Grundlagen der Elektronik

• Stoff, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen Leitern wie Metallen und Nichtleitern wie Kunststoffen liegt

• Beispiel: Silizium, Germanium, Selen und Galliumarsenid

• typisches Halbleiterbauelement ist zum Beispiel ein Transistor

• mal Leiter, mal Nichtleiter

• wechselt zwischen den Zuständen unter bestimmten Vorraussetzungen, z.B. durch Licht- oder Wärmezufuhr

• im Normalfall keine freien Elektonen -> leiten keinen Strom und sind nicht Leiter

• wenn Energie zugeführt wird, werden Elektronen freigesetzt -> Leitfähigkeit von Strom steigt

• Bestandteile eines Atoms

• bewegen sich in Bahnen (den Schalen) um den Atomkern

• negativ elektrisch

• im Atomkern

• Anzahl der Protonen entspricht Anzahl der Elektonen

• sind positiv geladen

• befinden sich im Atomkern

• elektrisch neutral

• Anzahl kann je nach Atom schwanken

• Zusammenfassung von Protonen und Neutronen

• Elektronen der äußeren Schalen

• besondere Bedeutung

• können vom Atom abgelöst un zu freien Elektronen werden -> freie Elektronen sind verantwortlich für die elektrische Ladung des Atoms

• Anzahl bestimmt Wertigkeit/Valenz eines Elements

• Normalerweise Atom eleketrisch neutral, weil Gleichgewicht zwischen Elektronen und Protonen

• entsteht, wenn ein Elektron ein Atom verlässt

• jetzt mehr Protonen als Elektronen vorhanden -> elektrische Ladung wird positiv

• entsteht, wenn ein freies Elektron auf ein Atom trifft

• jetzt sind mehr Elektronen, als Protonen vorhanden -> elektrische Ladung wird negativ

• ein Atom mit einer positiven oder negativen elektrischen Ladung

• Ablösungsvorgang leichter

• Valenzelektronen lösen sich eher schneller und es gibt sehr viele freie Elektronen -> ausgezeichnete elektrische Leiter

• Valenzelektronen lösen sich überhaupt nicht -> keine freien Elektronen -> kein Strom fließt -> Nichtleiter

• reine Halbleiter sind normalerweise keine guten elektrischen Leiter

• um Leitfähigkeit zu verbessern, wird ein wenig nachgeholfen

• Element wird mit anderer Substanz vermischt -> Dotierung

• je nach Material kann man die Eigenschaften des Halbleiters gezielt verändern

• wenn der Halbleiter positiv leitend wird, indem man ein niederwertiges Material zur Dotierung nimmt, dadurch entsteht im Atomverband eine Lücke

• Beispiel: man dotiert das vierwertige Silizium mit einem dreiwertigem Element wie Bor oder Indium

• durch die Dotierung, wird das Element negativ leitend. Es wird ein höherwertiges Material für die Dotierung verwendet, wodurch es zu einem Elektronenüberschuss kommt

• Beispiel: man dotiert das vierwertige Silizium mit dem fünfwertigen Element wie Phosphor oder Antimon

• bei Anschluss an eine Spannung bewegen sich Elektronen in eine Richtung und die “Löcher” verlagern sich in die entgegengesetzte Richtung

• während Elektronenstrom, verlagern sich die “Löcher” in die entgegengesetzte Richtung, diese Bewegung der “Löcher” wird so genannt

zwei wichtigsten:

• Dioden

• Transistoren

• einfachste Halbleiterbauelement

• wird hauptsächlich als Gleichrichter benutzt

• Strom kann nur in eine Richtung (Durchflussrichtung) passieren -> Wechselspannung in Gleichspannung gewandelt

• kann auch als Schalter und damit zur Darstellung von 0 und 1 benutzt werden --> in Durchflussrichtung fließt Strom 1, in Sperrrichtung fließt kein Strom 0

• Sperrwirkung entsteht in der Übergangszone zwischen positiv und negativ leitender Schicht.

  • Wenn psoitiv leitende Schicht am Minuspol und negativ leitende Schicht am Pluspol angeschlossen, verarmt die Übergangszone an den Ladungsträgern. Elektronen werden von der Mitte zum Pluspol, die “Löcher” zum Minuspol hingezogen -> es fließt kein Strom

  • wenn positiv leitende Schicht dagegen am Pluspol und die negativ leitende Schicht am Minuspol angeschlossen, werden Elektronen über die Mitte zum gegenüberliegenden Pluspol und “Löcher” über die Mitte zum gegenüberliegenden Minuspol angezogen. Ladungsträger können die Übergangschicht überwinden -> es fließt Stron

• UND- und ODER-Verknüpfungen durch die Kombination von zwei Dioden

• grundlegende Element für mikroelektronische integrierte Schaltungen, auch IC (Integrated Circuit) oder Chip genannt

• können als aktive Baulemente Eingangsstrom verstärken

• eignen sich aber auch als Schalter

• Name leitet sich aus dem englichen TRANSfer (“Übertragung, Versetzung”) und ResISTOR (“Widerstand”) ab -> steuerbarer Widerstand

• zwei Grundarten

  • bipolarer Transistor

  • Feldeffekttransistor

• es werden sowohl die Bewegungen der Elektronen als auch die Bewegungen der “Löcher” betrachtet -> bipolar/zweipolig

• jeder Transistor in drei Zonen unterschiedlich dotierten Materials aufgeteilt, möglich zwei Reihenfolgen: n-p-n oder p-n-p. Zwischen des leich leitenden Materials befindet sich immer eine Zone des ungleich leitenden Materials

• Zonen des gleich leitet Materials

• Schicht zwischen Emitter und Kollektor

• Emitter und Kollektor sind negativ leitend, also Elektronenüberschuss

• Basis dagegen Elektronenmangel, positiv leitend

• Emitter ist am Minuspol und Kollektor am Pluspol angeschlossen

• starke positive Spannung am Kollektor zieht die Elektronen vom Emitter an

• liegt nun an der Basis eine schwache negative Spannung an, wirkt sie gegen die Anziehung -> Emitter-Kollektor-Strom wird gesperrt

• liegt an der Basis eine schwache positive Spannung an, wird die Anziehung unterstützt -> Emitter-Kollektor-Strom wird verstärkt. Da Kollektorspannung im Vergleich zur Basisspannung stärker ist, werden nur wenige Elektronen zur Basis abgelenkt. Die “Löcher” wandern zum Emitter

• schwacher Basisstrom steuert also den Emitter-Kollektor-Strom -> Basisstrom ist Steuerstrom für den Emitter-Kollektor-Strom

• unipolarer Transistor oder kurz FET

• besteht auch aus drei Teilen, arbeitet aber nach einem anderen Prinzip

• negative leitende Quelle (Source) und positiv leitende Senke (Drain) sind über einen Kanal miteinander verbunden. Eine Steuerelektrode (Gate) kann durch Spannung den Stromfluss über den Kanal sperren oder freigeben

  • Gate ohne Spannung -> Elektronen können vom Source- zum Drain-Anschluss fließen

  • Gate negative Spannung -> Elektronenstrom wird unterbrochen

• für integrierte Schaltkreise vor allem MOS-Feldeffekttransistoren, kurz MOSFETs, (MOS = Metal Oxide Semiconducter = “Metall-Oxid-Halbleiter”). Dabei wird das Gate hier durch eine dünne Oxidschicht gegen den Kanal isoliert.

teils noch in der Entwicklung

• Galliumarsenid-Transistoren

• Supraleiterschaltungen

• optische Transistoren

• bioelektronische Transistoren

• extrem kompakt gebaut

• sehr viel schneller als herkömmliche Schaltelemente

• elektromagnetischer Schalter, bei dem durch einen Elektromagneten ein Stromkreis geöffnet oder geschlossen wird

• Steuerung erfolgt über den Magnetstrom

  • fließt Magnetstrom, wird Hebel angezogen und Arbeitstrom fließt

  • fließt Magnetstrom nicht, bleibt Hebel in Grundposition und Arbeitstrom nicht

• Magnetstrom ist somit Steuerstrom für Arbeitsstrom

• Elektronenstrom word von der negativen Kathode (einem Glüdraht) zur positiven Anode (einer Platte) von den Ladungen eines Gitters gesteuert

• Gitter und Gitterstrom übernehmen ähnliche Aufgabe wie der Magnet beim Relais

  • ist Gitter positiv geladen, regt es negative geladene Elektronen an, von der Kathode zur Anode zu wandern -> es fließt Elektronenstrom

  • ist Gitter negativ geladen, werden Elektronen der Kathode vom Gitter abgestoßen und können nicht passieren -> es fließt kein Elektronenstrom