Handbuch Elektrotechnik (eBook)

Prof. Dr.-Ing. Wilfried Plaßmann lehrt an der Fachhochschule Hannover im Fachbereich Elektrotechnik. Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Schulz lehrt an der Fakultät Eletrotechnik der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg im Fachgebiet Elektrische Energiesysteme.Die Autoren sind Fachleute aus Industrie, Forschung und Lehre.

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 7
Mathematik 39
I Arithmetik 39
II Gleichungen 62
III Planimetrie 84
IV Stereometrie 106
V Funktionen 114
VI Trigonometrie 135
VII Analytische Geometrie 144
VIII Differential- und Integralrechnung 169
Anhang 199
Physik 203
I Einführung 203
II Mechanik 204
III Thermodynamik 221
IV Schwingungen 227
V Wellen 231
VI Akustik 236
VII Optik 238
VIII Anhang 253
Werkstoffkunde 255
I Stoffe 255
II Elektrische Leitfähigkeit 263
III Elektrische Leiter 268
IV Magnetische Leitfähigkeit 271
V Magnetika 275
VI Dielektrische Eigenschaften 283
VII Dielektrika 286
I Grundbegriffe 290
II Der Gleichstromkreis 293
III Das Elektrische Feld 302
IV Das Magnetische Feld 311
V Induktion 326
VI Wechselstrom 331
VII Drehstrom 350
Elektronik 355
I Leitungsmechanismen bei Halbleitern, pn-Übergang 355
II Dioden 358
III Mehrschichtdioden und - trioden 376
IV Transistoren 385
V Besondere Halbleiter-Bauelemente 401
VI Analoge Verstärker 407
VII Endstufen 433
VIII Operationsverstärker 438
IX Elektronische Schalter, Kippstufen 449
X Oszillatoren 461
XI Schaltungstechniken 465
XII Optoelektronik 469
XIII Analog-Digital-Wandler 477
XIV Digital-Analog-Wandler 480
XV Leistungselektronik 482
Technische Kommunikation/Technisches Zeichnen 496
I Grundlagen der zeichnerischen Darstellung 496
II Schaltungsunterlagen 529
III Schaltungssynthese und -analyse 546
IV CAD-Technik 549
Datentechnik 555
I Digitaltechnik 555
II Integrierte Schaltkreise der Digitaltechnik 596
III Mikrocomputertechnik 622
IV Computertechnik 693
V Programmiertechnik 704
VI Datenkommunikation 708
Automatisierungstechnik 723
Meßtechnik 769
I Grundlagen und Grundbegriffe der Meßtechnik 769
II Analog anzeigende Meßgeräte 775
III Oszilloskop 778
IV Schreibende Meßgeräte 784
V Digital anzeigende Meßgeräte 785
VI Meßverfahren zur Messung elektrischer Größen 788
VII Meßverfahren zur Messung nichtelektrischer Größen 807
VIII Meßdatenaufbereitung 828
IX Bussysteme für die Meßtechnik Meßbus 831
X Probleme bei der Digitalisierung analoger Meßwerte 836
XI PC-gestützte Meßverfahren und Meßsignalanalyse 839
Energietechnik 843
I Elektrische Maschinen 843
II Elektrische Anlagen 891
III Elektrische Energieanwendung 943
Nachrichtentechnik 951
I Grundlagen der Nachrichtenübertragung 951
II Vierpole, Zweitore 968
III Leitungen 984
IV Antennen 1012
V Modulation 1022
VI Filter 1049
VII Empfängerschaltungstechnik 1059
VIII Ton- und Bildübertragung 1061
IX Mehrfachübertragung – Multiplexverfahren 1068
X Richtfunktechnik 1071
XI Nachrichtenübertragung über Satellit 1073
XII Nachrichtenübertragung über Lichtwellenleiter (LWL) 1076
XIII Funkmeßtechnik – Radar 1082
XIV Elektroakustische Wandler 1085
XV Vermittlungstechnik 1094
XVI Kommunikations- und Datennetze 1100
XVII Optimierte Nachrichten- und Datenübertragung 1107
Häufig verwendete Formelzeichen 1118
Signal- und Systemtheorie 1118
I Einführung 1119
II Grundbegriffe 1121
III Periodische nichtsinusförmige zeitkontinuierliche Signale 1122
IV Nichtperiodische zeitkontinuierliche Signale 1126
V Spezielle Signale 1140
VI Leistung 1142
VII Faltungsintegral 1143
VIII Abtasttheorem 1144
IX Nichtkontinuierliche (zeitdiskrete) Signale 1145
X Zufällige Signale 1151
Sachwortverzeichnis 1158

"Elektronik (S. 319)

I Leitungsmechanismen bei Halbleitern, pn-Übergang

1 Einführung in die Halbleiterphysik

Im Periodischen System der Elemente findet man zwischen den Metallen und den Nichtmetallen Elemente, die als Halbleiter bezeichnet werden. Es handelt sich hierbei um Materialien mit einer spezifischen Leitfähigkeit, die in dem Bereich zwischen der spezifischen Leitfähigkeit von metallischen Leitern und der von Isolatoren liegt.

Die wichtigsten Halbleiterwerkstoffe sind das Silizium (Si) und das Germanium (Ge). Selen (Se) wird dagegen nur noch zur Herstellung kleinerer Netzgleichrichter verwendet. Hinzu kommen jedoch noch die intermetallischen Verbindungen wie Gallium-Arsenid (GaAs), Gallium- Phosphid (GaP) und Indium-Arsenid (InAs). Sie werden hauptsächlich zur Herstellung von Fotohalbleitern und Hallgeneratoren verwendet.

Silizium und Germanium sind 4wertige Elemente, also bilden Atome mit vier Valenzelektronen das Kristallgitter (Tetraeder-Gefüge) von reinem Silizium und Germanium. Bei diesen Elementen werden die Atome durch die Elektronenpaarbindung zusammengehalten. In den Atomkoordinationsgittern lagern sich die Atome mit ihren äußeren Elektronenschalen so aneinander, daß ihre Bindung über zwei Elektronen erfolgt.

Die Atome teilen sich die Elektronen der äußersten Schale. Diese erhält so nach Bild I-1 den Bau einer Edelgasschale (Abschnitt Werkstoffkunde). Bei einem störungsfreien Kristallgitteraufbau und absolutem Temperaturnullpunkt (V0 = –273 °C = 0 K(elvin) befinden sich alle Atome im Ruhezustand.

Die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials ist unter den genannten Bedingungen gleich Null, und damit ist das Material ein absoluter Nichtleiter. In reinem Silizium gibt nun jedes Si-Atom an vier Nachbaratome je ein Elektron ab oder nimmt von jedem der vier ein Elektron zur Aufrechterhaltung der Elektronenpaarbindung an.

In einem reinen Siliziumkristall sind alle Valenzelektronen fest gebunden, so daß keine freien Elektronen zur Verfügung stehen. Wird ein solcher Kristall der Einwirkung von Energie in Form von Licht und/oder Wärme ausgesetzt, so beginnen die Atome zu schwingen (thermische Eigenbewegung). Unter diesen Bedingungen können Valenzelektronen aus ihren Bindungen herausspringen und werden damit zu freien Elektronen, so daß die Leitfähigkeit des Materials größer wird.

An der Stelle, an der ein Valenzelektron aus seiner Bindung gerissen wurde, fehlt nun jedoch eine negative Ladung. Infolge der positiven Ladung der Protonen im Atom verbleibt dem Atom eine positive Ladung, die als „Defektelektron"" oder „Loch"" bezeichnet wird.

Das Entstehen eines freien Elektrons und eines Loches nach Bild I-2 wird als „thermische Paarbildung"" oder „Generation"" bezeichnet. Bei andauernder Energiezuführung werden fortlaufend Elektronen frei, die scheinbar ziellos durch den Kristall wandern, bis sie auf ein Loch treffen und dort wieder in einen festen Atomverband zurückspringen.

Dieser Vorgang wird „Rekombination"" genannt. Paarbildung und Rekombination sind stets im Gleichgewicht. Die Anzahl der verfügbaren Ladungsträger hängt aber von der Temperatur ab und wird mit steigender Temperatur größer. Im Bereich der Raumtemperatur verdoppelt sich in etwa die Anzahl der Ladungsträgerpaare, wenn eine Temperaturerhöhung um 10 K vorgenommen wird.

Diese Erhöhung der Leitfähigkeit mit steigender Temperatur wird allgemein „Eigenleitung"" genannt. Beim Anlegen einer Spannung entsteht im Kristall ein elektrisches Feld, daß die frei gewordenen Elektronen vom Minuspol zum Pluspol der Spannungsquelle zieht. Sie springen auf ihrem Weg dahin immer von einem Loch zum anderen und „fallen hinein"" (rekombinieren)."