Transistorradio, Schaltplan und Aufbau

Transistorradio, etwas aufwändiger

Si-Scheibendurchmesser1970 50 mm1980 100 mm1990 150 mm1995 200 mm2001 300 mmca. 2012 450 mmkleinere Strukturen - kleinere Schaltkreisflächen oder komplexere IC

Jahr Strukturbreite Speicherkapazität das entspricht:1975 5 μm 4 kbit DRAM 1/4 A4-Seite1985 1,5 μm 1 Mbit DRAM 64 A4-Seiten1990 1 μm 4 Mbit 256 A4-Seiten1995 0,6 μm 16 Mbit 1000 A4-Seiten2000 0,18 μm 256 Mbit 16000 A4-Seiten2003 0,13 μm 512 Mbit 32000 A4-Seiten (100 Bücher)2009 0,050 μm 4 Gbit 800 Bücher = 1 Bibliothek?

Trends in der Chiptechnologie

Energie um Einzelatome und Atome im Festkörper

dGeringerAtomabstand

GroßerAtomabstand

Metall Isolator

W

6

5

4

3

2

1

0

EnergiebänderundBandabstand in Abhängigkeitvom Abstand derAtome

T = 0

T > 0

WF

kT

W

kT 25 meV, T = 300 K

f (W)1

0

( )1exp

1

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=

kTWW

WfF

Fermi-Verteilungsfunktion

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

ParaffinDiamantGlasSchieferReinstes Wasser

reines Ge

Ag

Au, Cu

SnPb

Hal

blei

ter

log ρ[Ω cm]

Der spezifische Widerstand ρ ist eine Stoffeigenschaft, die einen riesigen Größenordnungsbereich überspannt.

Diamantgitter (kfz) (Si)

Zinkblende-Gitter (GaAs, CdS, ZnS u.a.)

Hexagonales Gitter (Wurzitgitter) (GaN, SiC, ZnO, AlN)

Typ Pv, max To, max R ΔR/R "R

[W] [°C] [S] %[1/K]

Draht 0,5-600 200-350 10-1-105 0,1-10 +10-5

Kohleschicht 0,1-5 125 10-1-1012 1-20 -10-4

Metallschicht 0,1-2 170 100-107 0,1-2 -103

Metalloxid 0,5-200 180-250 10-1-106 2-10 +-104

Eigenschaften technischer Widerstände:

Farbcode für Widerstände sengpielaudio

4-Ring-Code - Farbcode Widerstand TabelleFarbe 1.Ring 2.Ring Multiplikator Toleranz +/-keine 20%silber 0,01 10% 1.Ziffergold 0,1 5% 2.Zifferschwarz 0 0 1 Multiplikatorbraun 1 1 10 1% Toleranzrot 2 2 100 2%orange 3 3 1Kgelb 4 4 10K 1.Ziffergrün 5 5 100K 0,50% 2.Zifferblau 6 6 1M 0,25% 3.Zifferviolett 7 7 10M 0,10% Tem p.-grau 8 8 100M 0,05% Koeff.weiß 9 9 1G

5- und 6-Ring-Code - Farbcode Widerstand TabelleFarbe 1.Ring 2.Ring 3.Ring Multiplikator Toleranz +/- Temperatur-keine 20% M Koeffizientsilber 0,01 10% Kgold 0,1 5% J schwarz 0 0 0 1 200 ppm/Kbraun 1 1 1 10 1% F 100 ppm/Krot 2 2 2 100 2% G 50 ppm/Korange 3 3 3 1K 15 ppm/Kgelb 4 4 4 10K 25 ppm/Kgrün 5 5 5 100K 0,50% Dblau 6 6 6 1M 0,25% C 10 ppm/Kviolett 7 7 7 10M 0,10% B 5 ppm/Kgrau 8 8 8 100M 0,05% Aweiß 9 9 9 1G

Beispiel:

5 6 00 = 5,6 k / 10 % / 500 V

Widerstandsrechner: http://www.uni-ulm.de/wwe/PHP/widerstand2.php

E6 E12 E24 E6 E12 E24

± 20% ± 10% ± 5% ± 20% ± 10% ± 5%

1,00 1,00 1,00 3,30 3,30 3,33

1,10 3,60

1,20 1,21 3,90 3,90

1,30 4,30

1,50 1,50 1,50 4,70 4,70 4,70

1,60 5,10

1,80 1,80 5,60 5,60

2,00 6,20

2,20 2,20 2,20 6,80 6,80 6,80

2,40 7,50

2,70 2,70 8,20

3,00 9,10

E-Reihen für die Widerstandsstaffelung

Je größer die E-Reihe, desto kleiner sind die Toleranzen der Bauteile:E3 = über 20 %, E6 = 20 %, E12 = 10%, E24 = 5 %, E48 = 2 %,E96= 1 %, E192 = 0,5 %

Mäanderform integrierter Widerstände:

E-Reihen für die Widerstandsstaffelung

Potentiometerkurven

Ud

+ Q

- Q

e-

e-

AE

Kapazität = Ladungsspeicherung

Strom- und Spannungsverlauf an einer Kapazität

Ersatzschaltbild für hohe Frequenzen:

StyroflexkondensatorWickelkondensator

Keramikkonsendator

Elektrolytkondensator

Kondensatorarten

Materialdaten der drei in der Elektronik verwendeten Elektrolytkondensator-Bauarten

Anode DielektrikumDielektri-Zitätskon-

stante

Spannungs-festigkeitin V/μm

Aluminium Al2O3 8,4 700

Tantal Ta2O5 28 625

Niob Nb2O5 42 455

Drehkondensator

mit Luft-Dielektrikum mit Kunststoff-Dielektrikum

Drehkondensatoren

I (t)

H

U

U, I

t

U ind

t=0

I

Induktivität

Phasenverschiebung an Induktivitäten

Strom- und Spannungsverlauf an einer Spule

Relative Permeabilitäten μr

abstimmbareKreuzwickelspule

Technische Spulen

Funktion des Relais

verschiedene Relais

Reed-Relais

Reed-SchalterPrinzip eines Reed-Relais

Technische Relais

Schaltsymbol Transformator mit ein bzw. zwei Sekundärwicklungen

Magnetfluß im Trafo

Drehstromtrafo

Flachtrafo Ringkerntrafo

kleiner EisenkerntrafoTechnische Transformatoren

102 103 104 105 10610-2

10-1

100

Tiefpass

Am

plitu

denv

erhä

ltnis

Frequenz

102 103 104 105 106-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Tiefpass

Phas

endr

ehun

g [°

]

Frequenz

Tiefpass

102 103 104 105 106

Grenzfrequenz

-40

dB-2

0 dB

0 dB

Tiefpass

Am

plitu

denv

erhä

ltnis

Frequenz

Tiefpass – Darstellung in dB

102 103 104 105 10610-2

10-1

100Grenzfrequenz

Tiefpass Hochpass

Am

plitu

denv

erhä

ltnis

Frequenz

Hochpass 102 103 104 105 106-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Tiefpass Hochpass

Phas

endr

ehun

g [°

]

Frequenz

http://www.walter-fendt.de/ph11d/schwingkreis.htmhttp://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/lrc_swing.html

Der

Sch

win

gkre

is

http://www.walter-fendt.de/ph11d/schwingkreis.htmhttp://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/lrc_swing.html

Parallelschwingkreis

Spule Kondensator

Reihenschwingkreis

Erzwungene Schwingung

Transistorradios, Schaltpläne

x0x

NA NDD

otie

rung

abrupter, symmetrisch dotierter p-n-Übergang

Der p-n-Übergang

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

p-Gebiet n-Gebiet

B-B-B-

B-B-B-

B-B-B-

B-B-B-

B-B-B-

B-B-B-

Konzentrationen beweglicher Ladungsträger in log. Darstellung

Konzentrationen beweglicher Ladungsträger und der Dotandenionen in lin. Darstellung

Resultierende Raumladung in lin. Darstellung

Elektrische Feldstärke in lin. Darstellung

Potential in lin. Darstellung

p nD

er p

-n-Ü

berg

ang

p-n-Übergang in Durchlassrichtung

p-n-Übergang in Durchlassrichtung

p-n-Übergang in Sperrrichtung

Aufbau einer Si-Planardiode

Prinzipieller Aufbau einer Si-Diode

Diode, Schaltsymbol

Dio

den,

Bau

form

en

Diodenkennlinie und Kennliniengleichung

)1( −⋅= ⋅ TUnU

S eII

Einfluss des Halbleiters auf die Diodenkennlinie

Temperaturverhalten

)1( −⋅= ⋅ TUnU

S eII

TT

t

II = I (e -1)s

Un UT

U0

t

U

U =U + sin t0

verzerrtes Ausgangssignal

Wec

hsel

span

nung

an

eine

r D

iode

Wechselspannung

kleiner Amplitude

Wechselspannunggroßer Amplitude

Signalverzerrungen an einer Diode

Abbau der in den Diffusionsschwänzen gespeicherten Ladung beim Umschalten von Durchlass- in Sperrrichtung

http://www.krucker.ch/Skripten-Uebungen/AnSys/ELA4-D.pdf

Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität von der angelegten Sperrspannung

m

DIFF

D

SDS

UU

CUC

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

1

)( 0

CS0 – Nullspannungskapazitätm - GradationsexponentUDIIFF - Diffusionsspannung

Abhängigkeit der Diffusionskapazität vom Diodenstrom

DDD r

TUC 1)( ⋅=

T – Zeitkonstante, TrägerlebensdauerrD – differentieller Widerstand

http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/node91.html

R RBp Bng

Cs

Cd

rD

Dynamisches Ersatzschaltbild der Diode

Schaltverhalten der Halbleiterdiode

ID

Uq2UD

R1 R2

Uq1

Prinzipschaltung

IDUD

IF

UF

t

Idealer Spannungs-und Stromverlauf

IDUD

IR0

IF

UF

tFtS

tRR

t

realer Spannungs-und Stromverlauf

Einweggleichrichtung

ohne Kondensator

mit Kondensator

?

Zweiweggleichrichtung

ohne Kondensator, mit Trafo mit Mittelanzapfung

?

Zweiweggleichrichtung

ohne Kondensator, mit Graetz- oder Brückengleichrichtung

Brückengleichrichter

Schottkydiode

Kennline undSymbol

Aufbau

Bänderschema

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

npn-Transistor pnp-Transistor

zwei Beispiele für den schematischen Aufbau von npn-Transistoren

Bipolartransistor, Aufbau

vertikaler npn-Transistor

Kleinleistungstransitorund Leistungstransistor

Bipolartransistor, Aufbau

Bipolartransistor, Ladungsträger- undDotierprofil

E B C

UEB

R

UBC

Funktionsprinzip des Bipolartransistors in Basisschaltung

Funktionsprinzip des Bipolartransistors in Basisschaltung

)1( −−=′ ⋅−

T

EBUn

U

ESE eII )1( −−=′ ⋅−

T

CB

UnU

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

Eingangskennlinieund Ausgangskennlinienfeldin Basisschaltung

Eingangskennlinieund Ausgangs-kennlinienfeldin 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

APR

Uq

UCE

IC

IB=100 μAUq=10 VR=500 Ω

ICmax

UCEmax

PVmax

Ausgangskennlinenfeld und Arbeitsgerade; Blau: Belastungsgrenzen

Arbeitspunkt im Vierquadranten-Kennlinienfeld

R1 R2

R1

R2

R1 R2

R3 R4

R1

R2

R3

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)

R1

R2

R1 R2

R1 R2

R3 R4

R1

R2

R3

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

u1h11

h12u2

h22

i1

u2

i2

h21i1

1

Kleinsignalersatzschaltbild des Bipolartransistors in h-Parameter-Darstellung

u1=h11i1 + h12u2 (1)I2 =h21i1 + h22u2 (2)

EEE

EB hhh

hh1221

1111 1 −+Δ+

=

EEE

EB hhh

hhh1221

1212 1 −+Δ+

−Δ=

EEE

EEB hhh

hhh1221

2121 1 −+Δ+

−Δ=

EEE

EB hhh

hh1221

2222 1 −+Δ+

=

EEEEE hhhhh 21122211 −=Δ

Umrechnung der h-Parameter derEmitterschaltung in die derBasisschaltung

Für den ArbeitspunktUCE=6 V und IC = 2mAfür f= 1 kHzTransistor: SC 206

Ω= kh 1.2114

12 108.3 −⋅=h2921 =h

Sh 522 108.4 −⋅=

hRhRhz

S

Sa Δ+⋅

+=

22

11

hRhRhvL

Lu Δ⋅+

⋅−=

11

21

22

211211 1 h

R

hhhz

L

e

+

⋅−=

22

21

1 hRhv

Li ⋅+=

RL - Gesamtlastwiderstand am Ausgang des TransistorsRs - Gesamtwiderstand am Eingang des Transistors bei kurzgeschlossener Signalquelle

Kenngrößen von Transistorschaltungen

Eingangswiderstand

Ausgangswiderstand

Stromverstärkung

Spannungsverstärkung

1111

1h

y =

11

1212 h

hy −=

11

2121 h

hy =

1122 h

hy Δ=

21122211 hhhhh −=Δ

Umrechnung der h- in y-Parameter und umgekehrt

1111

1y

h =

11

1212 y

yh −=

11

2121 y

yh =

1122 y

yh Δ=

21122211 yyyyy −=Δ

R1

R2

12

Uq11

Uq12 Uq2

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%

Schaltverhaltendes Bipolartransistors

Prinzipschaltung

Stromverläufe

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

n-Kanal-MOSFET

MOSFET,Aufbau

p-Kanal-MOSFET

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

n-H

albl

eite

r

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+

SiO

2

Met

all

Anreicherung

MO

S-Ka

pazi

tät

n-H

albl

eite

r

UMS

Negative Spannung am Gate Verarmung

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

SiO

2

Met

all

MO

S-Ka

pazi

tät

n-H

albl

eite

r

UMS

Negative Spannung am Gate Inversion

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

P+P+ P+

SiO

2

Met

all

MO

S-Ka

pazi

tät

n-H

albl

eite

r

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+

SiO

2

Met

all

MO

S-Ka

pazi

tät

n-H

albl

eite

r

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

Schaltsymboleund Übertragungs-Kennlinien von MOSFETs

Ausgangskennlinienfeld einesn-Enhancement-MOSFET

Ausgangskennlinienfeld und Übertragungskennlinieeines n-Depletion-MOSFET

Sourceschaltung

Gateschaltung

Drainschaltung

Anreicherungs-MOSFET Verarmungs-MOSFET Grund-schaltungen

Stromversorgungsschaltung für n-Anreicherungs-MOSFET

CMOS-Inverter Eingang: 0 Eingang: 1

Kombination von n-MOSFET und p-MOSFET in der CMOS-Technologie

Differenzverstärker

Prinzipieller Aufbau

Operationsverstärker (Prinzip)Schaltsymbol

alt

neu

OPV

Kenngröße Idealer Operationsverstärker Realer Operationsverstärker

Leerlaufverstärkung Unendlich ca. 105 ... 106

Eingangswiderstand Re unendlich Ω 1 ΜΩ bis 1000 MΩ

Untere Grenzfrequenz fmin 0 Hz 0 Hz

Unitity-Gain-Frequenz-Bandbreite unendlich Hz > 100 MHz

Gleichtaktverstärkung VGl 0 ca. 0,2

Gleichtaktunterdrückung G unendlich ca. 5.000.000

Rausch-Ausgangsspannung Urausch 0 V ca. 3 μV

Offsetspannung 0 V 2 mV

Ausgangsleistung unendlich W 500 mW

Ausgangswiderstand 0 Ω 150 Ω

OPV‘s:Bauformen und Kenngrößen

nichtinvertierender Verstärkerinvertierender Verstärker

Grundschaltungen mit OPV‘s

Impedanzwandler Strom-Spannungswandler Astabiler Multivibrator

Bistabiler Multivibrator Summierverstärker

Differenzierer

IntegriererGrundschaltungen mit OPV‘s