Bauelemente der Halbleiterelektronik: Teil 2 Feldeffekt-Transistoren, Thyristoren und Optoelektronik

335 Pages·1978·13.164 MB·German

by  Dr. rer. nat. H. Tholl (auth.)

Moeller
Leitfaden der Elektrotechnik
Herausgegeben von
Dr.-Ing. Hans Fricke
Professor an der Technischen Universitat Braunschweig
Dr.-Ing. Heinrich Frohne
Professor an der Technischen Universitat Hannover
Dr.-Ing. Paul Vaske
Dozent an der Fachhochschule Hamburg
Band III, Teil 2
B. G. Teubner Stuttgart
Bauelemente
der Halbleiterelektronik
Teil2 Feldeffekt-Transistoren, Thyristoren
und Optoelektronik
Von Dr. rer. nat. H. Tholl
Dozent an der Fachhochschule Hamburg
Mit 309 Bildern, 32 Tafeln und 77 Beispielen
B. G. Teubner Stuttgart 1978
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 I von
H.TholI.
Teil 2. Feldeffekttransistoren, Thyristoren und
Optoelektronik. - 1978.
ISBN 978-3-519-06419-0 ISBN 978-3-322-92762-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-92762-0
NE: Tholl, Herbert [Bearb.]
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§ S4 UrhG eine Vergiitung zu zahlen, deren Hohe mit dem Verlag zu vereinbaren is!.
© B.G. Teubner, Stuttgart 1978
Satz: Schmitt und Kohler, Wiirzburg
Umschlaggestaltung: W. Koch, Sindelfingen
Vorwort
Kaum ein anderer Bereich der Elektrotechnik hat sich in den ietzten 25 Jahren so schnell
entwickelt wie die Halbleiterelektronik. Vorangetrieben durch neue Forschungsergeb
nisse der Festkorperphysik und durch eine sHindig verbesserte Technologie bei der Her
stellung von Halbleitern, waren zwei verschiedene Entwicklungsrichtungen zu beobach
ten. Einerseits geiang es, die Integration bis zu einigen 1000 Halbleiterbauelementen auf
einem einzigen Kristall durchzufUhren und somit hochintegrierte Schaltkreise, insbe
sondere fUr die digitale Elektronik und Computertechnik, herzustellen, andererseits
wurde dagegen eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen mit speziellen Eigenschaften
entwickelt, die fUr viele elektronische Probleme optimale Losungen gestatten.
Wahrend nun im Teil 1 dieses Buches, der im Frtihjahr 1976 erschien, die Sachgebiete
Dioden und bipolare Transistoren behandelt werden, enthalt der jetzt vorliegende Teil 2
die Bereiche Feldeffekt-Transistoren, weitere Spezialtransistoren, Thyristor-Bauelemente
sowie das inzwischen sehr umfangreich gewordene Gebiet der Optoelektronik. Auch
hier wird wieder wie in Teil 1 versucht, trotz der Vielzahl der Bauelemente den Lehr
buchcharakter zu wahren, urn den Studenten der Technischen Universitaten und der
Fachhochschulen das Einarbeiten in dieses komplexe Stoffgebiet zu erleichtern. Das
Buch kann deshalb gemeinsam mit Teil 1 als vorlesungsbegleitendes Lehrbuch benutzt
werden, wobei der in den beiden Teilbanden zusammengetragene Stoff haufig tiber das
in einer Elektronik-Vorlesung aus Zeitgrtinden Behandelbare hinausgeht. Die Bticher
stellen deshalb auch eine wertvolle Erganzung zu dem in der Vorlesung behandelten Stoff
dar und eignen sich fUr das Selbststudium. Ftir diesen Zweck ist die groBe Anzahl von
detailliert durchgerechneten Beispielen vorteilhaft. Wegen der Vielzahl und der ausfUhr
lichen Darstellung der Halbleiterbauelemente wird jedoch auch der Ingenieur der Praxis
und der Hoch- bzw. Fachhochschuldozent fUr sich geeignete Anregungen finden.
Die Behandlung der Bauelemente geht von den ihnen zu Grunde liegenden physikalischen
Effekten aus und leitet daraus ihre Kennlinien und ihr Betriebsverhalten abo Zur Ver
tiefung wird dann ihre Wirkungsweise an Hand zahlreicher Anwendungsbeispiele dar
gestellt, die soweit moglich genau dimensioniert und durchgerechnet werden. Dem Sach
gebiet Optoeiektronische Bauelemente wurde ein Abschnitt tiber die Grundlagen der
Optoelektronik vorangestellt, urn den Leser in die neue Problematik der Wechselwirkung
von Licht mit Festkorpern einzufUhren und die Vielzahl der radio-und photometrischen
KenngroBen zu definieren.
Gleichungen werden wie in Teil 1 als GroBengleichungen dargestellt und, soweit dies der
Platz zulaBt, abgeleitet. Ais Voraussetzung fUr das Studium sollten Grundkenntnisse
der Elektrotechnik, wie sie z. B. in Band I, Grundlagen der Elektrotechnik, dargestellt
sind und die in Band III, Teil 1 behandelten Grundlagen der Halbleiterphysik, der
Dioden und der bipolaren Transistoren vorhanden sein.
VI Vorwort
Der Verfasser dankt den Herausgebern des "Leitfadens der Elektrotechnik" fUr die Auf
nahme des Buches in diese bekannte Lehrbuchreihe. Sein Dank gilt auch den Heraus
gebern fUr die Mlihe bei der Durchsicht des Manuskripts und fUr viele wertvolle Rat
schlage und Hinweise zur Gestaltung des Buches. Nicht zuletzt gilt sein Dank auch dem
Verlag, der wie bei Teil1 auch hier wieder verstandnisvoll auf die Wlinsche des Ver
fassers einging und das Buch hervorragend ausstaUete.
Hamburg, im Herbst 1977 Herbert Tholl
Inhalt
1 Transistoren mit besonderen Eigenschaften
1.1 Feldeffekt-Transistoren. . . ..
1.1.1 Einfiihrung und U'bersicht
1.1.2 Sperrschicht-FET . . . . 2
1.1.2.1 Aufbau. 1.1.2.2 Wirkungsweise und Kennlinien. 1.1.2.3 Kenngr5Ben.
1.1.2.4 Berechnung der Kennlinien
1.1.3 MOS-FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
1.1.3.1 MOS-FETvom Verarmungstyp. 1.1.3.2 MOS-FETvom Anreicherungs-
typo 1.1.3.3 Kennlinien
1.1.4 Temperaturverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19
1.1.4.1 Temperaturabhangigkeit des Gate-Strom!>. 1.1.4.2 Temperaturabhangig-
keit des Drain-Stroms
1.1.5 Durchbruchspannungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.1.5.1 Gate-Durchbruchspannung. 1.1.5.2 Drain-Source-Durchbruch-
spannung
1.1.6 Kapazitaten und Hochfrequenzverhalten . . . . . . . . . . . . . 24
1.1.6.1 Ersatzschaltung. 1.1.6.2 Frequenzabhangige Leitwertparameter.
1.1.6.3 Schaltverhalten
1.1. 7 Rauschen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.1.7.1 Rauschquellen im FET. 1.1.7.2 Rauschzahl und Rauschspannung
1.1.8 Doppel-Gate-FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
'1.1.9 Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.1.9.1 Kieinsignaiverstarkung. 1.1.9.2 Konstantstromquellen. 1.1.9.3 Ge
steuerte Widerstande. 1.1.9.4 Digitaie Schaltungen. 1.1.9.5 Hochfrequenz
Schaltungen
1.2 Unijunction-Transistoren. 67
1.2.1 Aufbau. . . . . . 67
1.2.2 Wirkungsweise, Kennlinien und Kenngr5Ben 67
1.2.3 Temperaturverhaiten . . . . . . . . . . . 70
1.2.4 Temperaturstabilisierung der H5ckerspannung . 72
1.2.5 Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . 73
1.2.5.1 Sagezahngenerator. 1.2.5.2 Triggerimpuisgenerator. 1.2.5.3 Zeitver-
z5gerungsschaltung
1.3 Lawinen-Transistoren . . . . . . . . . . . . . 80
1.3.1 Durchbruchverhalten bipolarer Transistoren . 80
1.3.2 Betrieb aIs Lawinen-Transistor .. 82
1.3.3 Anwendung als Impuisgenerator. . . . . . 86
VIII Inhalt
2 Thyristoren
2.1 Allgemeine Ubersicht 89
2.2 Trigger-Dioden . . . 91
2.2.1 Riickwiirts sperrende Trigger-Diode 91
2.2.1.1 Wirkungsweise, Kennlinien und Kenngrof3en. 2.2.1.2 Anwendung als
Triggerimpuls-Generator
2.2.2 Bidirektionale Trigger-Diode (DIAC) . 95
2.3 Thyristor-Dioden . . . . . . . . . . . . 96
2.3.1 Riickwiirts sperrende Thyristor-Diode (Vierschicht-Diode) 96
2.3.1.1 Wirkungsweise. 2.3.1.2 Kennlinie und Kenngrof3en. 2.3.1.3 Anwendungen
2.3.2 Bidirektionale Thyristor-Diode (Fiinfschicht-Diode) 101
2.4 Thyristor-Trioden. . . . . . . . . . . . . . . . . 102
2.4.1 Riickwiirts sperrende Thyristor-Triode (Thyristor) 102
2.4.1.1 Wirkungsweise. 2.4.1.2 Kennlinie. 2.4.1.3 Kenngrof3en der Anoden
Kathoden-Strecke. 2.4.1.4 Kennlinien und Kenngrof3en der Gate-Kathoden
Strecke. 2.4.1.5 Schaltverhalten. 2.4.1.6 Technischer Aufbau und Kiihlung.
2.4.1.7 Anwendungen
2.4.2 Bidirektionale Thyristor-Trioden (TRIAC) . . . . . . . . . . . . . . . 135
2.4.2.1 Kennlinie. 2.4.2.2 Triggerung in den vier Betriebszustiinden. 2.4.2.3
Kenngrof3en. 2.4.2.4 Technologischer Aufbau. 2.4.2.5 Anwendungen
2.5 Thyristor-Tetroden . . . . . . 153
2.5.1 Aufbau und Wirkungsweise 153
2.5.2 Kennwerte . . . . 154
2.5.3 Anwendungsbeispiel 155
3 Optoelektronische Bauelemente
3.1 Grundlagen der Optoelektronik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.1.1 Eigenschaften optischer Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.1.1.1 Wellencharakter des Lichts. 3.1.1.2 Teilchencharakter des Lichts
3.1.2 Thermische Strahlungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . 161
3.1.2.1 Absorption und Emission. 3.1.2.2 Raumwinkelabhiingige Strahlung.
3.1.2.3 Spektrale Energieverteilung des schwarzen Strahlers
3.1.3 Radiometrische und photometrische Grof3en. . . . . . . . . . . . . .. 166
3.1.3.1 Photometrische Grof3en. 3.1.3.2 Umrechnung radiometrischer in photo
metrische Grof3en. 3.1.3.3 Farbtemperatur und Normlicht-A
3.1.4 Wechselwirkung von Licht mit Halbleitern 170
3.1.4.1 Photoleiter. 3.1.4.2 Photoemitter
3.2 Photowiderstiinde als Strahlungsempfiinger . 172
3.2.1 Aufbau und Wirkungsweise. . . . . 173
3.2.2 Kennlinien und Kenngrof3en. . . . . 175
3.2.2.1 Empfindlichkeit. 3.2.2.2 Dynamische Eigenschaften. 3.2.2.3 Grenzwerte
3.2.3 Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
3.2.3.1 Diimmerungsschaiter. 3.2.3.2 Helligkeitssteuerung von Lampen
3.3 Photodioden als Strahlungsempfiinger . . 181
3.3.1 PN-Ubergang unter Lichteinwirkung 181
InhaIt IX
3.3.2 Aufbau und Kennlinien. . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.3.2.1 Kennlinienfeld. 3.3.2.2 Photoelement. 3.3.2.3 Solarzelle
3.3.3 Kenngro/3en. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 188
3.3.3.1 Statische Kenngro/3en. 3.3.3.2 Dynamische Kenngro/3en. 3.3.3.3 Richt
charakteristik
3.3.4 Photo-PIN-Dioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
3.3.5 Photo-Lawinen-Dioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 193
3.3.5.1 Wirkungsweise und Kennlinien. 3.3.5.2 Verstarkung-Bandbreite-Pro-
dukt
3.3.6 Photo-Duo-Dioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
3.3.6.1 Aufbau und Wirkungsweise. 3.3.6.2 Kennwerte und Kennlinien
3.3.7 Schaltung mit Photodioden . . . . 199
3.4 Phototransistoren als Strahlungsempfiinger 202
3.4.1 Aufbau und Wirkungsweise. . . . 202
3.4.2 Statische Kennlinien und Kenngro/3en 203
3.4.3 Dynamisches Verhalten. . . . . . . 206
3.4.3.1 Ersatzschaltung. 3.4.3.2 Kurzschlu/3grenzfrequenz. 3.4.3.3 Grenz
frequenz bei Belastung. 3.4.3.4 Schaltzeiten. 3.4.3.5 Verbesserung des Schalt-
und Frequenzverhaltens
3.4.4 Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
3.4.4.1 Einfaches optisches Relais. 3.4.4.2 Optisches Relais mit Schmitt-Trigger
3.5 Photothyristoren als Strahlungsempfanger 218
3.5.1 Aufbau und Wirkungsweise . 219
3.5.2 Kennwerte . 220
3.5.3 Anwendung. . . . . . . . 220
3.6 Photo-FET als Strahlungsempfiinger. 221
3.7 Lumineszenz-Dioden als Strahlungssender 222
3.7.1 Lichterzeugung in Halbleitern . . . 222
3.7.1.1 Direkte und indirekte Halbleiter. 3.7.1.2 PN-Ubergang als Lichtemitter
3.7.2 GaAs-Lumineszenz-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
3.7.2.1 Herstellung und Aufbau. 3.7.2.2 Abgestrahltes Spektrum. 3.7.2.3 Wir
kungsgrad und Quantenausbeute. 3.7.2.4 Statische Kennlinien. 3.7.2.5 Schalt
verhalten
3.7.3 GaP-Lumineszenz-Dioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
3.7.3.1 Herstellung und Dotierung. 3.7.3.2 Abgestrahlte Leistung, Quanten
ausbeute und Lichtstarke. 3.7.3.3 Weitere Kennwerte
3.7.4 GaAsP-Lumineszenz-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
3.7.4.1 Strahlungserzeugung im Mischkristall aus GaAs und GaP. 3.7.4.2 Her
stellung und Aufbau. 3.7.4.3 Abgestrahlte Leistung, Quantenausbeute und
Lichtstarke. 3.7.4.4 Weitere Kennwerte
3.7.5 Lumineszenz-Dioden als Anzeigeelemente. . . . . . . . . . . . . 243
3.7.5.1 Sieben-Segment-Anzeige. 3.7.5.2 Anzeige mit 7· 5-Diodenmatrix
3.8 Optoelektronische Koppler. . . . . . . . . . . . . . . . . 247
3.8.1 Optokoppler aus Lumineszenz-Diode und Photodiode. . . 247
3.8.2 Optokoppler aus Lumineszenz-Diode und Phototransistor . 248
3.8.2.1 Kennwerte. 3.8.2.2 Photo-Darlington-Optokoppler
X Inhalt
3.8.3 Photothyristor-Optokoppler . 249
3.8.4 Optokoppler-Strahlschranken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
3.8.4.1 Strahlschranken ohne Schwellwertschalter. 3.8.4.2 Strahlschranke mit
Schwellwertschalter
3.8.5 Optokoppler-Gleichstromrelais 252
3.8.6 Optokoppler-Wechselstromrelais . 253
3.9 Laser-Dioden 254
3.9.1 Strahlungserzeugung durch stimulierte Emission 254
3.9.2 Resonator und Laser-Bedingung ..... 255
3.9.2.1 Resonator. 3.9.2.2 Laser-Bedingung
3.9.3 Aufbau und Kennwerte. . . . . 257
3.9.3.1 Aufbau. 3.9.3.2 Kennwerte
3.9.4 Inforrnationsiibertragung 260
4 Magnetoelektronische Bauelemente
4.1 Hall-Generatoren . . . . . . 263
4.1.1 HaIl-Effekt . . . . . . 263
4.1.2 Aufbau und Kennwerte. 265
4.1.2.1 Aufbau. 4.1.2.2 Kennwerte
4.1.3 Anwendungen. . . . . . . . . . 268
4.1.3.1 Messung von Magnetfeldstarken. 4.1.3.2 Kontaktlose Schalter. 4.1.3.3
Hall-Multiplikator
4.2 Feldplatten. . . . . . . . . 272
4.2.1 Magneto-Widerstand. . 272
4.2.2 Aufbau und Kennwerte . 273
4.2.3 Anwendungen. . . . . 274
4.3 Magnet-Dioden. . . . . . . 277
4.3.1 Aufbau und Kennwerte. 277
4.3.2 Anwendungen. . . . 279
5 Spannungsabhiingige Widerstiinde
5.1 Aufbau und Kennwerte . . 281
5.1.1 Kennlinie. . . . . . 281
5.1.2 Gleichstromwiderstand und differentieller Widerstand. 282
5.1.3 Verlustleistung. 283
5.2 Anwendungen . . . . . . . 284
6 Temperaturabhiingige Widerstiinde
6.1 HeiBleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
6.1.1 Aufbau und Kennwerte ........... . 287
6.1.1.1 Aufbau. 6.1.1.2 HeiBleiter-Widerstand. 6.1.1.3 Strom-Spannungs-
Kennlinie. 6.1.1.4 Erholzeit
6.1.2 Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
6.1.2.1 Temperaturmessung. 6.1.2.2 Kompensationsschaltungen. 6.1.2.3 Ver
zogerungsschaltungen
Inhalt XI
6.2 Kaltleiter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
6.2.1 Aufbau und Kennwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
6.2.1.1 Aufbau. 6.2.1.2 Kaltleiter-Widerstand. 6.2.1.3 Strom-Spannungskenn-
linie. 6.2.1.4 VerlustIeistung
6.2.2 Anwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
6.2.2.1 Uberstromsicherung. 6.2.2.2 Temperaturstabilisierung. 6.2.2.3 Fiussig
keits-Niveauflihler
Anhang
1 Weiterflihrende Bucher und Literatur 305
2 Normblatter . . 306
3 Schaltzeichen 306
4 Ubersichtstafel . 308
5 Formelzeichen 310
Sachverzeichnis . 317
Hinweise auf DIN-Normen in diesem Werk entsprechen dem Stand der Normung bei AbschluB
des Manuskriptes. MaJ3gebend sind die jeweils neuesten Ausgaben der Normblatter des DIN
Deutsches Institut flir Normung e. V. im Format A 4, die durch die Beuth-Verlag GmbH, Berlin
und K51n zu beziehen sind. - SinngemaJ3 gilt das gleiche flir aIle in diesem Buch angezogenen
amtIichen Richtlinien, Bestimmungen, Verordnungen usw.