (zu Abschnitt 21)
Anhang D - Verwendete Größensymbole 413
Literaturiünweise .».•.•.•»•••••••••••••••••••••••••••••••"••"••¦""'"**""¦**"**'"'""*"*"
Stichwortverzeichnis. .••••••••••••••••••••"••••••••••"'•"•"•"•'""¦"¦*""*
IX |
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