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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

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Die Diode

Die Diode

Dioden: Bauelemente mit einem pn-Übergang

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

Schaltzeichen verschiedener Dioden

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Die Diode

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

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Die Diode

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

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Die Diode

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

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Die Zenerdiode

Die Zenerdiode

Die Zenerdiode hat im "negativen" Quadranten eine weitere Leitfähigkeit ab einer bestimmten Spannung U_z, die herstellungsbedingt eingestellt werden kann (ca. 2-50V, (reversibler erster Durchbruch). Die Vorwärtspannung isthier auch ca. 0.6 V.

Z-Diode: Kennlinie und Einsatzschaltung, im Sperrbereich betrieben für eine definierte Spannungseinstellung.

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Die Leuchtdiode

Die Leuchtdiode

LEDs werden entsprechend in Durchlassrichtung betrieben und emittieren bei Stromfluss Licht. Der Strom durch eine LED muss begrenzt werden; dazu eignet sich ein Vorwiderstand.

Für LED’s werden Verbindungshalbleiter, wie z.B. Galliumarsenid oder Galliumphosphid ver-wendet. Die Wellenlänge (Farbe) des emittierten Lichtes hängt vom Bandabstand des Halblei-ters ab. Mit kürzer werdender Wellenlänge wächst die notwendige Brennspannung (rot: U= 1.6 V, blau: U= 2.9 V). Damit die Strahlung aus dem Gehäuse austreten kann, haben Leuchtdioden ein optisches Fenster oder ein gänzlich transparentes Gehäuse, welches in Ab-strahlrichtung des Lichtes als Linse ausgebildet sein kann.

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Die Fotodiode

Die Fotodiode

Fotodioden - das Gegenstück zur LED, nutzen den inneren lichtelektrischen Effekt im Raumladungsgebiet des in Sperrrichtung betriebenen pn-Überganges. Bei Belichtung des pn-Überganges werden dort Ladungsträgerpaare generiert, wenn die Energie der einfallenden Lichtquanten größer als der Bandabstandsenergie ist (wellenlängenabhängig).

Die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungsträgerpaare werden im Raumladungsfeld des pn-Überganges getrennt und bilden den Fotostrom, der über einige Größenordnungen proportional zum Lichteinfall (Lichtintensität) ist.

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Leucht- und Fotodiode

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

Der Gleichrichter

Eine Anwendung der Diode ist die Gleichrichtung von Wechselspannung in eine Gleichspannung. Besser ausgedrückt die Umwandlung eines bipolaren Signals (positive und negative Spannungen) in ein unipolares Signal (nur noch ein Vorzeichen), vereinfacht:

$${U}_{{{e}{p}}}={\left\lbrace\matrix{{0}&{U}<{U}_{{{t}{h}{r}}}\\{U}&{U}\ge{U}_{{{t}{h}{r}}}}\right.}\\ {U}_{{{v}{p}}}={\left\lbrace\matrix{{0}&{\left|{U}\right|}<{U}_{{{t}{h}{r}}}\\{\left|{U}\right|}&{\left|{U}\right|}\ge{U}_{{{t}{h}{r}}}}\right.}$$

Dabei ist die "Offsetspannung" der Diode von ca. 0.6V (bei Silizium, hier U_thr) zu beachten. Ep ist der Einfachgleichrichter (eine Diode), VP ist der Vollgleichrichter mit vier Dioden.

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Der Gleichrichter

Schaltung Voll- oder Zweiweggleichrichter

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Der Gleichrichter

Bisher haben wir für Sopannungen kleiner ca. 0.7V eine Lücke und in der Nähe nichtlinearses Übertragsungsverhalten. Diese kann aktive durch Einsatz eines Operationsverstärkers "geschlossen" werden und wir erhalten den Pärzisionsgleichrichter.

Präzisionsgleichrichter: Die Dioden werden in den Rpckkopplungsblock des OpAmp eingefügt.

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

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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npn1.txt

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Der Kleinsignalverstärker

Der Begriff Kleinsignalverhalten beschreibt, dass die Aussteuerung so begrenzt wird, dass der Zusammenhang zwischen Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen als linear betrachtet werden kann.

• Damit der Transistor als Verstärker arbeiten kann, muss ein Arbeitspunkt eingestellt werden.
• Arbeitspunkt nennt man die Strom- und Spannungsverhältnisse, die an einem Bauelement oder in einer Schaltung ohne ansteuerndes Signal herrschen.
• Beim Bipolartransistor wird der Arbeitspunkt durch einen Punkt in jedem Quadranten des Kennlinienfeldes repräsentiert. Die für den Arbeitspunkt notwendigen Bedingungen werden durch Beschaltung des Transistors geschaffen.

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Der Kleinsignalverstärker

• Der Widerstand R_B bestimmt u.A. den Arbeitspunkt und die Verstärkung. Dieser kann an die obere Spannunsgquelle oder an den Kollektor des Transistors angeschlossen werden.

Einstufiger Transistor-Kleinsignalverstärker in Emitterschaltung

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Der Kleinsignalverstärker

Oszillogramme von Signalen am Eingang (unten) und am Ausgang (oben) des Verstärkers

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

Der Feldeffekttransistor

Der Feldeffektransistor baut auf einen Kondensator (mit elektrischen Feld) auf. Aus einem Metall-Oxid-Substrat (MOS)-Kondensator entsteht ein MOSFET, indem zwei weitere Elektroden ergänzt werden. Der MOSFET Transistor ist der heute in der Technik vorherrschende Transistortyp.

• Auch hier wieder pn Übergang!

Struktur eines MOSFET ohne und mit Spannungen, schematisch

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Der Feldeffekttransistor

Es gibt drei (vier) Anschlüsse:

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Der Feldeffekttransistor

Symbole für MOSFET-Arten

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Der Feldeffekttransistor

Für jede dieser beiden MOSFET-Arten wird eine weitere Unterscheidung nach dem Verhalten bei der Gate-Source-Spannung U_GS = 0 V getroffen; man unterscheidet:

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Der Feldeffekttransistor

n-Kanal-MOSFET-Kennlinien, schematisch

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Der Feldeffekttransistor

FET: Kleinsignal-Ersatzschaltbild

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Der Feldeffekttransistor

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Der Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren (JFET)

Der Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren (JFET)

Etwas anders als der MOSFET aufgebaut, aber ähnliches Prinzip.

JFET: Aufbau und Funktion, schematisch

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Der Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren (JFET)

Die Kennlinien sehen etwas anders aus und obwohl beruhend auf einer Sperrschicht in den negativen Bereich verschoben, d.h. bei U_GS leitend (selbstleitend, Verarmungstyp)!

JFET-Kennlinien, schematisch

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Der Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren (JFET)

JFET-Schaltsymbole

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Der steuerbare Analogschalter

• Analogschalter werden technisch mit Feldeffekttransistoren realisiert.

• Prinzipiell kann man mit nur einem FET einen Signalpfad trennen und wieder schließen, daher eignen sich FET Transistoren auch für die Digitaltechnik.

• Der Durchgangswiderstand einer so einfachen Anordnung ist aber von der Polarität der Signalspannung abhängig.

• Man verbessert das Verhalten, indem entsprechend Abb. 6.40 zwei MOSFETs unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps parallelgeschaltet werden.

  • Die Steuerung der MOSFETs erfolgt mit einem digitalen Steuersignal. Das digitale Steuersignal hat nur die beiden logischen Zustände 1 und 0.
  • Für den zweiten MOSFET muss das Steuersignal negiert werden. Die Negation leistet ein NICHT-Gatter.

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Der steuerbare Analogschalter

https://neurophysics.ucsd.edu/courses/physics_120/AoE_FET_Switches.pdf Einfacher analoger Schalter mit einem n-Kanal FET Transistor

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Der steuerbare Analogschalter

• Da nächste Problem: Der Durchgangswiderstand eines FET (leitend) hängt von der U_DS Spannung ab (also hier das Signal selber) und nimmt mit U ebenfalls zu/ab (je nach Transistortyp).

• Mit zwei komplementären Transistoren (CMOS) parallel geschaltet kann man das etwas kompensieren

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Digitaltechnik Schaltungen

Repetitorium der Digitalen Schaltungstechnik:

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Digitaltechnik Schaltungen

nMOS-Inverter: Der Übergang von 1 → 0 geht "schnell", da aktiv durch den Transistor, der Übergang 0 → 1 geht "langsamer" da nur über den Widerstand (Laden eines Kondensators). Daher spricht man bei dem Ausgangspegel von [0,H], 0 ist "stark", H ist "schwach".

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Digitaltechnik Schaltungen

(N)AND-Schaltung mit nMOS-Transistoren

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Digitaltechnik Schaltungen

Daher brauchen wir n- und p-Kanal Transistoren, also die heute gängige Complementary MOS Transistortechnik.

• Bei CMOS haben wir immer Paare von n- und p-Kanal Transistoren.
• Aber: Ein p-Kanal Transistor ist niemals (technisch/physikalisch bedingt) der spigelsymmetrsiche Zwilling eines n-Kanal Transistors, und umgekehrt!
• Die komplementären Transistoren sind nur "ähnlich", niemals "invers". Z.B. sind p-Kanal MOSFET langsamer als n-Kanal, die Strombelastbarkeit ist niedriger usw.

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Digitaltechnik Schaltungen

CMOS-Funktionsweise: Der p-Kanal Transistor befindet sich immer oben (positive Versorgungsspannung), der n-Kanal unten (Grund, 0V). Beim p-Kanal oben ist die Source oben, beim n-Kanal unten

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Digitaltechnik Schaltungen

CMOS-NAND Gatter

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

Der Differenzverstärker

• Der Differenzverstärker ist die Eingangsstufe von einem Operationsverstärker und kann mit Bipolar- als auch FET Transistoren (JFET) aufgebaut werden.

• Die Schaltung hat zwei Eingänge (U_e1 und U_e2) und zwei Ausgänge (U_a1 und U_a2).

• Sie wird durch zwei zum Bezugspotential (Masse) symmetrische Spannungen +U_B und −U_B versorgt

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Der Differenzverstärker

Differenzverstärker, schematisch, mit bipolaren Transistoren

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Der Differenzverstärker

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Der Differenzverstärker

• Um diese und die anderen oben gestellten Forderungen, wie eine hohe Verstärkung und ein geringer Innenwiderstand, zu erfüllen, sind weitere direkt gekoppelte Verstärkerstufen mit speziellen Eigenschaften erforderlich.

⇒ Operationsverstärker

Stefan Bosse - ADS - Modul E Halbleiterbauelemente :: Der 3-Transistor OpAmp

Der 3-Transistor OpAmp

Der OpAmp3 besteht aus einem Differenzverstärker (NPN Bipolar) und einem nachfolgenden Transistor (PNP Bipolar) der die Spannungs- und Stromverstärkung übernimmt.

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opamp3.txt