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By Holger Göbel

Dieses Lehrbuch führt in die Prinzipien und die Funktionsweise von Bauelementen und Schaltungen ein und macht den Leser mit den Herstellungsverfahren integrierter Schaltungen vertraut.

Nach einer verständlichen Einführung in die Halbleiterphysik behandelt der Autor die wichtigsten Bauelemente und Grundschaltungen und leitet die entsprechenden Gleichungen so ab, dass der Leser die Vorgehensweise auch auf andere, komplexe Schaltungen übertragen kann. Neben den analogen Grundschaltungen - vom einstufigen Spannungsverstärker bis zum integrierten Operationsverstärker - gibt das Buch eine Übersicht über den Entwurf digitaler Schaltungen in CMOS-Technologie. Eine Einführung in die Technologie zur Herstellung integrierter CMOS-Schaltungen rundet den Inhalt des Buches ab.

Das interaktive Lernprogramm S.m.i.L.E ermöglicht es, komplexe Zusammenhänge mittels interaktiver Applets zu verstehen. Mit Hilfe von PSpice-Dateien kann der Leser die Funktion der im Buch vorgestellten Schaltungen an praktischen Beispielen selbst erproben.

Online-Materialien auf dem Extrasserver: PSpice-Dateien und die Studentenversion des Schaltungssimulators OrCAD-PSpice 9.1.

Die Zielgruppen

Zielgruppe des Lehrbuchs sind Studierende der Elektrotechnik und anderer technischer Studiengänge sowie in der Praxis stehende Ingenieure und Techniker, die ihre vorhandenen Kenntnisse auf dem Gebiet der Elektronik und Halbleiter-Schaltungstechnik vertiefen wollen.

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In das n-Gebiet an. ü ü ý Raumladungszone x=0 -xp xn r qND -xp + _ E x xn -qNA -xp xn x F Fi x xn -xp Abb. 3. 1_ Raumladungszone Zur Berechnung der sich einstellenden Spannung Φi zwischen p- und nGebiet geht man davon aus, dass sich Diffusions- und der Driftstrom im thermodynamischen Gleichgewicht jeweils kompensieren. 1) jn,Dif f + jn,Drif t = 0 . 56) jn = qμn nE + qDn dn =0. 2) Damit erhält man für das elektrische Feld Edx = − Dn dn , μn n mit Dn = kT μn . 4) np0 = kT nn0 ln . 6) nn0 = ND , np0 = i , NA erhalten wir schließlich Φi = NA N D kT ln .

Es gelangen also Elektronen durch die Raumladungszone bis in das neutrale p-Gebiet und entsprechend Löcher ins neutrale n-Gebiet, wo sie jeweils mit den dortigen Majoritätsträgern rekombinieren (Abb. 5). Diese werden aus den neutralen Gebieten nachgeliefert, was einem Stromfluss ID entspricht. Je größer die Spannung Upn , um so mehr Ladungsträger diffundieren über den Übergang und um so größer wird der Strom ID . ID>0 Rek. Diffusion Rek. Diffusion p-Gebiet x=0 n-Gebiet Upn>0 Abb. 5. Bei in Durchlassrichtung angelegter Diodenspannung verringert sich das elektrische Feld über dem Übergang und die Diffusion von Ladungsträgern wird nicht mehr durch das elektrische Feld kompensiert Diode in Sperrpolung Wird eine Spannung Upn < 0 an die Diode gelegt, erhöht sich die Spannung über dem pn-Übergang und damit auch das elektrische Feld.

9) Analog ergibt sich für die Löcherdichte im n-Gebiet der Ausdruck pn0 = pp0 exp − q Φi kT . 10) Die letzten beiden Ausdrücke verknüpfen die Trägerdichten mit der Spannung über dem pn-Übergang und werden daher im Folgenden zur Ableitung der Diodengleichung benutzt. Durch das Zusammenbringen eines p- und eines n-Halbleiters entsteht an der Grenzschicht ein von freien Ladungsträgern ausgeräumter Bereich, die Raumladungszone. Die durch den Konzentrationsgradienten verursachte Diffusionsbewegung von Ladungsträgern wird dabei von der durch das elektrische Feld der Raumladungszone hervorgerufenen Driftbewegung kompensiert.

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