Lehrstuhl für elektronische Bauelemente, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergLehrstuhl für technische ElektronikFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergTechnische Universität MünchenVirtuelle Hochschule Bayern
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 Inhalt der Vorlesung

 Herzlich Willkommen!

 Einleitung

 Ladungsträger im Festkörper

 Ladungsträger im Halbleiter

 Halbleiterdioden

 Feldeffekttransistoren

 Bipolartransistoren

Inhaltsverzeichnis

Inhalt der Vorlesung
Herzlich Willkommen!
Einleitung
Definition elektronischer Bauelemente
Definition
Ziele der Vorlesung
Ziele der Vorlesung und Voraussetzungen
Geschichtliche Entwicklung
Geschichtlicher Rückblick
1926 /1934 Feldeffekttransistor
1948 Bipolarer Transistor
1958 Integrierte Schaltung
1959 Planartechnologie
1959 Integrierte Schaltung aus Silicium in Planartechnik
1960 MOS-Transistor (Metal Oxide Semiconductor)
1963 CMOS-Technik (Complementary MOS)
1963 DRAM-Speicherzelle (Dynamic Random Access Memory)
1971 Mikroprozessor
Beispiele von bipolaren ICs
Beispiel für einen CMOS-IC
Schreibweise von Größen
Skalare und vektorielle Größen
Maßsysteme
SI (Internationales Einheitensystem)
Weitere gesetzliche und alte Einheiten
Literatur
Empfohlene Literatur
Ladungsträger im Festkörper
Grundlagen
Grundlagen
Transport im elektrischen Feld
Beweglichkeit
Leitfähigkeit und Widerstand (I)
Leitfähigkeit und Widerstand (II)
Leitfähigkeit und Widerstand (III)
Beispiel - Widerstand eines Kupferdrahtes
Energiebänder
Elektronen im Potential eines Atoms (I)
Elektronen im Potential eines Atoms (II)
Elektronen im Festkörper
Verteilungsfunktion (Fermi-Dirac-Statistik)
Energiebänder bei Leitern
Energiebänder bei Halbleiter und Isolator
Ladungsträger im Halbleiter
Grundlagen
Freie Weglänge
Valenzbindungsmodell von Halbleitern (I) - Eigenleitung (Beispiel: Silicium)
Valenzbindungsmodell von Halbleitern (II) - Eigenleitung
Valenzbindungsmodell von Halbleitern (III) - Dotierung mit Donatoren
Valenzbindungsmodell von Halbleitern (IV) - Dotierung mit Akzeptoren
Valenzbindungsmodell des Halbleiters (V) - Ladungsträgerkonzentrationen bei Dotierung
Bändermodelle (I) - Vorbemerkungen
Bändermodelle (II) - Ortsraum
Bändermodelle (III) - Impulsraum
Bändermodelle (IV) - Effektive Masse und Beweglichkeit
Bändermodelle (VI) - Direkte Halbleiter
Bändermodelle (VII) - Indirekte Halbleiter
Bändermodelle (VIII) -Beispiele für direkte und indirekte Halbleiter
Ladungsträgerkonzentrationen
Zustandsdichte (I)
Zustandsdichte (II) - Beispiel: Silicium
Fermi-Dirac-Statistik (I)
Fermi-Dirac Statistik (II)
Intrinsische Ladungsträgerkonzentration (I)
Intrinsische Ladungsträgerkonzentration (II)
Intrinsische Ladungsträgerkonzentration (III)
Intrinsische Ladungsträgerkonzentration (IV)
Dotierter Halbleiter (I)
Dotierter Halbleiter (II)
Dotierter Halbleiter (III)
Dotierter Halbleiter (IV)
Dotierter Halbleiter (V)
Dotierter Halbleiter (VI)
Dotierter Halbleiter (VII)
Dotierter Halbleiter (VIII)
Dotierter Halbleiter (IX)
Dotierter Halbleiter (X)
Dotierter Halbleiter (XI)
Effekte bei sehr hohen Dotierkonzentrationen
Quasi-Ferminiveaus (I)
Quasi-Ferminiveaus (II)
Transporteigenschaften
Ladungsträgertransport im elektrischen Feld (I) - Leitfähigkeit und spezifischer Widerstand
Ladungsträgertransport im elektrischen Feld (II) - Beweglichkeit
Ladungsträgertransport im elektrischen Feld (III) - Beweglichkeit
Ladungsträgertransport im elektrischen Feld (IV) - Beweglichkeit
Ladungsträgertransport im elektrischen Feld (V) - Beweglichkeit
Ladungsträgertransport im elektrischen Feld (VI) - Beweglichkeit
Ladungsträgertransport im elektrischen Feld (VII) - Stoßionisation und Lawinendurchbruch
Ladungsträgertransport im elektrischen Feld (VIII) - Stoßionisation und Lawinendurchbruch
Ladungsträger im magnetischen Feld (I) - Halleffekt
Ladungsträger im magnetischen Feld (II) - Halleffekt
Ladungsträger im magnetischen Feld (III) - Hallsensoren / Aufbau und Anwendungsgebiete
Ladungsträgerdiffusion (I)
Ladungsträgerdiffusion (II) - Diffusionsstrom
Ladungsträgerdiffusion (III) - Einstein-Beziehung
Ladungsträgerdiffusion (IV)
Gesamtstromdichte im Halbleiter
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (I)
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuß (II) - Entstehung von Nichtgleichgewichten
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (III) - Injektion von Majoritätsladungsträgern
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (IV) - Injektion von Minoritätsladungsträgern
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (V) - Generation von Elektron-Loch-Paaren
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (VI) - Rekombination von Elektron-Loch-Paaren
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (VII) - Rekombination von Elektron-Loch-Paaren (Shockley, Hall, Reed)
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (VIII) - Rekombination von Elektron-Loch-Paaren
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (IX) - Abklingen der Überschussladungsträgerdichte
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (X) - Minoritätsträgerlebensdauer
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (XI) - Diffusionslänge
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (XII) - Diffusionslänge
Ausgleich von Ladungsträgerüberschuss (XIII) - Internes elektrisches Feld
Kontinuitätsgleichung (I)
Kontinuitätsgleichung (II)
Kontinuitätsgleichung (III)
Haynes-Shockley-Experiment
Prinzip
Diffusion und Rekombination
Zusammenfassung
Simulation
Übungen
Übungsaufgaben
Halbleiterdioden
Grundlagen
Grundlagen
Thermodynamisches Gleichgewicht
Voraussetzungen für die analytische Berechnungen
Diffusionsspannung (I)
Diffusionsspannung (II)
Diffusionsspannung (III)
Diffusionsspannung (IV)
Raumladung, elektrisches Feld und Potential (I)
Raumladung, elektrisches Feld und Potential (II)
Raumladung, elektrisches Feld und Potential (III)
Raumladung, Elektrisches Feld und Potential (IV)
Bändermodell
Weite der Raumladungszone (I)
Weite der Raumladungszone (II)
Weite der Raumladungszone (III)
Weite der Raumladungszone (IV)
Weite der Raumladungszone (V)
Weite der Raumladungszone (VI)
Simulation: Raumladung, Elektrisches Feld, Potential und Bänderdiagramm
Kapazitäts-Spannungs-Beziehung
Weite der Raumladungszone
Sperrschichtkapazität (I)
Sperrschichtkapazität (II)
Messung der Sperrschichtkapazität
Strom-Spannungs-Beziehung
Allgemeines (I) - Annahmen für ideale Diode nach Shockley
Allgemeines (II) - Ladungsträgerverteilung im Gleichgewicht
Allgemeines (III) - Ladungsträgerverteilung und Ströme bei Flusspolung
Allgemeines (IV) - Ladungsträgerverteilung und Ströme bei Sperrpolung
Allgemeines (V)
Allgemeines (VI) - Quasi-Ferminiveaus
Diffusionsstrom (I) - Prinzip der Herleitung
Diffusionsstrom (II) - Ladungsträgerkonzentrationen in der Raumladungszone
Diffusionsstrom (III) - Stromdichten in den Diffusionsgebieten
Diffusionsstrom (IV) - Kontinuitätsgleichungen in Diffusionsgebieten
Diffusionsstrom (V) - Differentialgleichungen für Konzentrationen
Diffusionsstrom (VI) - Verlauf der Ladungsträgerkonzentrationen
Diffusionsstrom (VII) - Elektronen- und Löcherstromdichte
Diffusionsstrom (VIII) - Gesamtstromdichte
Diffusionsstrom (IX)
Diffusionsstrom (X) - Temperaturabhängigkeit
Generations-/Rekombinationsstrom (I) - Annahmen für analytische Herleitung nach Shockley, Read, Hall
Generations-/Rekombinationsstrom (II) - Prinzip der Herleitung
Generations-/Rekombinationsstrom (III)
Generations-/Rekombinationsstrom (IV)
Generations-/Rekombinationsstrom (V)
Generations-/Rekombinationsstrom (VI)
Generations-/Rekombinationsstrom (VII)
Reale Kennlinie (I)
Reale Kennlinie (II)
Durchbruch (I) - Allgemeines
Durchbruch (II) - thermischer Durchbruch
Durchbruch (III) - Lawinendurchbruch
Durchbruch (IV) - Lawinendurchbruch
Durchbruch (V) - Tunneldurchbruch
Kleinsignalparameter (I)
Kleinsignalparameter (II)
Kleinsignalparameter (III)
Beispiele
Gleichrichterdiode
Zenerdiode
Rückwärtsdiode
Tunneldiode
Kapazitätsdiode
Photodiode
Solarzelle
Lumineszenzdiode
Laserdiode
Weitere Halbleiterdioden
Übungen
Übungsaufgaben
Feldeffekttransistoren
Grundlagen
Allgemeines
Einteilung von Feldeffekttransistoren
Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensator
Allgemeines (I)
Allgemeines (II)
Betriebszustände (I) - Bemerkungen
Betriebszustände (II) - Flachbandfall
Betriebszustände (IIIa) - p-Halbleiter
Betriebszustände (IIIb) - p-Halbleiter
Betriebszustände (IVa) - n-Halbleiter
Betriebszustände (IVb) - n-Halbleiter
Betriebszustände (V) - Tiefe Verarmung
Betriebszustände (VI) - Austrittsarbeitsdifferenz
Betriebszustände (VII) - Isolatorladungen
Betriebszustände (VIII) - Simulation
Weite der Raumladungszone (I)
Weite der Raumladungszone (II)
Einsatzspannung
Betriebszustände (VII) - Zusammenfassung
Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie (I)
Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie (II)
Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie (III)
Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie (IV)
Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie (V)
Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie (VI)
Beispiele (I) - DRAM Speicherzelle (dynamic random access memory)
Beispiele (II) - CCD (charge coupled device)
Metall-Oxid-Silicium-Feldeffekttransistor (MOSFET)
Allgemeines (I)
Allgemeines (II)
Allgemeines (III)
Allgemeines (IV)
Strom-Spannungsbeziehung (I) - linearer Bereich
Strom-Spannungsbeziehung (II) - Triodenbereich
Strom-Spannungsbeziehung (III) - Sättigungsbereich
Strom-Spannungsbeziehung (IV) - Zusammenfassung n-Kanal-Transistor
Strom-Spannungsbeziehung (V) - Zusammenfassung p-Kanal-Transistor
Strom-Spannungsbeziehung (VI)
Substratsteuerfaktor
Unterschwellenstrom (I)
Unterschwellenstrom (II)
Unterschwellenstrom (III)
Transistortypen - Schaltbilder & Ausgangskennlinienfelder
Effekte bei Verkleinerung der Abmessungen
CMOS-Inverter (I)
CMOS-Inverter (II) - Übertragungskennlinie
CMOS-Inverter (III) - Querschnitt
Beispiel - Silicium auf Isolator ("Silicon on Isolator") SOI
Beispiel - Floating-Gate-Speicherzelle (I): Floating-Gate-Transistor
Beispiel - Floating-Gate-Speicherzelle (II): Auslesevorgang
Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) und Metall-Halbleiter Feldeffekttransistor (MESFET)
Schematischer Aufbau eines Sperrschichtfeldeffekttransistors (JFET)
Schematischer Aufbau eines Metall-Halbleiter Feldeffekttransistors (MESFET)
Kennlinien
Transistortypen
Beispiele - planare Sperrschichtfeldeffekttransistoren
Übungen
Übungsaufgaben
Bipolartransistoren
Grundlagen
Struktur von bipolaren Transistoren
Ladungsträgerverteilung beim pn-Übergang im thermodynamischen Gleichgewicht
Ladungsträgerverteilung beim pn-Übergang bei Flusspolung
Ladungsträgerverteilung beim pn-Übergang bei Sperrpolung
Minoritätsladungsträgerkonzentration bei einer npn-Struktur
Kennlinienfelder der Emitterschaltung (I)
Kennlinienfelder der Emitterschaltung (II)
Kennlinienfelder der Emitterschaltung (III)
Beschaltungskonfigurationen
Qualitative Betrachtung des Stromflusses im Normalbetrieb
Strom-Spannungs-Beziehungen
Annahmen & Vereinfachung
Minoritätsladungsträgerdichten im Normalbetrieb
Minoritätsladungsträgerdichte im neutralen Basisgebiet (I)
Minoritätsladungsträgerdichte im neutralen Basisgebiet (II)
Minoritätsladungsträgerdichte im neutralen Basisgebiet (III)
Minoritätsladungsträgerdichte im neutralen Basisgebiet (IV)
Minoritätsladungsträgerdichten in den neutralen Emitter- und Kollektorgebieten (I)
Minoritätsladungsträgerdichten in den neutralen Emitter- und Kollektorgebieten (II)
Strom-Spannungs-Beziehungen im Normalbetrieb (I)
Strom-Spannungs-Beziehungen im Normalbetrieb (II)
Strom-Spannungs-Beziehungen im Normalbetrieb (III)
Betriebsarten von Bipolartransistoren (I)
Betriebsarten von Bipolartransistoren (II)
Betriebsarten von Bipolartransistoren (III)
Parameter
Allgemeines
Definition der Parameter (I)
Definition der Parameter (II)
Bestimmung der Transistorparameter im Normalbetrieb (I)
Bestimmung der Transistorparameter im Normalbetrieb (II)
Stromverstärkung als Funktion der Frequenz
Stromverstärkung als Funktion des Kollektorstroms
Grenzfrequenzen
Laufzeit der Ladungsträger zwischen Emitter und Kollektor (I)
Laufzeit der Ladungsträger zwischen Emitter und Kollektor (II)
Grenzfrequenz
Schaltverhalten und Speicherzeit
Speicherladung (I)
Speicherladung (II)
Speicherladung (III)
Beispiele
Realer planarer npn-Einzeltransistor
Integrierter Transistor
Transistor mit Schottky-Diode
Übungen
Übungsaufgaben