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E-Book

Elektronische Bauelemente

Funktion, Grundschaltungen, Modellierung mit SPICE

AutorMichael Reisch
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2011
Seitenanzahl1517 Seiten
ISBN9783540340157
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis129,99 EUR

Die physikalischen Grundlagen elektronischer Bauelemente, ihre Anwendung in der Schaltungstechnik und ihre Modellierung für die Schaltungssimulation: Diese fundierte Einführung in die Elektronik bietet zahlreiche praxisrelevante Rechen- und Simulationsbeispiele sowie aktuelles Anwendungswissen. Ein Lehrbuch für Studenten und Nachschlagewerk für Ingenieure. Die überarbeitete 2. Auflage berücksichtigt zahlreiche neue Entwicklungen. Physikalische Grundlagen sind vertieft, die niedrig gehaltenen mathematischen Voraussetzungen beibehalten. Zusätzliche Beispiele erläutern die Anwendung der Modelle bei der Analyse elektronischer Grundschaltungen.

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Leseprobe

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.

Inhaltsverzeichnis
Aus dem Vorwort zur 1. Auflage6
Inhaltsverzeichnis23
1 Grundlagen40
1.1 Elektrische Netzwerke, CAD-Werkzeuge41
1.2 Ideale Netzwerkelemente44
1.3 Lineare Netzwerke51
1.4 Nichtlineare Netzwerke84
1.5 Literaturverzeichnis89
2 Aktive Vierpole90
2.1 Transistoren als Verstärker und Schalter90
2.2 Kleinsignalanalyse, Vierpolkenngrößen93
2.3 Kenngrößen beschalteter Vierpole103
2.4 S-Parameter112
2.5 Verstärker114
2.6 Literaturverzeichnis123
3 Rauschen124
3.1 Grundlagen124
3.2 Rauschmechanismen127
3.3 Analyse rauschender Netzwerke138
3.4 Rauschende lineare Vierpole140
3.5 Literaturverzeichnis147
4 SPICE148
4.1 Steuerdatei, Netzliste, Modellanweisungen148
4.2 Ergebnisausgabe155
4.3 Erste Schritte158
4.4 Steuerbefehle163
4.5 Unabhängige Quellen V, I177
4.6 Gesteuerte Quellen183
4.7 Literaturverzeichnis191
5 Praktischer Schaltungsaufbau192
5.1 Leiterplatten193
5.2 Hybridschaltungen205
5.3 Verlustleistung und Eigenerwärmung207
5.4 Qualität und Zuverlässigkeit227
5.5 Literaturverzeichnis236
6 Operationsverstärker238
6.1 Prinzipien, Kenndaten238
6.2 Lineare Grundschaltungen250
6.3 Rückkopplung und Stabilität281
6.4 Rauschen von Operationsverstärkern292
6.5 Makromodelle für die Schaltungssimulation297
6.6 Literaturverzeichnis302
7 Widerstände304
7.1 Physikalische Grundlagen304
7.2 Ohmsche Widerstände308
7.3 Heißleiter326
7.4 Keramische Kaltleiter (PTC-Widerstände)332
7.5 PPTC-Widerstände ( Poly Switch)340
7.6 Sicherungen341
7.7 Varistoren (VDR-Widerstände)345
7.8 Edelgasgefüllte Überspannungsableiter351
7.9 Literaturverzeichnis352
8 Kondensatoren354
8.1 Physikalische Grundlagen354
8.2 Bauformen361
8.3 Kenngrößen und Ersatzschaltung des realen Kondensators363
8.4 Ausführungen376
8.5 Literaturverzeichnis395
9 Spulen und Übertrager396
9.1 Physikalische Grundlagen396
9.2 Induktionskoe.zienten ausgewählter Leiterformen401
9.3 De.nition von Induktivitäten in SPICE404
9.4 Spulen405
9.5 Dämpfungsperlen419
9.6 Vormagnetisierung, Drosselspulen421
9.7 Eigenschaften und Modellierung ferro- und ferrimagnetischer Kernmaterialien426
9.8 Transformatoren und Übertrager437
9.9 Literaturverzeichnis447
10 Leitungen448
10.1 Grundlagen448
10.2 Leitung mit Beschaltung456
10.3 Modellierung der Leitung in SPICE465
10.4 Leitungsformen468
10.5 Verkoppelte Leitungen475
10.6 Literaturverzeichnis484
11 Resonatoren und Filter486
11.1 Resonatoren und Filter mit RLC-Kombinationen486
11.2 Leitungsresonatoren487
11.3 Schwingquarze und Quarz.lter490
11.4 Oberflächenwellenbauelemente503
11.5 Dielektrische Resonatoren und Filter506
11.6 Literaturverzeichnis509
12 Halbleiter510
12.1 Halbleitermaterialien, Leitungsmechanismen510
12.2 Grundelemente des Bändermodells514
12.3 Halbleiter im thermischen Gleichgewicht526
12.4 Halbleiter im Nichtgleichgewicht539
12.5 Eigenschaften ausgewählter Halbleiter577
12.6 Literaturverzeichnis584
13 Herstellung von Halbleiterbauelementen588
13.1 Herstellung von Silizium-Einkristallen, Wafer588
13.2 Thermische Oxidation von Silizium591
13.3 Schichtabscheidung594
13.4 Dotierung597
13.5 Strukturübertragung602
13.6 Metallisierung607
13.7 Layout, Design Rules613
13.8 Integration passiver Bauelemente615
13.9 Kontaktierung und Packaging621
13.10 Literaturverzeichnis624
14 Kontakte626
14.1 PN- Übergang: Gleichbetrieb626
14.2 PN- Übergänge: Speicherladungen, Schaltverhalten659
14.3 PN- Übergänge: Kleinsignalmodell und Rauschverhalten671
14.4 Groflsignalmodell der pn-Diode679
14.5 Heteroübergänge687
14.6 Metall-Halbleiter-Kontakte693
14.7 MOS-Kondensatoren702
14.8 Literaturverzeichnis716
15 Halbleiterdioden718
15.1 Gleichrichterdioden718
15.2 PIN-Dioden731
15.3 Schottky-Dioden744
15.4 Z-Dioden749
15.5 Varaktoren758
15.6 Tunneldioden767
15.7 Laufzeitdioden774
15.8 Gunn-Elemente780
15.9 Literaturverzeichnis784
16 Bipolartransistoren786
16.1 Einführung786
16.2 Groflsignalbeschreibung793
16.3 Kleinsignalbeschreibung824
16.4 Rauschverhalten845
16.5 Sperrverhalten, Grenzdaten851
16.6 Heterostruktur-Bipolartransistoren (HBTs)858
16.7 Einzeltransistoren865
16.8 Integrierte Bipolartransistoren870
16.9 Literaturverzeichnis881
17 Grundschaltungen mit Bipolartransistoren884
17.1 Emitterschaltung884
17.2 Kollektorschaltung (Emitterfolger)909
17.3 Basisschaltung917
17.4 Diodenschaltung919
17.5 Stromquellen921
17.6 Di.erenzverstärker927
17.7 Bandabstandsreferenzen936
17.8 Digitalschaltungen938
17.9 Literaturverzeichnis947
18 CAD-Modelle für Bipolartransistoren948
18.1 Gummel-Poon Modell948
18.2 Komplexere Modelle für integrierte Bipolartransistoren967
18.3 Literaturverzeichnis971
19 Thyristoren972
19.1 Rückwärtssperrende Thyristoren973
19.2 Sonderformen des Thyristors995
19.3 Modellierung von Thyristoren in PSPICE999
19.4 DIACs und TRIACs1004
19.5 Unijunctiontransistoren1008
19.6 Literaturverzeichnis1011
20 MOS-Feldeffekttransistoren1012
20.1 Einführung1012
20.2 Der MOSFET in einfachster Näherung1017
20.3 Kanalimplantation, Buried-channel-MOSFETs1043
20.4 Mehr zur Physik des MOSFET1048
20.5 Elektrisches Verhalten von Kurzkanal-MOSFETs1059
20.6 Kleinsignalbeschreibung des MOSFET1071
20.7 MOSFETs in integrierten Schaltungen1079
20.8 Literaturverzeichnis1099
21 Grundschaltungen mit MOSFETs1102
21.1 Grundschaltungen mit n-Kanal MOSFETs1102
21.2 Statische CMOS-Logik1110
21.3 Current-Mode Logik (MCML)1135
21.4 Dynamische CMOS-Logik1137
21.5 Stub-Series-Terminated Logic (SSTL)1139
21.6 ESD-Schutzschaltungen1140
21.7 Analogschaltungen1141
21.8 BiCMOS1150
21.9 Literaturverzeichnis1152
22 Speicherbausteine1154
22.1 SRAMs1157
22.2 DRAMs1163
22.3 ROM, PROM1177
22.4 EPROMs, EEPROMs, Flash-Memory1179
22.5 Alternative Speicherkonzepte1190
22.6 Literaturverzeichnis1197
23 MOS-Leistungsbauelemente1200
23.1 Vertikale Leistungs-MOSFETs1201
23.2 Laterale DMOSFETs1217
23.3 IGBTs1219
23.4 MOS-gesteuerte Thyristoren (MCTs)1225
23.5 Integration, Smart-Power ICs1226
23.6 Literaturverzeichnis1228
24 CAD-Modelle für MOSFETs1230
24.1 Einführung1230
24.2 LEVEL 1 - Modell1232
24.3 LEVEL 3 - Modell1236
24.4 Weiterentwickelte MOS-Modelle1248
24.5 Literaturverzeichnis1253
25 Sperrschichtfelde.ekttransistoren1254
25.1 Sperrschichtfelde.ekttransistoren (JFETs)1254
25.2 GaAs-MESFETs1268
25.3 MODFETs1275
25.4 Literaturverzeichnis1279
26 Grundlagen Optoelektronik1280
26.1 Licht1280
26.2 Strahlungsgrößen1285
26.3 Farbsehen und Farbmetrik1295
26.4 Absorption und Dämpfung1298
26.5 Lichtwellenleiter1300
26.6 Wärmestrahlung1309
26.7 Literaturverzeichnis1311
27 Detektoren für optische Strahlung1312
27.1 Kenngrößen für Fotodetektoren1312
27.2 Fotowiderstände ( LDR)1314
27.3 pin-Fotodioden1322
27.4 Avalanche-Fotodioden (APDs)1338
27.5 Schottky-Fotodioden, MSM-Fotodioden1342
27.6 Fotodioden mit lateraler Ortsaufl ¨ osung1343
27.7 Fototransistoren1345
27.8 Pyroelektrische IR-Detektoren1351
27.9 Photomultiplier1357
27.10 Farbsensoren1358
27.11 Literaturverzeichnis1358
28 Solarzellen1360
28.1 Sonneneinstrahlung1361
28.2 Spektrale Empfindlichkeit1367
28.3 Kenngrößen und Ersatzschaltung1372
28.4 Einkristalline Solarzellen1376
28.5 Polykristalline Siliziumsolarzellen1386
28.6 Dünnschichtsolarzellen1386
28.7 Solarzellenarrays1392
28.8 Literaturverzeichnis1394
29 Lichtemittierende Dioden1396
29.1 Leuchtdioden (LEDs)1396
29.2 Laserdioden1410
29.3 Optokoppler1430
29.4 Literaturverzeichnis1441
30 Displays1442
30.1 Flüssigkristall- Anzeigen ( LCDs)1442
30.2 Plasma-Displays1451
30.3 Vakuum-Fluoreszenz- und Field-Emission Displays1454
30.4 OLED-Displays1456
30.5 Literaturverzeichnis1457
31 Bildwandler1458
31.1 Charge Coupled Devices1458
31.2 CMOS-Bildwandler1476
31.3 Bildwandler für Farbbilder1479
31.4 Literaturverzeichnis1480
32 Sensorbauelemente1482
32.1 Temperatursensoren1482
32.2 Magnetfeldsensoren1492
32.3 Dehnungsmeflstreifen1498
32.4 Drucksensoren1501
32.5 Kapazitive Feuchtesensoren1503
32.6 Detektoren für Ionisierende Strahlung1504
32.7 Literaturverzeichnis1507
33 Batterien und Akkumulatoren1508
33.1 Elektrochemische Zellen1508
33.2 Ultracaps1521
33.3 Brennstoffzellen1524
33.4 Literaturverzeichnis1526
Index1527

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