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2015 | Buch

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Aktive elektronische Bauelemente

Aufbau, Struktur, Wirkungsweise, Eigenschaften und praktischer Einsatz diskreter und integrierter Halbleiter-Bauteile

verfasst von: Leonhard Stiny

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Das Werk bietet ein umfangreiches Wissen über diskrete und integrierte Bauelemente der Halbleitertechnik. Beim Entwurf elektronischer Schaltungen sind gründliche Kenntnisse über eingesetzte Bauelemente erforderlich, um sowohl technisch als auch wirtschaftlich beste Lösungen zu finden und fehlerfreie Produkte zu realisieren. Als Basis werden die theoretischen und physikalischen Grundlagen der Halbleitertechnik vermittelt. Für alle Halbleiter-Bauelemente werden Aufbau, Wirkungsweise, Kenngrößen, Eigenschaften und Charakteristiken erläutert. Mögliche Anwendungen werden unter Bezug auf die Praxis aufgezeigt. Das Buch kann im Studium, in der Lehre sowie als Nachschlagewerk in der Praxis verwendet werden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Elektronische Bauelemente sind als Komponenten einer elektronischen Schaltung deren kleinste funktionale Einheiten. Die mit elektrischen Leitungen untereinander verbundenen Bauelemente bilden in ihrer Zusammenschaltung ganz oder teilweise den Aufbau z. B. einer Baugruppe oder eines Gerätes mit einer bestimmten Funktion.
Elektronische Bauelemente können in die zwei großen Gruppen der passiven und der aktiven Bauelemente eingeteilt werden.
Passive Bauelemente besitzen keine eingebaute (Hilfs-)Leistungsquelle, ihre Ausgangsleistung kann nie größer als ihre Eingangsleistung sein. Passive Bauelemente zeigen keine Verstärkerwirkung, sie sind stets zweipolig, häufig verbrauchen oder speichern sie elektrische Energie. Zu den passiven Bauelementen gehören Widerstände, Kondensatoren und induktive Bauelemente, aber auch Dioden.
Da Dioden aus Halbleitermaterial aufgebaut sind, wie dies bei den meisten aktiven Bauelementen der Fall ist, werden sie hier zusammen mit den aktiven elektronischen Bauelementen behandelt. In einem Werk über passive elektronische Bauelemente würde das vorbereitende Grundlagenwissen über Halbleiter nur für Dioden alleine einen zu großen Raum einnehmen, obwohl es für die sehr große Anzahl aktiver Bauelemente ebenfalls benötigt wird.
Aktive Bauelemente zeigen meist in irgendeiner Form eine Verstärkerwirkung des Eingangssignales oder erzeugen Schwingungen, im Allgemeinen wird hierzu eine Hilfsenergiequelle benötigt. Zu den aktiven Bauelementen gehören auch Spannungs- und Stromquellen, z. B. Batterien und Akkumulatoren.
Leonhard Stiny
2. Grundlagen der Halbleiter
Zusammenfassung
Häufig sind Halbleiter das Basismaterial aktiver elektronischer Bauelemente. Im Folgenden werden einige grundlegende Eigenschaften von Halbleitern behandelt. Für das Verständnis von Eigenschaften und Funktion von Bauelementen, die aus Halbleitermaterial aufgebaut sind, ist dieses Wissen unerlässlich. Es wird auch für den praktischen Einsatz von Halbleiter-Bauelementen benötigt, um die Konsequenzen geänderter Einsatz- oder Randbedingungen (z. B. einer Temperaturänderung) abschätzen zu können.
Leonhard Stiny
3. Der pn-Übergang
Zusammenfassung
Ein pn-Übergang entsteht durch Zusammenfügen von p- und n-leitendem Halbleitermaterial, er ist die Grenzfläche (Grenzschicht) zwischen einer n-dotierten und einer p-dotierten Zone innerhalb eines monokristallinen Halbleiters. Seine Eigenschaften beruhen auf der sich ausbildenden Raumladungszone am Kontakt von p- und n-leitendem Bereich.
Der pn-Übergang ist das Grundelement zahlreicher Halbleiter-Bauelemente, wie z. B. Diode, Sperrschicht-Feldeffekttransistor, Bipolartransistor, Thyristor oder Triac. Die an ihm auftretenden physikalischen Vorgänge werden hier nur soweit erklärt, wie sie für das Verständnis dieser Bauelemente erforderlich sind. Zunächst wird der pn-Übergang ohne äußere Spannung (im thermodynamischen Gleichgewicht), dann mit äußerer Spannung betrachtet.
Leonhard Stiny
4. Halbleiterdioden
Zusammenfassung
Dioden sind wichtige elektronische Bauelemente, sie sind die technische Ausführung des pn-Übergangs und werden in verschiedenen Formen für die unterschiedlichsten Zwecke hergestellt.
Die Diode ist ein nichtlineares Bauelement, im Gegensatz zu linearen Bauelementen wie Ohm’scher Widerstand, Spule oder Kondensator. Wird der Strom durch die Diode in Abhängigkeit von der an ihr liegenden Spannung grafisch dargestellt, so ergibt sich keine Gerade wie bei einem linearen Bauelement, sondern eine stark asymmetrische, gekrümmte Strom-Spannungs-Kennlinie. Der Flussbereich ist gekennzeichnet durch einen großen Strom bei relativ kleiner Spannung, der Sperrbereich durch einen kleinen Strom bei relativ großer Spannung.
Die Diode ist ein Halbleiterbauelement mit zwei Anschlüssen, diese werden mit Anode (A) und Kathode (K) bezeichnet.
Einzeldioden besitzen ein eigenes Gehäuse und sind für die Montage auf Leiterplatten vorgesehen. Integrierte Dioden werden zusammen mit weiteren Halbleiterbauelementen auf einem gemeinsamen Halbleiterträger, dem Substrat, hergestellt. Integrierte Dioden haben einen dritten Anschluss, der aus dem gemeinsamen Träger resultiert und mit Substrat (S) bezeichnet wird. Er ist für die elektrische Funktion meist von untergeordneter Bedeutung.
Leonhard Stiny
5. Bipolare Transistoren
Zusammenfassung
Ohm’sche Widerstände, Kondensatoren und Spulen sind wichtige passive und lineare Bauelemente. Auch eine Diode ist ein passives, aber nichtlineares Bauteil. Wie bereits in der Einleitung erwähnt, wurden die bisher ausführlich besprochenen Dioden in dieses Werk über aktive elektronische Bauelemente aufgenommen, weil sie auf der Halbleitertechnik beruhen, zu deren Verständnis ein umfangreiches Grundwissen erforderlich ist, welches auch bei den aktiven Halbleiterbauelementen benötigt wird.
Soll ein elektrisches Signal verstärkt (vergrößert) werden, um z. B. die Verluste einer Übertragung auszugleichen, so benötigt man aktive Bauelemente. Mit einem aktiven Bauelement kann mit einer kleinen Steuerleistung am Eingang eine große Leistung am Ausgang gesteuert werden. Mit (bipolaren) Halbleiterbauelementen erfolgt diese Steuerung stufenlos und proportional zur Steuerleistung am Eingang. Man erhält einen linearen Verstärker. Aktive Bauelemente erzeugen oder liefern keine Leistung, mit ihnen kann nur mit einer kleinen Leistung am Eingang eine große Leistung am Ausgang gesteuert werden. Eine Ausnahme bilden die unabhängigen Spannungsquellen, welche ebenfalls zu den aktiven Bauelementen gehören und Energie liefern.
Mit aktiven Halbleiterbauelementen lassen sich gesteuerte Quellen realisieren, deren Ausgangswerte von einem Eingangssignal abhängen und mehr Leistung abgeben als aufnehmen. Eine Hilfsenergiequelle (Netzgerät, Batterie als Betriebsspannungsquelle) liefert die für die Verstärkung notwendige Leistung.
Leonhard Stiny
6. Feldeffekttransistoren
Zusammenfassung
Bei Bipolartransistoren (BJT) findet der gesteuerte Stromfluss über jeweils zwei Sperrschichten statt, an der Wirkungsweise des Transistors sind Elektronen und Löcher, also Ladungsträger beider Polarität, beteiligt.
Auch der Feldeffekttransistor (FET \(=\) Field-Effect-Transistor) ist ein Halbleiterbauelement. Feldeffekttransistoren haben aber nur eine einzige interne Sperrschicht. Beim FET trägt zur Steuerung und zum Stromtransport je nach Bauart nur eine Sorte von Ladungsträgern bei, Elektronen oder Löcher. Daher werden FETs auch als Unipolartransistoren (unijunction transistor, UJT) bezeichnet.
FET haben wie Bipolartransistoren drei Anschlüsse. Diese werden wie folgt bezeichnet:
  • Source (S), dies ist die Quelle oder Quellenelektrode, entspricht beim BJT dem Emitter
  • Drain (D), dies ist die Senke oder Senkenelektrode, entspricht beim BJT dem Kollektor
  • Gate (G), dies ist die Steuerelektrode, entspricht beim BJT der Basis.
Leonhard Stiny
7. Thyristoren
Zusammenfassung
Die Bezeichnung Thyristor (SCR \(=\) silicon-controlled rectifier) setzt sich aus Teilen der Begriffe Thyratron und Transistor zusammen. Das Thyratron ist ein veraltetes Röhrenbauelement zum Schalten elektrischer Ströme.
Im Bereich großer Leistungen sind Thyristoren wichtige Bauelemente der Leistungselektronik. Der Thyristor ist eines der ältesten leistungselektronischen Halbleiterbauelemente, wurde bereits 1952 von W. Shockley erfunden, und ist auch heute noch der ideale Schalter für viele Anwendungen in der Starkstromtechnik.
Die Funktionsweise entspricht einer steuerbaren Gleichrichterzelle, sie kann mit einer zu einem bestimmten Zeitpunkt einschaltbaren Diode verglichen werden. Im sperrenden (hochohmigen) Zustand dürfen am Thyristor sehr hohe Sperrspannungen (einige tausend Volt) anliegen. Im leitenden (niederohmigen) Zustand kann ein sehr hoher Strom (einige tausend Ampere) durch den Thyristor fließen, wobei am leitenden Thyristor nur eine sehr kleine Spannung abfällt.
Als elektronischer Schalter hat der Thyristor zwei Schaltzustände. In einer Stromrichtung sperrt der Thyristor. Damit er in der anderen Richtung leitet, muss er eingeschaltet werden. Der Übergang von AUS auf EIN heißt Zünden, der Übergang von EIN auf AUS wird als Löschen bezeichnet. Die Steuerung (das Schalten) des Thyristors kann anodenseitig oder kathodenseitig erfolgen. Im eingeschalteten Zustand verhält sich der Thyristor ähnlich wie eine Diode. Deshalb wird als Schaltzeichen des Thyristors ein Diodensymbol mit zusätzlichem Steueranschluss (Gate) verwendet.
Leonhard Stiny
8. Operationsverstärker
Zusammenfassung
Mehrstufige Transistorverstärker werden häufig in integrierten Schaltkreisen zusammengefasst. Auf diese Weise erhält man elektronische Universalverstärker, die durch ihre externe Beschaltung zur Realisierung analoger oder logischer Funktionen leicht konfigurierbar sind. Der häufigste Universalverstärker ist der Operationsverstärker (Abkürzungen: OP, OV, OpAmp von Operational Amplifier, OPV). Der Name Operationsverstärker stammt von einem der ersten Einsatzgebiete, der Durchführung mathematischer Operationen wie Addition oder Integration in elektronischen Analogrechnern.
Ein Operationsverstärker ist ein mehrstufiger, hochverstärkender, galvanisch gekoppelter Differenzverstärker, der sowohl Gleichspannungen als auch Wechselspannungen verstärken kann. Er wird als elektronisches Bauelement in Form einer integrierten Schaltung hergestellt, er besteht aus mehreren Bipolar- oder Feldeffekt-Transistoren und hauptsächlich Widerständen. Beim Entwurf größerer integrierter Schaltungen werden OPVs als Bibliothekselement eingesetzt.
Leonhard Stiny
9. Grundlagen integrierter Halbleiterschaltungen
Zusammenfassung
Auch in diesem Abschnitt liegt der Schwerpunkt nicht auf der Schaltungstechnik, sondern auf Aufbau, Eigenschaften und Funktionsweise von Bauelementen bzw. Bausteinen. Bei der Besprechung digitaler integrierter Schaltungen werden die grundlegenden Verknüpfungen der Digitaltechnik als bekannt vorausgesetzt.
Leonhard Stiny
10. Halbleiterspeicher
Zusammenfassung
Schaltungen, die Informationen speichern und zu einem späteren Zeitpunkt unverändert wiedergeben können, werden als Speicher bezeichnet. Digitale Halbleiterspeicher zeichnen sich durch hohe Arbeitsgeschwindigkeit und hohe Zuverlässigkeit sowie niedrigen Leistungsverbrauch bei relativ kleinen Kosten je Bit aus. Durch ihre Herstellung als integrierte Schaltkreise ergibt sich eine hohe Speicherdichte und damit ein kleines Volumen. Aus Speicher-ICs lassen sich Speicher mit beliebiger Kapazität und Organisation aufbauen, die vorwiegend als Programm- und Datenspeicher in Mikroprozessoranwendungen eingesetzt werden (z. B. als PC-Arbeitsspeicher).
Leonhard Stiny
11. Anwendungsspezifische Integrierte Bausteine
Zusammenfassung
ASIC ist die Abkürzung für „Application Specific Integrated Circuit“ (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis). Mit ASIC wird eine integrierte Schaltung bezeichnet, die nur für eine ganz bestimmte Anwendung entwickelt und meist für einen einzigen Kunden/Anwender bzw. sein Produkt produziert wird (Custom-Chip).
Im Gegensatz zu ASICs werden Standard-ICs vollständig vom Halbleiterhersteller spezifiziert. ICs wie z. B. Logikgatter, Speicherbausteine oder Mikroprozessoren benötigen viele Produzenten elektronischer Geräte. Diese Bauteile haben einen weiten Einsatzbereich, sie werden in vielen unterschiedlichen Produkten eingesetzt und sind in entsprechend hohen Stückzahlen verkäuflich.
Bei den Kundenschaltungen wird die funktionelle Spezifikation ausschließlich vom Kunden selbst festgelegt. Der Hersteller ist lediglich für die Fertigung zuständig. Der Wunsch nach solchen Kundenschaltungen entsteht z. B., wenn sich bestimmte Leistungsmerkmale mit Standard-ICs nicht oder nur mit hohem Aufwand erzielen lassen. ASICs werden eingesetzt, wenn ein Optimum bezüglich Baugröße, Leistungsfähigkeit und geringer elektrischer Verlustleistung gefordert ist.
Vorteile von ASICs sind:
  • Platzersparnis beim Elektronikaufbau
  • Zuverlässige Funktion, da in einer Komponente integriert
  • Kleine, optimierte Leistungsaufnahme
  • Niedrige Kosten durch Einsparung von Bauteilen und Montageaufwand
  • Exklusivität und Kopierschutz der Elektronikfunktion.
Leonhard Stiny
Backmatter
Metadaten
Titel
Aktive elektronische Bauelemente
verfasst von
Leonhard Stiny
Copyright-Jahr
2015
Electronic ISBN
978-3-658-09153-8
Print ISBN
978-3-658-09152-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-09153-8

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