Technische Informatik I Übung 2: Halbleiterschaltungen (INF 1210) - Teil 2 Übung 2: Halbleiterschaltungen P. Rüffer, W. Adi

Aufgabe 1: Diodenschaltung Bild 1-1 zeigt eine Schaltung mit einer Diode D, den Widerständen R1, R2 und R3 und der Spannungsquelle UB. Die Kennlinie der Diode D ist in Bild 1-2 dargestellt. Es soll der Arbeitspunkt der Schaltung im Punkt A auf grafischem Wege bestimmt werden. Weitere Angaben: R1 = 500 , R2 = 2 k, R3 = 1 k, UB = 2 V. R R I I 1 1 A A I I 1 1 A 3 3 U U I I R R 1 1 2 2 D D U U D D U U A A U B R R U U 2 2 R R 2 2 R R U U 3 3 R R 3 B Bild 1-1

Diodenkennlinie Bild 1-2 I mA 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 U 0,4 0,8 1,2 1,6 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 V Bild 1-2

Lösung 1: Diodenschaltung UR1 R1 IA=I1 A I2 I3 D UD UB = 2V R2 UA UR2 R3 UR3

Diodenschaltung - Lösung 1. Schritt: I3 = ƒ(UA) Kennlinie für die Reihenschaltung der Diode D und des Widerstands R3 graphisch durch die Addition der Kennlinien entwickeln. (bei einer Reihenschaltung werden die Spannungen UD und UR3 für gleiche Werte von I3 addiert.) I3 = ƒ(UD) und I3 = ƒ(UR3) entwickeln: I3 = ƒ(UD) ist gegeben, I3 = ƒ(UR3) wird entwickelt durch D R3 D UD I3 R3 UR3 UR3 0 0 1V 1mA

Diodenschaltung - Lösung 2. Schritt: Kennlinie I1 = ƒ1(UA) des ‚Ersatzelementes‘ der Parallelschaltung von D und R3 mit R2 konstruieren. Die Kennlinie der Parallelschaltung wird graphisch durch die Addition der Ströme I2 = ƒ(UA), I3 = ƒ(UA) für gleiche Werte von UA bestimmt. I3 = ƒ(UA) ist durch den 1. Schritt gegeben mit UR2 = UA : UR2 I2 = D R3 R2 0V 0 2V 1mA

Diodenschaltung - Lösung 3. Schritt: Arbeitspunkt bestimmen Der Arbeitspunkt ist durch den Schnitt-punkt der Kennlinie des Widerstandes R1 im I/UA-Feld mit I1 = ƒ1(UA) (2. Schritt) bestimmt. I1= ƒ2(UR1 = UB - UA) ist bestimmt durch: I1 = = UB=2V, UA=2V → UR1=0V, I1=0A UA=1V → UR1=1V, I1= = 0,002A UB = 2V Arbeitspunkt bei (1,38V, 1,25mA)

Aufgabe 2: Verschaltung nichtlinearer Elemente Gegeben sei folgende Schaltung mit dem Spannungsregler A und einer nicht linearen Last B IA Spannungsregler A Nicht lineare Last B UA Es gelten folgende Kennlinien für die beiden Einheiten: Regler A Last B Berechnen Sie IA und UA

Lösung 2: Last B Regler A (4,5 A , 8 V) I Last B Regler A 6 (4,5 A , 8 V) 4 2 U 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Betriebspunkt IA = 4,5 A und UA = 8 V:

Aufgabe 3: Verschaltung nichtlinearer Elemente Gegeben sei folgende Schaltung mit dem Strom/Spannungsregler A und einer nicht linearen Last B IA 0.5Ω Spannungsregler A Nicht lineare Last B UA Es gelten folgende Kennlinien für die beiden Einheiten: I I Regler A Last B U U Berechnen Sie IA und UA

Aufgabe 4: MOS-Transistor + S D d ox SiO 2 W G Poly-Si L p-Substrat Bild 4-1 MOS-Transistor Für den skizzierten n-Kanal MOSFET gelte: Dielektrizitätskonstante e = 8,85·10-12 As/(Vm), rel. Dielektrizitätskonstante eoxid = 4,0, Oxiddicke doxid = 20nm, L = 1mm, W = 10mm, Beweglichkeit der Ladungsträger mn = 580cm2/(Vs) Bestimmen Sie den flächenbezogenen Kapazitätsbelag cox des Gate- Oxids. Bestimmen Sie den Strom ID für Ut = 1V, wenn gilt: UDS = UGS = 4V. Bestimmen Sie den Strom ID für Ut = 1V, UDS = 2V und UGS = 4V.

Lösung 4 : MOS-Transistor Oxidkapazität cox UGS  Ut und UDS ≤ UGS – Ut: ohm‘scher Bereich, Triodenbereich UGS  Ut und UDS > UGS – Ut : Abschnürbereich (Sättigungsbereich) hier: 4V 1V und UDS= 4V > 4V – 1V  Abschnürbereich

Lösung 4: MOS- Transistor UDS UGS – UT Bemerkung 0V 3V ohm‘scher Bereich 1V 3V ohm‘scher Bereich 2V 3V ohm‘scher Bereich 3V 3V Abschnürbereich 4V 3V Abschnürbereich 5V 3V Abschnürbereich UGS = 4V ≥ Ut = 1V und UDS = 2V ≤ (UGS = 4V – Ut = 1V) => ohm‘scher Bereich, Triodenbereich

Aufgabe 5: MOS-Transistor Schaltungs-Arbeitspunkt Berechnen Sie für die Schaltung im Bild 5-1 die Spannung UGS und die Werte des Arbeitspunktes IA und UA. Die MOS Kennlinie ist gegeben. UDD= 10 V Lösung: RD= 100 Ω R1= 8kΩ UBIAS ID UDS UEin= us R2= 2kΩ UGS=UBIAS Lastkennliniengleichung: UDD = ID RD +UDS 10 V = ID 100 + UDS Bild 5-1 Schaltung mit MOS-Transistor

Arbeitspunkt: IA= 50 mA, UA= 5V Lösung 5: MOS-Transistor Schaltungs-Arbeitspunkt 10 V = ID 100 + UDS Arbeitspunkt: IA= 50 mA, UA= 5V UGS= 2V UA=5V IA=50 mA