Vorlesender Dr. Gernot Ecke ZMN 315 Tel: 69 3407 [email protected]WEB-Seiten des Fachgebietes Nanotechnologie: http://www.tu-ilmenau.de/mne-nano/vorlesungen-und-praktika/ http://www.tu-ilmenau.de/nano dort: Überarbeitetes Vorlesungsskript, Übungsaufgaben, Folien zur Vorlesung, Beispielklausur und Ergebnisse Skript und Übungsaufgaben auch bei zu kaufen zum Seminar mitbringen: Vorlesungsmitschrift, Taschenrechner, Aufgabensammlung, Skript Lehrveranstaltung Einführung in die Elektronik Donnerstag, 11.00 – 12.30 Uhr Helmholtz-HS
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Lehrveranstaltung Einführung in die Elektronik · - Skript Elektronik - Lehrbriefe . Grundlagen elektronischer Bauelemente . Köhler / Mersiowski, Nachauflage durch Buff / Hartmann,
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Transcript
Vorlesender Dr. Gernot Ecke ZMN 315 Tel: 69 3407 [email protected] WEB-Seiten des Fachgebietes Nanotechnologie: http://www.tu-ilmenau.de/mne-nano/vorlesungen-und-praktika/ http://www.tu-ilmenau.de/nano dort: Überarbeitetes Vorlesungsskript, Übungsaufgaben, Folien zur Vorlesung, Beispielklausur und Ergebnisse
Skript und Übungsaufgaben auch bei zu kaufen
zum Seminar mitbringen: Vorlesungsmitschrift, Taschenrechner, Aufgabensammlung, Skript
Lehrveranstaltung
Einführung in die Elektronik Donnerstag, 11.00 – 12.30 Uhr Helmholtz-HS
- 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
Th. Stauden Dienstag G 09.00 - 10.30 Sr HU 210 WSW 3.FS
Dienstag U
09.00 - 10.30 Sr K 2026 WIW-MB 3.FS 4
H. Jacobs Dienstag U
13.00 - 14.30 Sr HU 117 WIW-ET 3.FS 1
Dienstag G
13.00 - 14.30 Sr HU 011 WIW-ET 3.FS 2
G. Ecke
Dienstag U
17.00 - 18.30 Sr H 1527 TKS 3.FS
Dienstag G 17.00 - 18.30 Sr C 108 BTC 3.FS K.-H. Drüe
Mittwoch G
09.00 - 10.30 Sr HU 204 WIW-MB 3.FS 3
Mittwoch U
09.00 - 10.30 Sr K 2003A WIW-MB 3.FS 2
G. Ecke Mittwoch U 13.00 – 14.30 Sr H2509 WIW-MB 3.FS 1
L. Schlag Mittwoch G+U 07.00 - 08.30 Sr C 108 TPH 1.FS
Inhalt der Lehrveranstaltung:
0. Vorbemerkungen 0.1. Begriff ‚Elektronik’ 0.2. Bedeutung der Elektronik 0.3. Geschichte der Elektronik 1. Eigenschaften fester Körper 1.1. Metalle 1.2. Energiebänder im Festkörper 1.3. Fermi-Gas 1.4. Isolatoren 1.5. Halbleiter 1.5.1. Reine Halbleiter, Eigenhalbleiter 1.5.2. Gestörte Halbleiter, dotierte Halbleiter 1.5.2.1. n-Dotierung 1.5.2.2. p-Dotierung
2. Passive elektronische Bauelemente 2.1. Widerstände 2.1.1. Festwiderstände 2.1.2. andere Widerstände 2.2. Kondensatoren 2.2.1. Allgemeines 2.2.2. Technische Ausführungen 2.3. Induktivitäten 2.3.1. Allgemeines 2.3.2. Technische Ausführungen 2.3.3. Spezielle Anwendungen 2.3.3.1. Das Relais 2.3.3.2. Der Transformator 2.4. Zusammenschaltungen passiver Bauelemente 2.4.1. Hochpass / Tiefpass 2.4.1.1 Der Tiefpass 2.4.1.2. Der Hochpass 2.4.2. Der Schwingkreis 2.4.2.1. Der Parallelschwingkreis 2.4.2.2. Der Reihenschwingkreis
3. Aktive elektronische Bauelemente 3.1. Halbleiterdioden 3.1.1. Der p-n-Übergang 3.1.1.1. p-n- Übergang im stromlosen Zustand 3.1.1.2. p-n- Übergang bei angelegter Spannung 3.1.2. Die Diode, Gleichstromverhalten 3.1.3. Kleinsignalverhalten 3.1.3.1. das quasistatische Verhalten 3.1.3.2. das dynamische Verhalten 3.1.4. Das Schaltverhalten der Diode 3.1.5. Gleichrichterschaltungen 3.1.5.1. Die Einweggleichrichtung 3.1.5.2. Die Zweiweggleichrichtung 3.1.6. spezielle Halbleiterdioden 3.1.6.1. Die Schottkydiode 3.1.6.2. Die Kapazitätsdiode 3.1.6.3. Die Tunneldiode 3.1.6.4. Die Zenerdiode 3.1.6.5. Die Leuchtdiode
Flussspannungen von LED: 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
Bandlücke und Gitterkonstanten von Halbleitern
Elektronik 3. Aktive elektronische Bauelemente
3.2 Bipolartransistoren
3.2.1 Grundlagen
3.2.2 Die Basisschaltung
3.2.3 Die Emitterschaltung
3.2.4 Kleinsignalersatzschaltbild, h-Parameter
3.2.5 y-Parameter
3.2.6 Der Transistor als Schalter
npn-Transistor pnp-Transistor
zwei Beispiele für den schematischen Aufbau von npn-Transistoren
Bipolartransistor, Aufbau
vertikaler npn-Transistor
Kleinleistungstransitor und Leistungstransistor
Bipolartransistor, Aufbau
Bipolartransistor, Ladungsträger- und Dotierprofil
E B C
U EB
R
U BC
Funktionsprinzip des Bipolartransistors in Basisschaltung
Funktionsprinzip des Bipolartransistors in Basisschaltung
)1( −−=′ ⋅−
T
EBUn
U
ESE eII )1( −−=′ ⋅−
T
CBUn
U
CSC eII
′⋅ EN IA′⋅ CI IA
UEB UCB
Transistorgrundgleichungssystem und Gleichstromersatzschaltbild nach Ebers-Moll
(1)
(2)
)1()1( −⋅+−−= ⋅−
⋅−
T
CB
T
EBUn
U
CSIUn
U
ESE eIAeII
)1()1( −−−⋅= ⋅−
⋅−
T
CB
T
EB
UnU
CSUn
U
ESNC eIeIAI
Elektronik 3. Aktive elektronische Bauelemente
3.2 Bipolartransistoren
3.2.1 Grundlagen
3.2.2 Die Basisschaltung
3.2.3 Die Emitterschaltung
3.2.4 Kleinsignalersatzschaltbild, h-Parameter
3.2.5 y-Parameter
3.2.6 Der Transistor als Schalter
Eingangskennlinie und Ausgangskennlinienfeld in Basisschaltung
Elektronik 3. Aktive elektronische Bauelemente
3.2 Bipolartransistoren
3.2.1 Grundlagen
3.2.2 Die Basisschaltung
3.2.3 Die Emitterschaltung
3.2.4 Kleinsignalersatzschaltbild, h-Parameter
3.2.5 y-Parameter
3.2.6 Der Transistor als Schalter
Eingangskennlinie und Ausgangs-kennlinienfeld in Emitterschaltung
Übertragungskennlinie eines npn-Bipolartransistors
a) Einganskennlinie, b) Ausgangskennlinienfeld und c) Übertragungskennlinie eines Si-Planartransistors
a) b) c)
Spannungsrückwirkung eines Bipolartransistors
Vierquadranten-Kennlinienfelder von Si-npn-Transistoren
IB
AP R
Uq
UCE
IC
IB=100 µA Uq=10 V R=500 Ω
ICmax
UCEmax
PVmax
Ausgangskennlinenfeld und Arbeitsgerade; Blau: Belastungsgrenzen
Arbeitspunkt im Vierquadranten-Kennlinienfeld
a) Basistromeinspeisung von der Betriebsspannung b) Basistromeinspeisung vom Kollektor
c) Basisspannungsteiler (mit R4-Stromgegenkopplung) d) Spannungsgegenkopplung)
Bipolartransistor, Stromversorgungs- schaltungen
a) Basistromeinspeisung von der Betriebsspannung
b) Basistromeinspeisung vom Kollektor
c) Basisspannungsteiler (mit R4-Stromgegenkopplung) d) Spannungsgegenkopplung)
Bipolartransistor, Stromversorgungs- schaltungen
Temperaturabhängigkeit des ICB0 und des Transistor-Ausgangskennlinienfeldes in Emitterschaltung (schematisch)
Ausgangskennlinienfeld eines npn-Transistors BD 825 bei 21°C und 80°C
Elektronik 3. Aktive elektronische Bauelemente
3.2 Bipolartransistoren
3.2.1 Grundlagen
3.2.2 Die Basisschaltung
3.2.3 Die Emitterschaltung
3.2.4 Kleinsignalersatzschaltbild, h-Parameter
3.2.5 y-Parameter
3.2.6 Der Transistor als Schalter
u1
i1
u2
i2
h11
h12u2
h22 h21i1
1
Kleinsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors in h-Parameter-Darstellung
u1=h11i1 + h12u2 (1) I2 =h21i1 + h22u2 (2)
EEE
EB hhh
hh1221
1111 1 −+∆+
=
EEE
EB hhh
hhh1221
1212 1 −+∆+
−∆=
EEE
EEB hhh
hhh1221
2121 1 −+∆+
−∆=
EEE
EB hhh
hh1221
2222 1 −+∆+
=
EEEEE hhhhh 21122211 −=∆
Umrechnung der h-Parameter der Emitterschaltung in die der Basisschaltung
Für den Arbeitspunkt UCE=6 V und IC = 2mA für f= 1 kHz Transistor: SC 206
Ω= kh 1.2114
12 108.3 −⋅=h2921 =h
Sh 522 108.4 −⋅=
hRhRhz
S
Sa ∆+⋅
+=
22
11
hRhRhvL
Lu ∆⋅+
⋅−=
11
21
22
211211 1 h
R
hhhz
L
e
+
⋅−=
22
21
1 hRhv
Li ⋅+=
RL - Gesamtlastwiderstand am Ausgang des Transistors Rs - Gesamtwiderstand am Eingang des Transistors bei kurzgeschlossener Signalquelle
Kenngrößen von Transistorschaltungen
Eingangswiderstand
Ausgangswiderstand
Stromverstärkung
Spannungsverstärkung
Elektronik 3. Aktive elektronische Bauelemente
3.2 Bipolartransistoren
3.2.1 Grundlagen
3.2.2 Die Basisschaltung
3.2.3 Die Emitterschaltung
3.2.4 Kleinsignalersatzschaltbild, h-Parameter
3.2.5 y-Parameter
3.2.6 Der Transistor als Schalter
1111
1h
y =
11
1212 h
hy −=
11
2121 h
hy =
1122 h
hy ∆=
21122211 hhhhh −=∆
Umrechnung der h- in y-Parameter und umgekehrt Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden.
11
1212 y
yh =
11
2121 y
yh =
1122 y
yh ∆=
21122211 yyyyy −=∆
Elektronik 3. Aktive elektronische Bauelemente
3.2 Bipolartransistoren
3.2.1 Grundlagen
3.2.2 Die Basisschaltung
3.2.3 Die Emitterschaltung
3.2.4 Kleinsignalersatzschaltbild, h-Parameter
3.2.5 y-Parameter
3.2.6 Der Transistor als Schalter
IB
t
1
2
t
U /Rq1 1
U /Rq2 2ts tf
IB
t
U /Rq2 2
ts tf
10%
90%
td tr
Schalterstellung
10%
Schaltverhalten des Bipolartransistors
Prinzipschaltung
Stromverläufe
R2
R1
Uq11
21Uq2
Uq12
Elektronik 3. Aktive elektronische Bauelemente
3.1 Halbleiterdioden
3.2 Bipolartransistoren
3.3 Feldeffekttransistoren
3.4 Operationsverstärker
Erfindung des Feldeffekttransistors
Julius Edgar Lilienfeld Mathematiker, Physiker, Philosoph 1882 – 1963 Erfindung 1925 Patent 1926 (Auswanderung 1927)
Patentschrift 1926
Prinzip eines Feldeffekttransistors:
Elektronik 3. Aktive elektronische Bauelemente
3.1 Halbleiterdioden
3.2 Bipolartransistoren
3.3 Feldeffekttransistoren
3.3.1 Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SFET)
Aufbau und Schaltsymbol eines n-Kanal-SFET
Aufbau und Schaltsymbol eines p-Kanal-SFET
Schaltzeichen
n-Kanal-Sperrschicht-FET
p-Kanal-Sperrschicht-FET
Ausgangskennlinienfeld
Übertragungskennline
Einfluß von UGS und UDS auf den Kanal des SFET
Übertragungskennline und Ausgangs-KLF eines n-Kanal-SFET
Kennlinien einen p-Kanal-SFET 2N 2386
Übertragungskennlinie, temperaturabhängig
Ausgangskennlinienfeld
Elektronik 3. Aktive elektronische Bauelemente
3.1 Halbleiterdioden
3.2 Bipolartransistoren
3.3 Feldeffekttransistoren
3.3.1 Sperrschicht-Feldeffekttransistor (SFET)
3.3.2 Feldeffekttransistoren mit isolierendem Gate (IGFET)
n-Kanal-MOSFET
p-Kanal-MOSFET
MOSFET, Aufbau
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+ n-
Hal
blei
ter
SiO
2
Met
all
UMS
Spannungsloser Zustand
MO
S-Ka
pazi
tät
UMS
Positive Spannung am Gate
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+ n-
Hal
blei
ter
SiO
2
Met
all
Anreicherung
MO
S-Ka
pazi
tät
UMS
Negative Spannung am Gate Verarmung
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+ n-
Hal
blei
ter
SiO
2
Met
all
MO
S-Ka
pazi
tät
UMS
Negative Spannung am Gate Inversion
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+ n-
Hal
blei
ter
SiO
2
Met
all
MO
S-Ka
pazi
tät
UMS
Negative Spannung am Gate Starke Inversion
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+
P+ P+ P+ n-
Hal
blei
ter
SiO
2
Met
all
MO
S-Ka
pazi
tät
Anreicherung
Verarmung
Inversion
MO
S-Ka
pazi
tät
Verarmung
Starke Inversion
MO
S-Ka
pazi
tät
Aufbau und Dimensionierung eines MOSFET
Einfluß von UGS und UDS auf den Kanal des MOSFET
Einfluß von UGS und UDS auf den Kanal des MOSFET
n-MOS
p-MOS
Schaltsymbole und Übertragungs- Kennlinien von MOSFETs
Ausgangskennlinienfeld eines n-Enhancement-MOSFET
Ausgangskennlinienfeld und Übertragungskennlinie eines n-Depletion-MOSFET