Reisch Elektronische Bauelemente

Funktion, Grundschaltungen, Modellierung mit SPICE
2. Auflage 2007
ISBN: 978-3-540-34015-7
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 1517 Seiten

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.

Autoren/Hrsg.

Reisch, Michael

Inhaltsverzeichnis

1;Aus dem Vorwort zur 1. Auflage;6
2;Inhaltsverzeichnis;23
3;1 Grundlagen;40
3.1;1.1 Elektrische Netzwerke, CAD-Werkzeuge;41
3.2;1.2 Ideale Netzwerkelemente;44
3.3;1.3 Lineare Netzwerke;51
3.4;1.4 Nichtlineare Netzwerke;84
3.5;1.5 Literaturverzeichnis;89
4;2 Aktive Vierpole;90
4.1;2.1 Transistoren als Verstärker und Schalter;90
4.2;2.2 Kleinsignalanalyse, Vierpolkenngrößen;93
4.3;2.3 Kenngrößen beschalteter Vierpole;103
4.4;2.4 S-Parameter;112
4.5;2.5 Verstärker;114
4.6;2.6 Literaturverzeichnis;123
5;3 Rauschen;124
5.1;3.1 Grundlagen;124
5.2;3.2 Rauschmechanismen;127
5.3;3.3 Analyse rauschender Netzwerke;138
5.4;3.4 Rauschende lineare Vierpole;140
5.5;3.5 Literaturverzeichnis;147
6;4 SPICE;148
6.1;4.1 Steuerdatei, Netzliste, Modellanweisungen;148
6.2;4.2 Ergebnisausgabe;155
6.3;4.3 Erste Schritte;158
6.4;4.4 Steuerbefehle;163
6.5;4.5 Unabhängige Quellen V, I;177
6.6;4.6 Gesteuerte Quellen;183
6.7;4.7 Literaturverzeichnis;191
7;5 Praktischer Schaltungsaufbau;192
7.1;5.1 Leiterplatten;193
7.2;5.2 Hybridschaltungen;205
7.3;5.3 Verlustleistung und Eigenerwärmung;207
7.4;5.4 Qualität und Zuverlässigkeit;227
7.5;5.5 Literaturverzeichnis;236
8;6 Operationsverstärker;238
8.1;6.1 Prinzipien, Kenndaten;238
8.2;6.2 Lineare Grundschaltungen;250
8.3;6.3 Rückkopplung und Stabilität;281
8.4;6.4 Rauschen von Operationsverstärkern;292
8.5;6.5 Makromodelle für die Schaltungssimulation;297
8.6;6.6 Literaturverzeichnis;302
9;7 Widerstände;304
9.1;7.1 Physikalische Grundlagen;304
9.2;7.2 Ohmsche Widerstände;308
9.3;7.3 Heißleiter;326
9.4;7.4 Keramische Kaltleiter (PTC-Widerstände);332
9.5;7.5 PPTC-Widerstände ( Poly Switch);340
9.6;7.6 Sicherungen;341
9.7;7.7 Varistoren (VDR-Widerstände);345
9.8;7.8 Edelgasgefüllte Überspannungsableiter;351
9.9;7.9 Literaturverzeichnis;352
10;8 Kondensatoren;354
10.1;8.1 Physikalische Grundlagen;354
10.2;8.2 Bauformen;361
10.3;8.3 Kenngrößen und Ersatzschaltung des realen Kondensators;363
10.4;8.4 Ausführungen;376
10.5;8.5 Literaturverzeichnis;395
11;9 Spulen und Übertrager;396
11.1;9.1 Physikalische Grundlagen;396
11.2;9.2 Induktionskoe.zienten ausgewählter Leiterformen;401
11.3;9.3 De.nition von Induktivitäten in SPICE;404
11.4;9.4 Spulen;405
11.5;9.5 Dämpfungsperlen;419
11.6;9.6 Vormagnetisierung, Drosselspulen;421
11.7;9.7 Eigenschaften und Modellierung ferro- und ferrimagnetischer Kernmaterialien;426
11.8;9.8 Transformatoren und Übertrager;437
11.9;9.9 Literaturverzeichnis;447
12;10 Leitungen;448
12.1;10.1 Grundlagen;448
12.2;10.2 Leitung mit Beschaltung;456
12.3;10.3 Modellierung der Leitung in SPICE;465
12.4;10.4 Leitungsformen;468
12.5;10.5 Verkoppelte Leitungen;475
12.6;10.6 Literaturverzeichnis;484
13;11 Resonatoren und Filter;486
13.1;11.1 Resonatoren und Filter mit RLC-Kombinationen;486
13.2;11.2 Leitungsresonatoren;487
13.3;11.3 Schwingquarze und Quarz.lter;490
13.4;11.4 Oberflächenwellenbauelemente;503
13.5;11.5 Dielektrische Resonatoren und Filter;506
13.6;11.6 Literaturverzeichnis;509
14;12 Halbleiter;510
14.1;12.1 Halbleitermaterialien, Leitungsmechanismen;510
14.2;12.2 Grundelemente des Bändermodells;514
14.3;12.3 Halbleiter im thermischen Gleichgewicht;526
14.4;12.4 Halbleiter im Nichtgleichgewicht;539
14.5;12.5 Eigenschaften ausgewählter Halbleiter;577
14.6;12.6 Literaturverzeichnis;584
15;13 Herstellung von Halbleiterbauelementen;588
15.1;13.1 Herstellung von Silizium-Einkristallen, Wafer;588
15.2;13.2 Thermische Oxidation von Silizium;591
15.3;13.3 Schichtabscheidung;594
15.4;13.4 Dotierung;597
15.5;13.5 Strukturübertragung;602
15.6;13.6 Metallisierung;607
15.7;13.7 Layout, Design Rules;613
15.8;13.8 Integration passiver Bauelemente;615
15.9;13.9 Kontaktierung und Packaging;621
15.10;13.10 Literaturverzeichnis;624
16;14 Kontakte;626
16.1;14.1 PN- Übergang: Gleichbetrieb;626
16.2;14.2 PN- Übergänge: Speicherladungen, Schaltverhalten;659
16.3;14.3 PN- Übergänge: Kleinsignalmodell und Rauschverhalten;671
16.4;14.4 Groflsignalmodell der pn-Diode;679
16.5;14.5 Heteroübergänge;687
16.6;14.6 Metall-Halbleiter-Kontakte;693
16.7;14.7 MOS-Kondensatoren;702
16.8;14.8 Literaturverzeichnis;716
17;15 Halbleiterdioden;718
17.1;15.1 Gleichrichterdioden;718
17.2;15.2 PIN-Dioden;731
17.3;15.3 Schottky-Dioden;744
17.4;15.4 Z-Dioden;749
17.5;15.5 Varaktoren;758
17.6;15.6 Tunneldioden;767
17.7;15.7 Laufzeitdioden;774
17.8;15.8 Gunn-Elemente;780
17.9;15.9 Literaturverzeichnis;784
18;16 Bipolartransistoren;786
18.1;16.1 Einführung;786
18.2;16.2 Groflsignalbeschreibung;793
18.3;16.3 Kleinsignalbeschreibung;824
18.4;16.4 Rauschverhalten;845
18.5;16.5 Sperrverhalten, Grenzdaten;851
18.6;16.6 Heterostruktur-Bipolartransistoren (HBTs);858
18.7;16.7 Einzeltransistoren;865
18.8;16.8 Integrierte Bipolartransistoren;870
18.9;16.9 Literaturverzeichnis;881
19;17 Grundschaltungen mit Bipolartransistoren;884
19.1;17.1 Emitterschaltung;884
19.2;17.2 Kollektorschaltung (Emitterfolger);909
19.3;17.3 Basisschaltung;917
19.4;17.4 Diodenschaltung;919
19.5;17.5 Stromquellen;921
19.6;17.6 Di.erenzverstärker;927
19.7;17.7 Bandabstandsreferenzen;936
19.8;17.8 Digitalschaltungen;938
19.9;17.9 Literaturverzeichnis;947
20;18 CAD-Modelle für Bipolartransistoren;948
20.1;18.1 Gummel-Poon Modell;948
20.2;18.2 Komplexere Modelle für integrierte Bipolartransistoren;967
20.3;18.3 Literaturverzeichnis;971
21;19 Thyristoren;972
21.1;19.1 Rückwärtssperrende Thyristoren;973
21.2;19.2 Sonderformen des Thyristors;995
21.3;19.3 Modellierung von Thyristoren in PSPICE;999
21.4;19.4 DIACs und TRIACs;1004
21.5;19.5 Unijunctiontransistoren;1008
21.6;19.6 Literaturverzeichnis;1011
22;20 MOS-Feldeffekttransistoren;1012
22.1;20.1 Einführung;1012
22.2;20.2 Der MOSFET in einfachster Näherung;1017
22.3;20.3 Kanalimplantation, Buried-channel-MOSFETs;1043
22.4;20.4 Mehr zur Physik des MOSFET;1048
22.5;20.5 Elektrisches Verhalten von Kurzkanal-MOSFETs;1059
22.6;20.6 Kleinsignalbeschreibung des MOSFET;1071
22.7;20.7 MOSFETs in integrierten Schaltungen;1079
22.8;20.8 Literaturverzeichnis;1099
23;21 Grundschaltungen mit MOSFETs;1102
23.1;21.1 Grundschaltungen mit n-Kanal MOSFETs;1102
23.2;21.2 Statische CMOS-Logik;1110
23.3;21.3 Current-Mode Logik (MCML);1135
23.4;21.4 Dynamische CMOS-Logik;1137
23.5;21.5 Stub-Series-Terminated Logic (SSTL);1139
23.6;21.6 ESD-Schutzschaltungen;1140
23.7;21.7 Analogschaltungen;1141
23.8;21.8 BiCMOS;1150
23.9;21.9 Literaturverzeichnis;1152
24;22 Speicherbausteine;1154
24.1;22.1 SRAMs;1157
24.2;22.2 DRAMs;1163
24.3;22.3 ROM, PROM;1177
24.4;22.4 EPROMs, EEPROMs, Flash-Memory;1179
24.5;22.5 Alternative Speicherkonzepte;1190
24.6;22.6 Literaturverzeichnis;1197
25;23 MOS-Leistungsbauelemente;1200
25.1;23.1 Vertikale Leistungs-MOSFETs;1201
25.2;23.2 Laterale DMOSFETs;1217
25.3;23.3 IGBTs;1219
25.4;23.4 MOS-gesteuerte Thyristoren (MCTs);1225
25.5;23.5 Integration, Smart-Power ICs;1226
25.6;23.6 Literaturverzeichnis;1228
26;24 CAD-Modelle für MOSFETs;1230
26.1;24.1 Einführung;1230
26.2;24.2 LEVEL 1 - Modell;1232
26.3;24.3 LEVEL 3 - Modell;1236
26.4;24.4 Weiterentwickelte MOS-Modelle;1248
26.5;24.5 Literaturverzeichnis;1253
27;25 Sperrschichtfelde.ekttransistoren;1254
27.1;25.1 Sperrschichtfelde.ekttransistoren (JFETs);1254
27.2;25.2 GaAs-MESFETs;1268
27.3;25.3 MODFETs;1275
27.4;25.4 Literaturverzeichnis;1279
28;26 Grundlagen Optoelektronik;1280
28.1;26.1 Licht;1280
28.2;26.2 Strahlungsgrößen;1285
28.3;26.3 Farbsehen und Farbmetrik;1295
28.4;26.4 Absorption und Dämpfung;1298
28.5;26.5 Lichtwellenleiter;1300
28.6;26.6 Wärmestrahlung;1309
28.7;26.7 Literaturverzeichnis;1311
29;27 Detektoren für optische Strahlung;1312
29.1;27.1 Kenngrößen für Fotodetektoren;1312
29.2;27.2 Fotowiderstände ( LDR);1314
29.3;27.3 pin-Fotodioden;1322
29.4;27.4 Avalanche-Fotodioden (APDs);1338
29.5;27.5 Schottky-Fotodioden, MSM-Fotodioden;1342
29.6;27.6 Fotodioden mit lateraler Ortsaufl ¨ osung;1343
29.7;27.7 Fototransistoren;1345
29.8;27.8 Pyroelektrische IR-Detektoren;1351
29.9;27.9 Photomultiplier;1357
29.10;27.10 Farbsensoren;1358
29.11;27.11 Literaturverzeichnis;1358
30;28 Solarzellen;1360
30.1;28.1 Sonneneinstrahlung;1361
30.2;28.2 Spektrale Empfindlichkeit;1367
30.3;28.3 Kenngrößen und Ersatzschaltung;1372
30.4;28.4 Einkristalline Solarzellen;1376
30.5;28.5 Polykristalline Siliziumsolarzellen;1386
30.6;28.6 Dünnschichtsolarzellen;1386
30.7;28.7 Solarzellenarrays;1392
30.8;28.8 Literaturverzeichnis;1394
31;29 Lichtemittierende Dioden;1396
31.1;29.1 Leuchtdioden (LEDs);1396
31.2;29.2 Laserdioden;1410
31.3;29.3 Optokoppler;1430
31.4;29.4 Literaturverzeichnis;1441
32;30 Displays;1442
32.1;30.1 Flüssigkristall- Anzeigen ( LCDs);1442
32.2;30.2 Plasma-Displays;1451
32.3;30.3 Vakuum-Fluoreszenz- und Field-Emission Displays;1454
32.4;30.4 OLED-Displays;1456
32.5;30.5 Literaturverzeichnis;1457
33;31 Bildwandler;1458
33.1;31.1 Charge Coupled Devices;1458
33.2;31.2 CMOS-Bildwandler;1476
33.3;31.3 Bildwandler für Farbbilder;1479
33.4;31.4 Literaturverzeichnis;1480
34;32 Sensorbauelemente;1482
34.1;32.1 Temperatursensoren;1482
34.2;32.2 Magnetfeldsensoren;1492
34.3;32.3 Dehnungsmeflstreifen;1498
34.4;32.4 Drucksensoren;1501
34.5;32.5 Kapazitive Feuchtesensoren;1503
34.6;32.6 Detektoren für Ionisierende Strahlung;1504
34.7;32.7 Literaturverzeichnis;1507
35;33 Batterien und Akkumulatoren;1508
35.1;33.1 Elektrochemische Zellen;1508
35.2;33.2 Ultracaps;1521
35.3;33.3 Brennstoffzellen;1524
35.4;33.4 Literaturverzeichnis;1526
36;Index;1527

Leseproben

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.