Elektronische Bauelemente (eBook)

Aus dem Vorwort zur 1. Auflage 6
Inhaltsverzeichnis 23
1 Grundlagen 40
1.1 Elektrische Netzwerke, CAD-Werkzeuge 41
1.2 Ideale Netzwerkelemente 44
1.3 Lineare Netzwerke 51
1.4 Nichtlineare Netzwerke 84
1.5 Literaturverzeichnis 89
2 Aktive Vierpole 90
2.1 Transistoren als Verstärker und Schalter 90
2.2 Kleinsignalanalyse, Vierpolkenngrößen 93
2.3 Kenngrößen beschalteter Vierpole 103
2.4 S-Parameter 112
2.5 Verstärker 114
2.6 Literaturverzeichnis 123
3 Rauschen 124
3.1 Grundlagen 124
3.2 Rauschmechanismen 127
3.3 Analyse rauschender Netzwerke 138
3.4 Rauschende lineare Vierpole 140
3.5 Literaturverzeichnis 147
4 SPICE 148
4.1 Steuerdatei, Netzliste, Modellanweisungen 148
4.2 Ergebnisausgabe 155
4.3 Erste Schritte 158
4.4 Steuerbefehle 163
4.5 Unabhängige Quellen V, I 177
4.6 Gesteuerte Quellen 183
4.7 Literaturverzeichnis 191
5 Praktischer Schaltungsaufbau 192
5.1 Leiterplatten 193
5.2 Hybridschaltungen 205
5.3 Verlustleistung und Eigenerwärmung 207
5.4 Qualität und Zuverlässigkeit 227
5.5 Literaturverzeichnis 236
6 Operationsverstärker 238
6.1 Prinzipien, Kenndaten 238
6.2 Lineare Grundschaltungen 250
6.3 Rückkopplung und Stabilität 281
6.4 Rauschen von Operationsverstärkern 292
6.5 Makromodelle für die Schaltungssimulation 297
6.6 Literaturverzeichnis 302
7 Widerstände 304
7.1 Physikalische Grundlagen 304
7.2 Ohmsche Widerstände 308
7.3 Heißleiter 326
7.4 Keramische Kaltleiter (PTC-Widerstände) 332
7.5 PPTC-Widerstände ( Poly Switch) 340
7.6 Sicherungen 341
7.7 Varistoren (VDR-Widerstände) 345
7.8 Edelgasgefüllte Überspannungsableiter 351
7.9 Literaturverzeichnis 352
8 Kondensatoren 354
8.1 Physikalische Grundlagen 354
8.2 Bauformen 361
8.3 Kenngrößen und Ersatzschaltung des realen Kondensators 363
8.4 Ausführungen 376
8.5 Literaturverzeichnis 395
9 Spulen und Übertrager 396
9.1 Physikalische Grundlagen 396
9.2 Induktionskoe.zienten ausgewählter Leiterformen 401
9.3 De.nition von Induktivitäten in SPICE 404
9.4 Spulen 405
9.5 Dämpfungsperlen 419
9.6 Vormagnetisierung, Drosselspulen 421
9.7 Eigenschaften und Modellierung ferro- und ferrimagnetischer Kernmaterialien 426
9.8 Transformatoren und Übertrager 437
9.9 Literaturverzeichnis 447
10 Leitungen 448
10.1 Grundlagen 448
10.2 Leitung mit Beschaltung 456
10.3 Modellierung der Leitung in SPICE 465
10.4 Leitungsformen 468
10.5 Verkoppelte Leitungen 475
10.6 Literaturverzeichnis 484
11 Resonatoren und Filter 486
11.1 Resonatoren und Filter mit RLC-Kombinationen 486
11.2 Leitungsresonatoren 487
11.3 Schwingquarze und Quarz.lter 490
11.4 Oberflächenwellenbauelemente 503
11.5 Dielektrische Resonatoren und Filter 506
11.6 Literaturverzeichnis 509
12 Halbleiter 510
12.1 Halbleitermaterialien, Leitungsmechanismen 510
12.2 Grundelemente des Bändermodells 514
12.3 Halbleiter im thermischen Gleichgewicht 526
12.4 Halbleiter im Nichtgleichgewicht 539
12.5 Eigenschaften ausgewählter Halbleiter 577
12.6 Literaturverzeichnis 584
13 Herstellung von Halbleiterbauelementen 588
13.1 Herstellung von Silizium-Einkristallen, Wafer 588
13.2 Thermische Oxidation von Silizium 591
13.3 Schichtabscheidung 594
13.4 Dotierung 597
13.5 Strukturübertragung 602
13.6 Metallisierung 607
13.7 Layout, Design Rules 613
13.8 Integration passiver Bauelemente 615
13.9 Kontaktierung und Packaging 621
13.10 Literaturverzeichnis 624
14 Kontakte 626
14.1 PN- Übergang: Gleichbetrieb 626
14.2 PN- Übergänge: Speicherladungen, Schaltverhalten 659
14.3 PN- Übergänge: Kleinsignalmodell und Rauschverhalten 671
14.4 Groflsignalmodell der pn-Diode 679
14.5 Heteroübergänge 687
14.6 Metall-Halbleiter-Kontakte 693
14.7 MOS-Kondensatoren 702
14.8 Literaturverzeichnis 716
15 Halbleiterdioden 718
15.1 Gleichrichterdioden 718
15.2 PIN-Dioden 731
15.3 Schottky-Dioden 744
15.4 Z-Dioden 749
15.5 Varaktoren 758
15.6 Tunneldioden 767
15.7 Laufzeitdioden 774
15.8 Gunn-Elemente 780
15.9 Literaturverzeichnis 784
16 Bipolartransistoren 786
16.1 Einführung 786
16.2 Groflsignalbeschreibung 793
16.3 Kleinsignalbeschreibung 824
16.4 Rauschverhalten 845
16.5 Sperrverhalten, Grenzdaten 851
16.6 Heterostruktur-Bipolartransistoren (HBTs) 858
16.7 Einzeltransistoren 865
16.8 Integrierte Bipolartransistoren 870
16.9 Literaturverzeichnis 881
17 Grundschaltungen mit Bipolartransistoren 884
17.1 Emitterschaltung 884
17.2 Kollektorschaltung (Emitterfolger) 909
17.3 Basisschaltung 917
17.4 Diodenschaltung 919
17.5 Stromquellen 921
17.6 Di.erenzverstärker 927
17.7 Bandabstandsreferenzen 936
17.8 Digitalschaltungen 938
17.9 Literaturverzeichnis 947
18 CAD-Modelle für Bipolartransistoren 948
18.1 Gummel-Poon Modell 948
18.2 Komplexere Modelle für integrierte Bipolartransistoren 967
18.3 Literaturverzeichnis 971
19 Thyristoren 972
19.1 Rückwärtssperrende Thyristoren 973
19.2 Sonderformen des Thyristors 995
19.3 Modellierung von Thyristoren in PSPICE 999
19.4 DIACs und TRIACs 1004
19.5 Unijunctiontransistoren 1008
19.6 Literaturverzeichnis 1011
20 MOS-Feldeffekttransistoren 1012
20.1 Einführung 1012
20.2 Der MOSFET in einfachster Näherung 1017
20.3 Kanalimplantation, Buried-channel-MOSFETs 1043
20.4 Mehr zur Physik des MOSFET 1048
20.5 Elektrisches Verhalten von Kurzkanal-MOSFETs 1059
20.6 Kleinsignalbeschreibung des MOSFET 1071
20.7 MOSFETs in integrierten Schaltungen 1079
20.8 Literaturverzeichnis 1099
21 Grundschaltungen mit MOSFETs 1102
21.1 Grundschaltungen mit n-Kanal MOSFETs 1102
21.2 Statische CMOS-Logik 1110
21.3 Current-Mode Logik (MCML) 1135
21.4 Dynamische CMOS-Logik 1137
21.5 Stub-Series-Terminated Logic (SSTL) 1139
21.6 ESD-Schutzschaltungen 1140
21.7 Analogschaltungen 1141
21.8 BiCMOS 1150
21.9 Literaturverzeichnis 1152
22 Speicherbausteine 1154
22.1 SRAMs 1157
22.2 DRAMs 1163
22.3 ROM, PROM 1177
22.4 EPROMs, EEPROMs, Flash-Memory 1179
22.5 Alternative Speicherkonzepte 1190
22.6 Literaturverzeichnis 1197
23 MOS-Leistungsbauelemente 1200
23.1 Vertikale Leistungs-MOSFETs 1201
23.2 Laterale DMOSFETs 1217
23.3 IGBTs 1219
23.4 MOS-gesteuerte Thyristoren (MCTs) 1225
23.5 Integration, Smart-Power ICs 1226
23.6 Literaturverzeichnis 1228
24 CAD-Modelle für MOSFETs 1230
24.1 Einführung 1230
24.2 LEVEL 1 - Modell 1232
24.3 LEVEL 3 - Modell 1236
24.4 Weiterentwickelte MOS-Modelle 1248
24.5 Literaturverzeichnis 1253
25 Sperrschichtfelde.ekttransistoren 1254
25.1 Sperrschichtfelde.ekttransistoren (JFETs) 1254
25.2 GaAs-MESFETs 1268
25.3 MODFETs 1275
25.4 Literaturverzeichnis 1279
26 Grundlagen Optoelektronik 1280
26.1 Licht 1280
26.2 Strahlungsgrößen 1285
26.3 Farbsehen und Farbmetrik 1295
26.4 Absorption und Dämpfung 1298
26.5 Lichtwellenleiter 1300
26.6 Wärmestrahlung 1309
26.7 Literaturverzeichnis 1311
27 Detektoren für optische Strahlung 1312
27.1 Kenngrößen für Fotodetektoren 1312
27.2 Fotowiderstände ( LDR) 1314
27.3 pin-Fotodioden 1322
27.4 Avalanche-Fotodioden (APDs) 1338
27.5 Schottky-Fotodioden, MSM-Fotodioden 1342
27.6 Fotodioden mit lateraler Ortsaufl ¨ osung 1343
27.7 Fototransistoren 1345
27.8 Pyroelektrische IR-Detektoren 1351
27.9 Photomultiplier 1357
27.10 Farbsensoren 1358
27.11 Literaturverzeichnis 1358
28 Solarzellen 1360
28.1 Sonneneinstrahlung 1361
28.2 Spektrale Empfindlichkeit 1367
28.3 Kenngrößen und Ersatzschaltung 1372
28.4 Einkristalline Solarzellen 1376
28.5 Polykristalline Siliziumsolarzellen 1386
28.6 Dünnschichtsolarzellen 1386
28.7 Solarzellenarrays 1392
28.8 Literaturverzeichnis 1394
29 Lichtemittierende Dioden 1396
29.1 Leuchtdioden (LEDs) 1396
29.2 Laserdioden 1410
29.3 Optokoppler 1430
29.4 Literaturverzeichnis 1441
30 Displays 1442
30.1 Flüssigkristall- Anzeigen ( LCDs) 1442
30.2 Plasma-Displays 1451
30.3 Vakuum-Fluoreszenz- und Field-Emission Displays 1454
30.4 OLED-Displays 1456
30.5 Literaturverzeichnis 1457
31 Bildwandler 1458
31.1 Charge Coupled Devices 1458
31.2 CMOS-Bildwandler 1476
31.3 Bildwandler für Farbbilder 1479
31.4 Literaturverzeichnis 1480
32 Sensorbauelemente 1482
32.1 Temperatursensoren 1482
32.2 Magnetfeldsensoren 1492
32.3 Dehnungsmeflstreifen 1498
32.4 Drucksensoren 1501
32.5 Kapazitive Feuchtesensoren 1503
32.6 Detektoren für Ionisierende Strahlung 1504
32.7 Literaturverzeichnis 1507
33 Batterien und Akkumulatoren 1508
33.1 Elektrochemische Zellen 1508
33.2 Ultracaps 1521
33.3 Brennstoffzellen 1524
33.4 Literaturverzeichnis 1526
Index 1527

5 Praktischer Schaltungsaufbau (S. 153-154)

Elektronische Bauelemente werden zu Schaltungen zusammengef¨ugt. Je nachdem wie die elektrische Verbindung zwischen den Bauelementen realisiert ist, wird unterschieden zwischen:

• Leiterplattenaufbau; hier werden die Bauelemente entweder mit Anschlußdrähten in vorgebohrte Löcher eingel¨otet (THMD = through hole mounted devices) oder aber ohne Anschlußdrähte direkt auf der Leiterplattenoberfl¨ache durch Löten mechanisch und elektrisch verbunden (SMD = surface mounted devices).

• Dick- und Dünnschicht-Hybridschaltungen; hier werden Siebdrucktechniken (Dickschicht) oder Aufdampftechniken (Dünnschicht) zur Herstellung von passiven Bauelementen und zur Verbindung diskreter Bauelemente eingesetzt.

• Integrierte Schaltungen; hier wird die gesamte elektronische Schaltung in einem Halbleiterkristall realisiert. Die hohe mit dieser Technik erreichbare Packungsdichte der Bauteile (> 106/cm2) in Verbindung mit anderen Vorzügen, wie einer hohen Schaltgeschwindigkeit und einem auf die Einzelbauteile bezogenen sehr günstigen Preis, hat dieser Technik, für Schaltungen die in größeren St¨uckzahlen ben¨otigt werden, einen bedeutenden Marktanteil beschert. Gegenüber Schaltungsaufbauten mit diskreten Bauteilen sind hier jedoch einige Besonderheiten zu beachten: Da die Abgleichmöglichkeiten begrenzt sind, werden Schaltungskonzepte benötigt, deren Funktion unabh¨angig von Streuungen der Bauteilkenngr¨oßen sichergestellt ist. Dabei macht man zumeist von der Tatsache Gebrauch, daß die Streuungen der Bauteilkenngrößen systematisch erfolgen, d. h., daß benachbarte Bauteile gewöhnlich nahezu identische Eigenschaften aufweisen. Nicht alle elektronischen Bauelemente eignen sich gleichermaßen für die Integration; Induktivitäten und große Kapazitätswerte beispielsweise sind nur mit Mühe realisierbar und werden deshalb in integrierten Schaltungen meist nicht eingesetzt oder falls unvermeidlich über Anschl¨usse extern zugeschaltet.

Die Integration verschiedener Transistortypen (Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren) ist sehr aufwendig – in der überwiegenden Mehrzahl der ICs werden deshalb lediglich MOS-Feldeffekttransistoren oder aber Bipolartransistoren eingesetzt. Weitere Einschränkungen resultieren aus der zul¨assigen Verlustleistung und den maximal zulässigen Spannungswerten; Leistungsbauteile wie Thyristoren oder Leistungstransistoren werden deshalb meist nicht integriert (vgl. Kap. 13).

Die einzelnen Techniken weisen deutliche Unterschiede auf bzgl. Entwicklungskosten, Packungsdichte, Gewicht, Abmessungen, Zuverl¨assigkeit, HF-Tauglichkeit etc. Welches die g¨unstigste Technik f¨ur die Realisierung einer elektronischen Schaltung ist, hängt z. B. ab von Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen, den zu erwartenden Stückzahlen, der zur Verf¨ugung stehenden Entwicklungszeit, der Frequenz mit der die Schaltung arbeitet, den Umwelteinfl¨ussen (Temperatur, Feuchtigkeit) denen die Schaltung ausgesetzt ist und der geforderten Zuverlässigkeit. Ziel dieses Kapitels ist es dem in diesen Fragen nicht vorbelasteten Leser einen Abriß 2 über Leiterplatten- und Hybridtechnologie zu bieten; auf die Herstellung integrierter Schaltkreise wird in den Kapiteln 13, 16 und 21 eingegangen.

Weitere Abschnitte widmen sich der Eigenerwärmung und Kühlung sowie der Qualit¨at und Zuverl¨assigkeit elektronischer Bauelemente und Schaltungen.

5.1 Leiterplatten

5.1.1 Substratmaterialien

Leiterplatten bestehen aus einem isolierenden Substrat auf dessen Oberfl¨ache sich die Leiterbahnen zur Verbindung der elektronischen Bauelemente befinden. Die meistverwendeten Substratmaterialien sind Phenolharz- und Epoxidharz- Hartpapier sowie glasfaserverstärktes Epoxidharz; die Standardmaterialdicke beträgt dabei 1.6 mm. F¨ur den Aufbau von Schaltungen werden häufig Europa-Karten (160 mm × 100 mm) und Doppel-Europa-Karten eingesetzt.

Hartpapiersubstrate sind preisgünstig und lassen sich leicht bearbeiten. Sie werden vorzugsweise in der Unterhaltungselektronik eingesetzt. Glasfaserverst¨arktes Epoxidharz ist das Standardmaterial f¨ur Schaltungsaufbauten in der Industrielektronik und Computertechnik. Es zeichnet sich durch hohe mechanische Festigkeit, gute Maßhaltigkeit und niedrige elektrische Verluste aus.