Halbleiterbauelemente - Cheatsheet

Elektrische Eigenschaften und Bandstrukturen von Halbleitern

Definition:

Elektrische Eigenschaften von Halbleitern werden durch die Bandstruktur bestimmt; Energiebänder (Valenzband und Leitungsband) und Bandlücke entscheidend.

Details:

• Halbleiter: Materialien mit spezifischer Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren
• Bandstruktur: Energieschema mit Valenzband, Leitungsband und Bandlücke (\textit{Bandgap})
• Elektronenbewegung: Bei Energiezufuhr Elektronenübergang vom Valenzband ins Leitungsband
• Leitfähigkeit: Abhängig von Dotierung (n-Typ, p-Typ)
• Bandlücke (\textit{E_g}): Unterschiedlich für verschiedene Materialien (z.B., \textit{Si}: \textit{1.1 eV}, \textit{Ge}: \textit{0.66 eV})
• Fermi-Niveau: Energie, bei der Halbwahrscheinlichkeit für Elektronenbesetzung liegt, verschiebt sich bei Dotierung
• Temperaturabhängigkeit: Leitfähigkeit steigt mit Temperatur aufgrund erhöhter Elektronenanregung

Dotierung von Halbleitern und deren Einfluss auf Leitfähigkeit

Definition:

Prozess der Einführung von Fremdatomen in einen Halbleiter zur Modifikation seiner elektrischen Eigenschaften.

Details:

• n-Typ-Dotierung: Zugabe von Elektronendonatoren (z.B. Phosphor), Erhöhung der freien Elektronen.
• p-Typ-Dotierung: Zugabe von Elektronenakzeptoren (z.B. Bor), Erhöhung der Löcher.
• Leitfähigkeit \( \sigma \) steigt: \[ \sigma = q (n_e \mu_e + n_h \mu_h) \] mit \ q = \text{Elementarladung},\ n_e = \text{Elektronenkonzentration},\ n_h = \text{Lochkonzentration},\ \mu_e = \text{Elektronenbeweglichkeit},\ \mu_h = \text{Lochbeweglichkeit}.

pn-Übergang: Aufbau, Charakteristik und Verwendung

Definition:

pn-Übergang: Verbindung von p- und n-dotiertem Halbleitermaterial, bildet Basis für viele Halbleiterbauelemente.

Details:

• Aufbau: Übergang zwischen p-dotiertem (Akzeptoren) und n-dotiertem (Donatoren) Material
• Raumladungszone: Region nahe der Grenzfläche, ladungsträgerfrei
• Charakteristik: Diodenverhalten (Durchlass- und Sperrrichtung)
• Verwendung: Dioden, Transistoren (Bipolar, FET), Solarzellen
• Gleichung für die Eigenschaften des pn-Übergangs: \[ I = I_0 \left( e^{\frac{qV}{kT}} - 1 \right) \]
• Verhalten unter verschiedenen Spannungen: Durchlassspannung (klein genug, dass der Strom exponentiell ansteigt), Sperrspannung (kaum Stromfluss).

I-V-Kennlinien von Halbleiterdioden

Definition:

Stellt den Zusammenhang zwischen Strom (I) und Spannung (V) in einer Halbleiterdiode dar.

Details:

• Ideal: \( I = I_0 (e^{\frac{qV}{kT}} - 1) \)
• Reale Dioden: Zusätzliche Parameter wie Serienwiderstand \(R_s\) und Leakage-Strom \(I_L\)
• Vorwärtsrichtung: Exponentieller Anstieg des Stroms
• Sperrrichtung: Geringer Sperrstrom, bis zur Durchbruchspannung
• Parameter: \(I_0\) (Sättigungsstrom), \(n\) (Idealfaktor), \(V_D\) (Durchlassspannung)
• Durchbruch: Zener-Durchbruch oder Avalanche-Durchbruch bei hohen Sperrspannungen

Arbeitsweise von Bipolartransistoren (BJT) und Grundschaltungen

Definition:

BJT: Bipolarer Transistor mit drei Schichten (Emitter, Basis, Kollektor); Grundschaltungen: Kollektorschaltung (Emitterfolger), Basis-Schaltung, Kollektor-Schaltung

Details:

• Grundschaltungen: Kollektorschaltung: Spannungsverstärkung \(\text{nahezu 1}\), Stromverstärkung \(\beta\) Basisschaltung: Geringe Eingansimpedanz, hohe Ausgangsimpedanz Kollektorschaltung: Hohe Eingangsimpedanz, mittlere Ausgangsimpedanz
• Arbeitsweise: abhängig vom Betriebsmodus
• Betriebsmodi: Aktiver Mode: Verstärkung Sättigungsmodus: Beide PN-Übergänge leitend Sperrmodus: Keine leitenden PN-Übergänge
• Stromverstärkung \( \beta = \frac{I_C}{I_B} \)
• Spannungssteuerung \( V_{BE} \) beeinflusst \( I_C \)

Metal-Oxide-Semiconductor FETs (MOSFET): Aufbau und Einsatz

Definition:

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) ist ein Halbleiterbauelement, das für digitale und analoge Schaltungen verwendet wird. Es dient als Schalter oder Verstärker.

Details:

• Bestandteile: Gate (G), Drain (D), Source (S), und Body (B)
• Typen: n-Kanal MOSFET, p-Kanal MOSFET
• Arbeitsweise: Steuerung des Stromflusses durch eine spannungsgesteuerte Kapazität am Gate
• Formel für Drainstrom (n-Kanal): \[ I_D = \frac{1}{2} \mu_n C_{ox} \frac{W}{L} (V_{GS} - V_{th})^2 \] bei V_{GS} > V_{th} und im saturierten Bereich
• Anwendung: Logikgatter, Spannungsregelung, Leistungsverstärker

Verschiedene Arten von optoelektronischen Bauelementen und deren Anwendungen

Definition:

Diverse optoelektronische Bauelemente, die Licht und Elektrizität kombinieren.

Details:

• Photodioden: Wandeln Licht in elektrische Signale um, Verwendung in Lichtsensoren.
• Leuchtdioden (LEDs): Emittieren Licht, wenn Strom fließt, Anwendung z.B. in Displays und Beleuchtung.
• Laser-Dioden: Emitieren kohärentes Licht, Verwendung in Kommunikationstechnik und Laserdruckern.
• Solarzellen: Wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um, Hauptanwendung in Photovoltaikanlagen.
• Optokoppler: Übertragen elektrische Signale über Licht, um elektrische Isolation zu gewährleisten.

Thermisches Verhalten von Halbleiterbauelementen und seine Bedeutung

Definition:

Wärme beeinflusst die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit von Halbleiterbauelementen.

Details:

• Wärmeerzeugung durch Leistungsverlust: \( P = I^2 R \)
• Erhöhter Widerstand bei steigender Temperatur: \( R(T) = R_0 (1 + \alpha(T - T_0)) \)
• Thermisches Durchgehen: selbstverstärkender Prozess durch steigende Temperatur und sinkende Leitfähigkeit.
• Thermal Management: Kühlkörper, Wärmepaste, Lüfter, Thermoelektrische Kühlung
• Bedeutung: Zuverlässigkeit, Leistungsbegrenzung, Lebensdauer