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Halbleiterbauelemente

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Halbleiter

Halbleiter

Wir unterscheiden: Leiter, Halbleiter, Isolatoren.

Spezifischer Widerstand einiger Metalle, Halbleiter und Isolatoren

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Halbleiter

Halbleiter

• Wie bei Metallen sind die elektrischen Leitungsphänomene im klassischen Halbleiter rein elektronischer Art, d.h. die Ladungsträger sind Elektronen

• Alle Halbleiterbauelemente basieren auf elektrischen Leitungsphänomenen und deren Beeinflussung durch elektrische oder andere physikalische (magnetische) bzw. chemische Größen.

• Halbleiterphysik und Halbleitertechnologie bilden die Basis der heutigen Elektronik.

Zur Vertiefung: Elektronik für Informatiker, Kap. 4.2 -4.3 (Halbleitermaterialien, Ausgewählte festkörperphysikalische Grundlagen).

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Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit

Es wird komplizierter: Halbleiter können rein oder wie bei unseren Bauteilen mit Fremdatomen (also anderes Material) dotiert sein (eingebracht). Dann ändern sich sowohl die elektrischen also temperaturabhängigen Eigenwschaften.

Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit für eigenleitende (reine) und dotierte Halbleiter, schematisch

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Halbleiterbaulemente

Halbleiterbaulemente

Halbleiterbauelemente – eine erste Übersicht

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Der pn-Übergang

Der pn-Übergang

(a) Ein p-Material (positive Überschussladungen, oder besser fehlende Elektronen) und ein getrenntes n-Material (negative Überschussladungen, Elektronen) (b) zusammengefügt mit Grenzfläche

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Die Diode

Dioden: Bauelemente mit einem pn-Übergang

• Gleichrichterdioden,
• Zener-Dioden (Z-Dioden),
• Leuchtdioden,
• Fotodioden.

Schaltzeichen verschiedener Dioden

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Die Diode

Gleichrichterdioden dienen dazu, Wechselspannung gleich zu richten, d.h. eine am Eingang der Gleichrichterschaltung angelegte Wechselspannung wird in eine pulsierende Gleichspannung am Ausgang umgesetzt. Solche Schaltungen werden in praktisch allen Geräten genutzt, die mit Wechselspannung gespeist werden, aber intern Gleichspannung benötigen.

Bei Zener-Dioden wird bei Betrieb in Sperrrichtung der Durchbruch bei einer wohldefinierten Spannung U_Z technisch genutzt. Der Sperrstrom steigt dann exponentiell an und muss begrenzt werden, um die Z-Diode vor Zerstörung zu schützen. Die Durchbruchsspannung kann während des Herstellungsprozesses eingestellt werden; sie kann etwa zwischen 3 V und 100 V liegen.

• Z-Dioden werden zur Spannungsstabilisation benutzt. Dazu wird die Z-Diode über einen Vorwiderstand in Sperrrichtung betrieben und über der Z-Diode wird die auf die Spannung U_Z stabilisierte Gleichspannung abgegriffen

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Die Diode

Diode: pn-Übergang in Sperr- und in Durchlassrichtung

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Die Diode

Kennlinie eines pn-Überganges und Diodenschaltzeichen

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diode1.txt

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Die Diode

Für den Strom durch den pn-Übergang als Funktion der außen angelegten Spannung erhält man unter Berücksichtigung verschiedener Halbleitereigenschaften, der Dotierung und aller inneren Teilströme die Gleichung

$${I}={I}_{{S}}{\left({e}^{{\frac{{{e}{U}_{{{A}{K}}}}}{{{k}{T}}}}}-{1}\right)}$$

Dabei ist I_S der sog. Sättigungsstrom, der sich aus Eigenschaften und Dotierung der eingesetzten Halbleiter ergibt

• Näherungsweise kann man den pn-Übergang als einen von der Spannungsrichtung gesteuerten Schalter betrachten

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Der Bipolartransistor

Bipolartransistoren: Bauelemente mit zwei pn-Übergängen.

• Um zwei pn-Übergänge in einem Bauelement zu realisieren, sind zwei Zonenfolgen möglich, nämlich die Zonenfolgen n-p-n und p-n-p; dementsprechend spricht man vom npn-Transistor und vom pnp-Transistor

• Die Elektroden heißen bei beiden Transistorarten Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C).

• Die am Transistor anliegenden Spannungen erhalten einen Doppelindex, der angibt, zwischen welchen Elektroden die Spannung gemessen wird.

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Der Bipolartransistor

• So steht U_BE für die von der Basis zum Emitter gemessene Spannung, die Basis-Emitter-Spannung. Dabei gilt U_BE = −U_EB
• Entsprechend ist U_CE die Spannung zwischen Kollektor und Emitter, also die Kollektor-Emitter-Spannung und U_CB die Kollektor-Basis-Spannung.
• Kollektorstrom I_C , Basisstrom I_B und Emitterstrom I_E¸ werden jeweils zum Transistor hin fließend betrachtet.

Bipolartransistoren, Zonenfolgen und Schaltsymbole mit Zählpfeilen

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Der Bipolartransistor

Es gilt die Knotenpunktregel für die Ströme und für Spannungen die Maschengleichung:

$${I}_{{E}}+{I}_{{B}}+{I}_{{C}}={0}\\ {U}_{{{C}{E}}}={U}_{{{C}{B}}}+{U}_{{{B}{E}}}.$$

• Mit wachsender Basis-Emitter-Spannung U_BE wächst der Basisstrom I_B; der Zusammenhang entspricht einer Diodenkennlinie.

• Mit der Basis-Emitter-Spannung respektive mit dem Basisstrom kann so der Kollektorstrom gesteuert werden. Beim normalen Betrieb ist die Spannung U_BE eine Durchlassspannung; ihr Wert beträgt bei einem Si-Transistor ca. 0,7 V.

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Der Bipolartransistor

Transistorgrundschaltungen in Vierpoldarstellung

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Die Grundschaltungen kann man mit dem Verhältnis zwischen gesteuertem Strom im Ausgangskreis und steuerndem Strom im Eingangskreis charakterisieren.

• Der Quo-tient heißt Gleichstromverstärkung und wird für die Basisschaltung mit A, für die Emitter- schaltung mit B und für die Kollektorschaltung mit C bezeichnet:

$${A}=\frac{{\left|{I}_{{C}}\right|}}{{\left|{I}_{{E}}\right|}}<{1},\\ {B}=\frac{{\left|{I}_{{C}}\right|}}{{\left|{I}_{{B}}\right|}}=\frac{{A}}{{{A}-{1}}}\gg{1}\\ {C}=\frac{{\left|{I}_{{E}}\right|}}{{\left|{I}_{{B}}\right|}}=\frac{{1}}{{{1}-{A}}}\gg{1}$$

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Der Bipolartransistor

Bipolartransistor: Messanordnung zur Kennlinienaufnahme in Emitterschaltung und Kennlinienfeld, schematisch

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Der Bipolartransistor

Vier-Quadranten-Kennlinienfeld:

1. Quadrant, Ausgangskennlinienfeld: I_C = f (U_CE) mit I_B als Parameter,
2. Quadrant, Übertragungskennlinie: I_C = f (I_B),
3. Quadrant, Eingangskennlinie: U_BE = f (I_B) und
4. Quadrant, Rückwirkungskennlinien: U_BE = f (U_CE) mit I_B als Parameter.

Die Kennlinien sind stark nichtlinear.

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Der Bipolartransistor

Bipolartransistor: Kleinsignal-Ersatzschaltbild und Ersatzmodell

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Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Der Feldeffekttransistor

Der Feldeffekttransistor