Bauelemente der Halbleiterelektronik: Teil 1 Grundlagen, Dioden und Transistoren

247 Pages·1976·7.859 MB·German

by  Dr. rer. nat. Herbert Tholl (auth.)

Moeller, Leitfaden der Elektrotechnik
(Fortsetzung)
Band VI
Elektrische Nachrichtentechnik
Tan 1: Grundlagan
Von Prof. Dr.-Ing. H. Frlcka, Braunschweig, Prof. Dr.-lng. K. Lamberts, Clausthal, und Dozent
Dipl.-Ing. W. Schuchardt, Hamburg
2., durchgesehene Auflage. XIV, 278 Seiten mit 277 Bildern und 24 Beispielen. DIN C 5. 1971.
Kart. DM 36,-. ISBN 3-519-16407-8
Tell 2: HOchfrequenztechnik
Von Prof. Dr.-Ing. H. Frlcke, Braunschweig, Prof. Dr.-lng. K. Lamberts, Clausthal, und Dozent
Dipl.-Ing. W. Schuchardt, Hamburg, unter Mitwirkung von Prof. Dr. phil. W. Hasel, Ulm
XI, 247 Seiten mit 236 Bildern. DIN C 5. 1967. Ln. DM 35,-. ISBN 3-519-06408-1
Band VII
Beispiele zu Grundlagen der Elektrotechnik
Von Prof. Dr.-lng. H. Frlcke, Braunschweig, Prof. Dr.-lng. F. Moaller t, Braunschweig, Prof. Dipl.
Ing. R. Pla ••a k, München, Dozent Dipl.-Ing. W. Schuchardt, Hamburg, und Dozent Dr.-lng.
P. Va.ka, Hamburg
2., durchgesehene AUflage. VI, 128 Seiten mit 117 Bildern und 119 Aufgaben. DIN C 5. 1973.
Kert. DM 18,-. ISBN 3-519-16414-0
Band VIII
Elektrische Antriebe und Steuerungen
Von Dozent Dipl.-Ing. H."'. Badarka, Lübeck, Prof. Dipl.-Ing. R. Pta ••a k, München, Dozent Dipl.
Ing. G. Rothanbach, Hamburg, und Dozent Dr.-Ing. P. Vaska, Hamburg
2., neu bearbeitete Auflage. XI, 274 Seiten mit 210 Bildern und 78 Beispielen. DIN C 5. 1975.
Kart. DM 36,-. ISBN 3-519-16411H3
Inhaltsübersicht: Arbeitsmaschinen und Antriebsmotoren I Zusammenwirken von Motor- und Ar
beitsmaschine I Drehzahlverstellung und Antriebsregelung I Auswahl des Antriebsmotors I Steue
rungstechnik
Band IX
Elektrische Energieverteilung
Von Prof. Dipl.-Ing. R. Flosdorff, Aachen, und Prof. Dr.-lng. G. Hllgarth, BraunschweiglWolfenbüttel
2., durchgesehene Auflage, XII, 318 Seiten mit 304 Bildern und 64 Beispielen. DIN C 5. 1975.
Kart. DM 36,-. ISBN 3-519-16411-6
Inhaltsübersicht: Elektrische Festigkeitslehre I Elektrische Netze I KurzschluB und ErdschluB I
Schutzeinrichtungen I Schaltanlagen I Kraftwerke und Elektrizitätswirtschaft
Band X
Grundlagen der Digitaltechnik
Von Prof. Dipl.-Ing. L. Boruckl, Krefeld
ca. 240 Seiten. DIN C 5. 1976. ISBN 3-519-06415-4
Preisänderungen vorbehalten
B. G. Teubner Stuttgart
Moeller
Leitfaden der Elektrotechnik
Herausgegeben von
Dr.-Ing. Hans Fricke
Professor an der Technischen Universität Braunschweig
Dr.-Ing. Heinrich Frohne
Professor an der Technischen Universität Hannover
Dr.-Ing. Paul Vaske
Dozent an der Fachhochschule Hamburg
Band 111, Teill
B. G. Teubner Stuttgart
Bauelemente
der Halbleiterelektronik
Teill Grundlagen, Dioden und Transistoren
Von Dr. rer. nato H. TholI
Dozent an der Fachhochschule Hamburg
1976. Mit 203 Bildern, 18 Tafeln und 60 Beispielen
B. G. Teubner Stuttgart
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Leitfaden der Elektrotechnik I Moeller. Hrsg. von
Hans Fricke ... - Stuttgart : Teubner.
NE : Moeller , Franz [Begr.]; Fricke, Hans [Hrsg.]
Bd. 3. Bauelemente der Halbleiterelektronik.
Teil I. Grundlagen, Dioden und Transistoren I von
H. Tholl. - I. Auf!. - 1976.
ISBN 978-3-519-06418-3 ISBN 978-3-322-91850-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-91850-5
NE: Tholl, Herbert
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an den Verlag gemäß § 54 UrhG eine Vergütung zu zahlen,
deren Höhe mit dem Verlag zu vereinbaren ist.
© B.G. Teubner, Stuttgart 1976
Satz: Schmitt u. Köhler, Würzburg
Umschlaggestaltung: W. Koch, Sindelfingen
Vorwort
Die Elektronik hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten so stürmisch entwickelt wie wohl
kaum ein anderer Bereich der Elektrotechnik. Dabei waren es vor allem die Fortschritte
der Festkörper- und Halbleiterphysik, die diese Entwicklung vorantrieben. Während in
den fünfziger Jahren die Schaltungstechnik in zunehmendem Maße den übergang von
Röhren- zu Transistorschaltungen vollzog, wurde in den sechziger Jahren als weiterer
Fortschritt der Einsatz von integrierten Schaltkreisen erreicht. Im Bereich der integrierten
Schaltkreise ist jetzt eine Entwicklung zu beobachten, die - bedingt durch eine verbesserte
Halbleitertechnologie - zur Herstellung immer komplexerer integrierter Halbleiter
schaltungen führt. Dies hat eine weitgehende Verringerung des Raumbedarfs elektroni
scher Schaltungen zur Folge und führt gleichzeitig zur Steigerung ihrer Leistungsfähig
keit. Sowohl elektronische Großrechner als auch besonders kleine elektronische Tisch
rechner zeugen vom hohen Stand dieser Schaltungstechnik.
Neben dieser Entwicklung hochintegrierter Halbleiterschaltungen wurde in den letzten
zehn Jahren eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen mit speziellen Eigenschaften ent
wickelt, die es erst ermöglichten, für viele Schaltungsprobleme besonders einfache und
deshalb effektive Lösungen zu finden. Obwohl sich einerseits bei der Entwicklung neuer
Halbleiterbauelemente bereits eine gewisse Sättigung abzeichnet, sind jedoch anderer
seits viele dieser Bauelemente noch nicht in die Lehrbücher der Technischen Universi
täten und Fachhochschulen eingegangen.
Ziel dieses Buches ist es deshalb, eine Übersicht über die derzeit zur Verfügung stehenden
Halbleiterbauelemente zu geben und ihren physikalischen Aufbau, ihre Wirkungsweise
und ihre Anwendungsmöglichkeiten darzustellen. Dabei wird versucht, trotz der Viel
zahl der Bauelemente den Lehrbuchcharakter zu wahren, um den Studierenden an
Technischen Universitäten und Fachhochschulen das Einarbeiten in dieses Stoffgebiet zu
erleichtern. Daher kann dieses Buch als vorlesungsbegleitendes Lehrbuch im Rahmen
des Elektronikstudiums verwendet werden. Wegen der ausführlichen Darstellung der
Halbleiterbauelemente ist es aber auch für den Ingenieur der Praxis sowie für Dozenten
der Technischen Universitäten, Fachhochschulen und Fachschulen geeignet.
Um den Umfang des Buches, das innerhalb der Reihe "Leitfaden der Elektrotechnik"
als Band III erscheint, nicht zu stark anwachsen zu lassen, ist der gesamte Stoff auf zwei
Teilbände verteilt. Der Teil 1 enthält die Sachgebiete Dioden und bipolare Transistoren,
und Teil 2 behandelt die Feldeffekt-Transistoren, weitere Spezialtransistoren, Thyristoren
und die Bauelemente der Optoelektronik. Das Gebiet der integrierten Schaltkreise, die
ja eigentlich keine Bauelemente mehr sind, sondern ganze Schaltungsgruppen darstellen,
wird in diesen beiden Teilbänden nur am Rande gestreift.
Die Behandlung eines Bauelements geht zunächst von der Beschreibung seines physi
kalisch-technologischen Aufbaus aus und leitet daraus seine Kennlinien und sein Betriebs-
VI Vorwort
verhalten ab. Zur Vertiefung wird dann die Wirkungsweise an Hand zahlreicher Schal
tungsbeispiele und Anwendungen dargestellt. Mit den Anwendungsbeispielen wird
versucht, die Schaltungen möglichst genau zu dimensionieren und zu berechnen, um den
Studierenden eine Anleitung zur Berechnung von Halbleiterschaltungen zu geben.
Die Gleichungen werden weitgehend als Größengleichungen dargestellt und, soweit dies
der Platz zuläßt, abgeleitet. Bei den Formelzeichen werden für zeitabhängige Größen
(z.B. Wechselspannungen) kleine Buchstaben verwendet. Zeitlich konstante Größen sind
durch große Buchstaben gekennzeichnet. Als Voraussetzungen für das Studium sollten
Grundkenntnisse der Elektrotechnik, wie sie etwa im Band I, Grundlagen der Elektro
technik, behandelt werden, vorhanden sein.
Der Verfasser dankt den Herausgebern des "Leitfadens der Elektrotechnik" für die Auf
nahme seines Buches in diese bekannte Lehrbuchreihe. Sein besonderer Dank gilt Herrn
Prof. Dr. H. Fricke für seine vielen wertvollen Ratschläge und Herrn Dr. P. Vaske für
seine vielen Hinweise zur Gestaltung des Buches. Nicht zuletzt gilt sein Dank auch dem
Verlag für sein verständnisvolles Eingehen auf die Wünsche des Verfassers und für die
hervorragende Ausstattung des Buches.
Hamburg, im Frühjahr 1976 Herbert Tholl
Inhalt
1 Physikalische Grundlagen der Stromleitung in Festkörpern
1.1 Atomarer Aufbau der halbleitenden Elemente . . . . 1
1.1.1 Bohrsches Atommodell . . . . . . . . ... 1
1.1.2 Einordnung der Halbleiter in das periodische System 4
1.2 Kristallaufbau der Halbleiter . 4
1.3 Bändermodell des Festkörpers. 5
1.4 Eigenleitung der Halbleiter . . 8
1.4.1 Inversionsdichte . . . . . 8
1.4.2 Leitfähigkeit von Halbleitern . 10
1.4.2.1 Leitungsmechanismus. 1.4.2.2 Berechnung der Leitfähigkeit.
1.4.2.3 Isolator, Halbleiter und Metall
1.5 Störstellen-Halbleitung . . . . . . 14
1.5.1 N-Halbleiter (Überschußleiter) 15
1.5.2 P-Halbleiter (Defektleiter) 16
1.5.3 Dotierungsgrad . . . . . . . 16
2 HaIbleiterdioden
2.1 PN-Übergang 18
2.1.1 Allgemeine Beschreibung. . . . . . 18
2.1.2 Berechnung der Diffusionsspannung . 18
2.1.3 Bändermodell des PN-Übergangs . . 20
2.1.4 Berechnung der Kennlinie des PN-Übergangs . 22
2.1.4.1 Berechnung der Trägerdichten am PN-Übergang. 2.1.4.2 Be
rechnung des Stroms
2.2 Diskussion der Diodenkennlinie 26
2.2.1 Durchlaßbereich . . . . 26
2.2.2 Sperrbereich . . . . . . 28
2.3 Temperaturabhängigkeit von Sperrstrom und Durchlaßspannung . 29
2.3.1 Temperaturabhängigkeit des Sperrstroms . . . . 29
2.3.2 Temperaturabhängigkeit der Durchlaßspannung . . . . . . 30
VIll Inhalt
2.4 Schalt-und Frequenzverhalten . 31
2.4.1 Sperrschichtkapazität . . 31
2.4.2 Diffusionskapazität . . . 32
2.4.3 Verhalten beim Ein-und Ausschalten der Durchlaßspannung . 34
2.5 Kennwerte und Bauformen . . . . . 35
2.5.1 Kennzeichnung von Halbleitern. . . . 35
2.5.2 Gehäuseformen von Dioden . . . . . 36
2.6 Gleichrichterschaltungen mit Halbleiterdioden 37
2.6.1 Einsatz von Siliziumdioden als Gleichrichter 38
2.6.2 Gleichrichterschaltungen mit reiner Wirklast 40
2.6.3 Gleichrichterschaltungen mit Ladekondensator 46
3 Halbleiterdioden mit besonderen Eigenschaften
3.1 Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.1 Wirkungsweise . . . . . . . . . 52
3.1.1.1 Zener-Effekt. 3.1.1.2 Lawineneffekt
3.1.2 Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.3 Bauformen, Kennzeichnung und Eigenschaften 57
3.1.4 Anwendungen . . . . . . . . 58
3.1.4.1 Spannungsstabilisierung. 3.1.4.2 Doppelte Stabilisierung.
3.1.4.3 Spannungsbegrenzung
3.2 Tunnel-Dioden. . . 62
3.2.1 Wirkungsweise 62
3.2.2 Eigenschaften. 65
3.2.3 Anwendungen 66
3.2.3.1 Tunnel-Diode als Impulsgenerator. 3.2.3.2 Tunnel-Diode als
Verstärker oder Oszillator hochfrequenter Wechselspannungen
3.3 Backward-Dioden . . . . . . . . . . . 69
3.3.1 Wirkungsweise . . . . . . . . . . 69
3.3.2 Kennlinie, Bauform und Anwendung 71
3.4 Spitzen-Dioden . . 72
3.4.1 Eigenschaften. 73
3.4.2 Anwendung . 74
3.5 Hot-carrier-Dioden. 74
3.5.1 Metall-Halbleiterkontakt. 75
3.5.2 Eigenschaften und Aufbau . 77
3.5.2.1 Kennlinie. 3.5.2.2 Ersatzschaltung. 3.5.2.3 Durchbruchs
spannung und Sperrstrom. 3.5.2.4 Verlustleistung. 3.5.2.5 Techno
logischer und mechanischer Aufbau
3.5.3 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
3.5.3.1 Schnelles Diodentor. 3.5.3.2 Modulation. 3.5.3.3 Kleinsignal
Detektor
Inhalt IX
3.6 Kapazitäts-Dioden . . . . . . . . 84
3.6.1 Wirkungsweise . . . . . . . 8S
3.6.2 Eigenschaften und Bauformen 86
3.6.3 Anwendungen . . . . . 87
3.6.3.1 Abstimmung eines Schwingkreises. 3.6.3.2 Abstimmung mit
einer Doppeldiode
3.7 Varaktor-Dioden. . . . . . . 89
3.7.1 Wirkungsweise und Aufbau 89
3.7.2 Anwendungen . . . . . . 90
3.7.2.1 Frequenzvervielfacher. 3.7.2.2 Parametrischer Verstärker
3.8 Step-recovery-Dioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.8.1 Wirkungsweise und Aufbau . . . . . . . . . . . . . . 9S
3.8.2 Berechnung der gespeicherten Ladung und der Speicherzeit . 96
3.8.3 Statische und dynamische Kennlinien . . . . . . . . . . 98
3.8.4 Impulsformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.8.4.1 Impulsaufsteilung. 3.8.4.2 Rechteckimpulsgenerator. 3.8.4.3
Mehrstufige Impulsaufsteilung
3.8.5 Frequenzvervielfacher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.8.5.1 Step-recovery-Impulsgenerator. 3.8.5.2 Resonanzkreis für die
Ausgangsfrequenz. 3.8.5.3 Filter für die Ausgangsfrequenz. 3.8.5.4
Vollständiger Frequenzvervielfacher
3.9 PIN-Dioden. . . . . . . . . . . 108
3.9.1 Wirkungsweise . . . . . . . 108
3.9.2 Eigenschaften und Bauformen 110
3.9.3 Anwendungen . . . . . . . 111
3.9.3.1 Hochfrequenzabschwächer. 3.9.3.2 Duplexschalter in Radar
anlagen
3.10 Impatt-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.10.1 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.10.1.1 Qualitative Erklärung. 3.10.1.2 Genauere Berechnung
3.10.2 Eigenschaften und Aufbau. . . . . . . 120
3.10.2.1 Kennlinie. 3.10.2.2 Verlustleistung
3.10.3 Anwendung als Mikrowellengenerator . . 121
3.10.3.1 Ersatzschaltung. 3.10.3.2Schwingbedingung. 3.10.3.3 Impatt
Mikrowellengenerator
3.11 Gunn-Dioden . . . . . . . 125
3.11.1 Wirkungsweise . . . . 12S
3.11.2 Eigenschaften und Bauform 129
4 Bipolare Transistoren
4.1 Aufbau und Wirkungsweise. 130
4.1.1 Allgemeine Beschreibung. 130
X Inhalt
4.1.2 Bändermodell des Transistors. 132
4.1.3 Stromverstärkung . . . 134
4.2 Transistorkennlinien . . . . . . . 135
4.2.1 Ausgangskennlinienfeld . . . 136
4.2.2 Stromverstärkungs-Kennlinienfeld. 137
4.2.3 Eingangskennlinienfeld. . . . . . 138
4.2.4 Spannungsrückwirkungs-Kennlinienfeld 139
4.3 Darstellung der Verstärkung im Kennlinienfeld der Emitterschaltung 140
4.4 Kleinsignalverhalten . . 143
4.4.1 Grundschaltungen . . . . . . . . . 143
4.4.2 Vierpoldarstellung . . . . . . . . . 143
4.4.2.1 Hybrid-Gleichungen. 4.4.2.2 Leitwert-Gleichungen. 4.4.2.3
Widerstands-Gleichungen. 4.4.2.4 Ersatzschaltungen der Vierpol
gleichungen
4.4.3 Umrechnung der Vierpol-Parameter. . . . . . . . . . . 147
4.4.3.1 Umrechnung der h- und y-Parameter. 4.4.3.2 Berechnung der
h- und y-Parameter der Kollektor- und der Basisschaltung aus den
Parametern der Emitterschaltung
4.4.4 Arbeitspunktabhängigkeit der h-Parameter . . . . . . . . . . . . 151
4.4.5 Berechnung des Kleinsignal-Betriebsverhaltens mit h- und y-Para-
metern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 153
4.4.5.1 Berechnung der Betriebsgrößen mit den h-Parametern - 4.4.5.2
Berechnung der Betriebsgrößen mit den y-Parametern
4.4.6 Kleinsignal-Betriebsverhalten der Emitterschaltung . 155
4.4.7 Kleinsignal-Betriebsverhalten der Kollektorschaltung 158
4.4.8 Kleinsignal-Betriebsverhalten der Basisschaltung 161
4.4.9 Kopplung von Verstärkerstufen . . . . . . . 163
4.5 Temperaturverhalten . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.5.1 Restströme und ihre Temperaturabhängigkeit . . 165
4.5.1.1 Restströme. 4.5.1.2 Temperaturabhängigkeit der Restströme
4.5.2 Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitterspannung . 166
4.6 Einstellung und Stabilisierung des Arbeitspunktes . . 167
4.6.1 Arbeitspunkteinstellung mit Basisspannungsteiler 167
4.6.2 Arbeitspunkteinstellung mit Basisvorwiderstand . 168
4.6.3 Arbeitspunktstabilisierung durch Gleichstromgegenkopplung 169
4.7 Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
4.7.1 Thermischer Widerstand. . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.7.2 Berechnung des thermischen Widerstands eines Kühlblechs . 173
4.8 Durchbruchverhalten . . . . . . . . 175
4.8.1 Basis-Emitter-Sperrspannung. . . 175
4.8.2 Kollektor-Basis-Sperrspannung . . 175
4.8.3 Kollektor-Emitter-Sperrspannung . 176
4.8.4 Fallende Ausgangskennlinien . . . 178