elektronik-grundlagen i elektronische bauelemente · struktur des integrierten mos-transistors bulk...
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BTU Cottbus TI - Elektronische Grundlagen
Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Elektronik-Grundlagen IElektronische Bauelemente
H. T. VierhausBTU Cottbus
Technische Informatik
- Einführung für Studierende der Universität Potsdam -
BTU Cottbus TI - Elektronische Grundlagen
Lehrstuhl Technische Informatik - Computer Engineering
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
P-N-Übergang
p-dotiert n-dotiert
Verarmungs-schicht
R
Durchlaßrichtung: + -
Spannungsquelle
Sperrichtung: - +
HL-Kristall, Einkristall
+ -
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p-n-Diode in Flußrichtung
n p
Sperrschicht
n (x)
p (x)p0
Konzentration
x
n0
lnlp
Verengung
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p-n-Übergang in Sperr-Richtung
p n
Sperrschicht
+
-
Minoritätsträger
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P-N-Diode in Sperrichtung
p n
Sperrschicht
Ausweitung
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Strom-Spannungs-Kennlinie des p-n-Übergangs
Id
Ud
SperrstromIo
U0
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Z-DiodeId
Ud
SperrstromIo
U0Uz
Durchbruch
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Einweg-Gleichrichter
u (t) R
Diode
t
u (t)
i (t)
i (t)
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Brücken-Gleichrichter
+
_
u(t)
R
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Kapazität-Variationsdiode
u (t)
Ck
C
L Cvar
Ck
Uvar
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Erstzschaltungen von realer passiver BauelementeWiderstand R L
Kondensator
C L
R
Spule L R
C
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Ersatzschaltbild einer Diode
UD
IDD IDR
I D,BR C DDC S
RB
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Lineare Kleinsignal-Ersatzschaltungen einer Diode
RB rD
CD
NF- Ersatzschaltbild HF- Ersatzschaltbild
LGRB rD
CDCG
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Thyristor
P n p n
- Flußrichtung +
+ Sperrichtung -
Zünd-Elektrode
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Thyristor-Kennlinie
Durchbruch
Sperrbereich Durchlassbereich
U
I
ohne Zündung
nach Zündung
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Bipolare Transistor-Struktur
n p n
E B C
E-B-Sperrschicht B--C-Sperrschicht
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Bipolarer Transistor mit äußerer Beschaltung
n p n
E B C
E-B-Sperrschicht B--C-Sperrschicht
- + +-
Rbe Rce
I e Ic
Ib
Emitter Basis Kollektor
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Transistor-Schaltzeichen für bipolare Transistoren
npn-Transistor pnp-Transistor
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Eingangskennlinie des bipolaren Transistors
U BE
I EU CB steigt
I C = 0
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Arbeitspunkt-Einstellung
B
C
E
Vcc
GND
R1
R2
Rc
Re
Uce
Ic
Ib
Ausgangs-Kennlinienfeld
Arbeitsgerade
Arbeitspunktin out
Arbeitspunkt-Einstellung für Kleinsignalbetrieb
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Uce
Ic
Ib
Ausgangs-Kennlinienfeld
Lastkennlinie
"Sättigung"
BE-Diode
CB-Diode leitendgesp.
gesp.
leitend
Arbeitsmodus desTransistors
inaktiv
Sättigung
normalaktiv
inversaktiv
Inversbetrieb
B
C
E
Vcc
GND
R1
R2
Rc
Re
Uce
Ic
Ib
Ausgangs-Kennlinienfeld
Arbeitsgerade
Arbeitspunktin out
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Kleinsignalverstärker in Emitterschaltung
B
C
E
Vcc
GND
R 1
R 2
Rc
Re
in
outI q
C kC k
C eU be
I bI c
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Kleinsignal-Ersatzschaltbild - NF
h11h21IIin
1 / h22I in
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Kleinsignal-Ersatzschaltbild HF
b
e eGND
cb’r bb’
g b’ec b’e
c b’c
S21 u b’e
g ce c ce
des bipolaren Transistors in Emitterschaltung
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Verstärker mit Transistor in Emitterschaltung bei höheren
Frequenzen
b
e eGND
cb’r bb’
g b’ec b’e
c b’c
S21 u b’e
g ce c ceR1 R2 RC
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Großsignalbetrieb
Uce
Ic
Ib
Ausgangs-Kennlinienfeld
Lastkennlinie
"Sättigung"
BE-Diode
CB-Diode leitendgesp.
gesp.leitend
Arbeitsmodus desTransistors
inaktiv
Sättigung
normalaktiv
inversaktiv
Inversbetrieb
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Ebers-Moll-Ersatzschaltung
E C
B
I EB0 α F I E
I CB0α R I C
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Großsignal-Ersatzschaltung für höhere Frequenzen
E C
B
I EB0α F I E
I CB0α R I C
C EB C CB
C CE
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Integrierter Bipolarer Transistor
emitter
base
burried layer
n++p+
n-
n+
n++
collector
isolator
(vertical cut)
Grundsubstrat (Silizium)
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Integrierter Bipolarer Transistor
Emitter
Basis
Kollektor
burried layer
n++p+
n-
n+
n++Isolator
Basis
(vergrabene Schicht)
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Feldeffekt-Transistor
HL-Kristall
RD
+
-
Us
gate
drain
source
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Stammbaum der FETsFET
J-FET
MESFETIGATE-FET
SI-MESFETGaAs-MESFET
GaAs-MODFET(Si)
GaAs-IGATE-FET
Si-MOSFET
n-Kanal p-Kanal
normal-on
normal-off
normal-off
normal-on
nMOS CMOS pMOS
normal-on
normal-off
GaAs-FET-ICs
bipolarBICMOS
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n-Kanal-MOS-Transistor (Schnitt)
Silizium Grundsubstrat (p- dotiert)
SiO2 Sperrschicht
n+
Poly-SiliziumKon-takt
n+
MetallFeld-Oxid
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n-Kanal MOS-Transistor (Funktion)
SiO2 Sperrschicht
n+
Poly-SiliziumKon-takt
n+
Metall
RD
source draingate
+-
UGS
UDS
+-
- - - -
Kanal
UDS << UGS
UGS > Uth: Stromfluss
Uth: Schwellenspannung
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n-Kanal MOS-Transistor: Abschnürung
SiO2 Sperrschicht
n+
Poly-SiliziumKon-takt
n+
Metall
RD
source draingate
+-
UGS
UDS
+-
- - - -
Kanal Abschnürung
UDS > UGS
lleff
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p-Kanal MOS-Transistor
Silizium Grundsubstrat (n- dotiert)
SiO2 Sperrschicht
p+
Poly-SiliziumKon-takt
p+
MetallFeld-Oxid
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p-Kanal MOS-Transistor, Funktion
SiO2 Sperrschicht
p+
Poly-SiliziumKon-takt
p+
Metall
p p p p p
Kanal
Strom fließt, wenn die Gate-Elektrode gegenüber dem Kanaleine mindesten um Uth niedrigere Spannung hat !
drainsource
-+
gate
-+
UDS
UGS
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Struktur des integrierten MOS-Transistors
bulk (p-) silicon
source drainn+ n+oxide
poly-silicon poly-silicon
source drainoxide
gate
bulk (n-) silicon
p+ p+
p-channel enhancementtransistor
gate
n-channel enhancement MOStransistor
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MOS-Transistor: Kanal und Abschnüreffekt
bulk (p-) silicon
source drainn+ n+
oxidepoly-silicongate
leitenderKanal bulk (p-) silicon
source drainn+ n+
Ugs >> Uds
Ugs = Uds
leitenderKanal
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Ausgangskennlinien des MOS-Transistors
Uds
Ids
Ugs alsParameter
SättigungsbereichAnlauf-bereich
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n-Kanal-Typen
n-Diffusion
Polysilizium
selbstsperrend
selbstleitend
p-Kanal-Typen
selbstsperrend
p-Diffusion
Gate-Oxid
Feldoxidselbstleitend
n-Substrat
Uds < 0, Ugs > 0
p-Substrat n-Substrat
p-Substrat
Uds > 0, Ugs < 0
Uds > 0, Ugs > 0 Uds < 0, Ugs < 0
Metall
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Kurzkanal-Effekte
p - Substrat
n + n+
Poly-Si
LkLkeff
dox
Tunnel-Effekt
SperrschichtSperrschicht
Source
GateDrain
Kanalverkürzung
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Struktur des MOS-Transistors
p - Substrat
n + n+
Poly-Si
LkLkeff
dox
SperrschichtSperrschicht
Source
GateDrain
W
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Ersatzschaltbild des MOS-Transistors
Rs
G
S D
Cgb
B
Cgd
Cdb
RdCgs Id
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Struktur eines MESFET
Grundsubstrat (semi-isolierend)
n - Diff. n- Diff.
Gate DrainSource
Sperrschicht