Halbleitertechnik I - Bipolartechnik (HL I) - Cheatsheet

Grundlagen der Ladungsträger in Halbleitern

Definition:

Grundeigenschaften und Verhalten von Elektronen und Löchern in Halbleitermaterialien; Basis für das Verständnis der Funktion von Halbleiterbauelementen.

Details:

• Halbleiter haben eine Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren
• Eigenleitung: In reinem Halbleiter entstehen Elektronen und Löcher durch thermische Anregung
• Dichte der Eigenleitungsträger: \(n_i = p_i = \frac{k_B T}{2E_g}e^{-\frac{E_g}{2k_B T}}\)
• Dotierungen erhöhen spezifisch Elektronen (n-Typ) oder Löcher (p-Typ)
• Haupttypen der Ladungsträger: Elektronen (negativ) und Löcher (positiv)
• Gesamte Ladungsträgerdichte: n (Elektronen) und p (Löcher), \(n \times p = n_i^2\)
• Mobilität von Ladungsträgern beeinflusst durch Streuprozesse

Funktionsweise des p-n-p und n-p-n Transistors

Definition:

Funktionsweise von p-n-p und n-p-n Transistoren; funktionell ähnliche Halbleiterbauelemente, aber polaritätsabhängig.

Details:

• Beide Transistoren haben drei Schichten: Emitter, Basis und Kollektor.
• Im n-p-n Transistor: Emitter (n-dotiert), Basis (p-dotiert), Kollektor (n-dotiert).
• Im p-n-p Transistor: Emitter (p-dotiert), Basis (n-dotiert), Kollektor (p-dotiert).
• Spannungssteuerung bestimmt Funktionsweise:
• n-p-n: Positive Spannung an Basis erhöht Stromfluss von Emitter zu Kollektor.
• p-n-p: Negative Spannung an Basis erhöht Stromfluss von Emitter zu Kollektor.
• Gleichungen:
• \text{I_C} = \beta \text{I_B}
• \text{I_E} = \text{I_C} + \text{I_B}

Leistungsparameter und Verstärkungseigenschaften

Definition:

Leistungsparameter und Verstärkungseigenschaften beschreiben die Effizienz und die Verstärkungsfähigkeit eines Bipolartransistors.

Details:

• Stromverstärkungsfaktor (\beta oder h_FE): Verhältnis des Kollektorstroms zum Basisstrom
• Early-Spannung (V_A): Beschreibt die Variation des Kollektorstroms durch den Early-Effekt
• Grenzfrequenz (f_T): Frequenz, bei der die Stromverstärkung auf 1 fällt
• Sättigungsspannungen: V_CE(sat), V_BE(sat) - Spannungen bei gesättigtem Transistor
• Leistungsaufnahme (P_T): Produkt aus Kollektorstrom und Kollektor-Emitter-Spannung

Temperaturabhängigkeit und thermische Stabilität

Definition:

Änderungen im elektrischen Verhalten von Halbleitern aufgrund von Temperaturvariationen; betrifft Bauelementzuverlässigkeit und Performance, wichtiger Aspekt in der Bipolartechnik.

Details:

• Thermische Generation von Ladungsträgern: \( n_i = n_{i0} \cdot e^{-\frac{E_g}{2kT}} \)
• Temperaturabhängigkeit der beweglichen Ladungsträger: \( \mu \propto T^{-3/2} \)
• Leckströme steigen mit Temperatur: \( I_{CBO} = I_{CBO0} \cdot e^{\frac{qV_{BE}}{kT}} \)
• Thermische Stabilität: Einfluss auf Wärmeentwicklung und Joule-Effekte; Wärmenachführung durch LC-Elemente
• Thermisches Durchgehen: Selbstverstärkender Effekt bei hoher Leistung oder hohen Temperaturen, beeinflusst Betriebszyklen

Dotierungsverfahren: Ionimplantation und Diffusion

Definition:

Verfahren zur gezielten Einbringung von Fremdatomen in ein Halbleitermaterial, um dessen elektrische Eigenschaften zu verändern.

Details:

• Ionimplantation: Ionen werden mittels elektrischer Felder beschleunigt und in das Halbleitermaterial eingebracht.
• Diffusion: Fremdatome werden durch Wärmebehandlung im Halbleitermaterial verteilt.
• Dotierprofil bei Ionimplantation: Gaußverteilung
• Dotierprofil bei Diffusion: Fehlerfunktion

Modellierung von Bipolartransistoren mit SPICE

Definition:

Modellierung von Bipolartransistoren in SPICE zur Simulation von Schaltungen und Analyse des Verhaltens unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

Details:

• SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis): Simulationswerkzeug zur elektrischen Analyse.
• Bipolartransistor: Halbleiterbauelement, das als Verstärker und Schalter verwendet wird.
• Wichtige Modelle: Eber-Moll-Modell, Gummel-Poon-Modell.
• Parameter: Übertragungsfunktion, Early-Spannung, Stromverstärkungsfaktor (\beta).
• Standard-SPICE-Befehl zur Definition eines BJTs: .model.
• Beispiel: .model QNPN NPN(IS=1e-14 BF=100 VAF=50)

Verlustleistungs- und Effizienzberechnungen

Definition:

Berechnung der Verlustleistung und der Effizienz von bipolaren Transistoren in elektronischen Schaltungen.

Details:

• Verlustleistung (P_V): \[ P_V = V_{CE} \times I_C \]
• Effizienz ( \eta ): \[ \eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \]
• Wärmemanagement notwendig, um Überhitzung zu vermeiden.
• Optimierung der Effizienz durch Reduktion von Verlusten und Anpassung der Arbeitsparameter.

Verstärker- und Schaltungsdesign in der Analogtechnik

Definition:

Design von analogen Verstärkerschaltungen unter Verwendung von Halbleiterelementen wie Transistoren, insbesondere Bipolartransistoren, zur Signalverstärkung.

Details:

• Anwendungsbereiche: Audio, Kommunikation, Messtechnik
• Wichtige Parameter: Verstärkung, Bandbreite, Eingangs-/Ausgangsimpedanz
• Grundtypen: Differenzverstärker, Operationsverstärker, Transimpedanzverstärker
• Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten zur Stabilisierung und Filterung
• Häufige Probleme: Rauschen, Verzerrung, thermische Drift
• Mathematische Grundlage: \[ A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}} \]