Dr. Gernot Ecke tu ilmenau, fg nanotechnologie, Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien, Raum 315


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ELEKTRONIK 

 

Dr. Gernot Ecke 

TU Ilmenau, FG Nanotechnologie,  

Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien, Raum 315 

gernot.ecke@tu-ilmenau.de

 

 



Verbesserungen und Korrekturen bitte an: 

gernot.ecke@tu-ilmenau.de

 

oder 


simone.gutsche@tu-ilmenau.de

 

 



 

 

 



Literatur:  

  -   Skript Elektronik 

 

 

  -   Lehrbriefe  



 

      Grundlagen elektronischer Bauelemente 

 

      Köhler / Mersiowski, Nachauflage durch Buff / Hartmann,  



  

 

TU 



Ilmenau 

1998 


 

  



 

www.elektronik-kompendium.de

 

 

 



  -  Elektronik für Physiker 

 

     K. H. Rohe 



 

     Teubener Studienbücher; ISBN 3-519-13044-0 

 

 

  



Gerthsen 

Physik 

  

 



H. 

Vogel 


 

   


Springer Verlag, 20. Auflage, ISBN 3-540-65479-8 

 

-



 

Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik 

H. Lindner, H. Brauer, C. Lehmann 

Carl Hanser Verlag, Leipzig 2008, ISBN 978-3-446-41458-7 

 

-

 



Lehr- und Übungsbuch Elektronik 

G. Koß, W. Reinhold, F. Hoppe 

Carl Hanser Verlag, Leipzig 2005, ISBN 3-446-40016-8 


 

 



 

0.  

 

Vorbemerkungen 

 

Begriffe:  

 

Elektronik:   Lehre von der Steuerung von Elektronen, Elektron (gr.) = Bernstein 



  Teilbereich 

der 


Elektrotechnik 

 

 



Entwicklung, Modellierung und Anwendung elektronischer Bauelemente 

 

Elektronische Bauelemente: 



 

 

Bauelemente der Elektrotechnik ohne mechanische Bewegungen: 



 

 

- passive elektronische Bauelemente 



 

 

- aktive elektronische Bauelemente - vakuumelektronische Bauelemente 



 

 

 



 

 

 



          - festkörperelektronische Bauelemente 

 

 



- Bauelemente sind z. B.:  

Widerstände 

      Kondenstoren 

 

 



 

 

 



 

Spulen 


 

 

 



 

 

 



Dioden 

 

 



 

 

 



 

Transistoren 

 

 

 



 

 

 



Thyristoren 

      Leuchtdioden 

 

 

 



 

 

 



Fotodioden 

 

 



 

 

 



 

Laserdioden 

 

 

 



 

 

 



LCD-Displays 

      Integrierte 

Schaltungen 

(IC) 


Unterteilung der Elektronik in: 

  

 



- Analogelektronik 

   kontinuierliche 

Signale, 

 

    Leitung, Verstärkung, Verarbeitung 



 

    Verstärker 

⇒ wichtigste Schaltung, OPV, Oszillator, Filter 

- Digitalelektronik 

 

Verarbeitung diskreter Zustände (1,0) 



  

 

- Mikroelektronik 



 

 

 



Miniaturisierung und Integration von Bauelementen zu komplexen  

   


 

 

Schaltungen 



  - 

Leistungselektronik 

   Erzeugung, 

Umwandlung, 

Verteilung und Regelung von großen  

   Leistungen 

(Motorsteuerungen, 

Lichtdimmer, Kraftwerkstechnik) 

  - 

Hochfrequenzelektronik 



   Signale 

hoher 


Frequenz, 

elektromagnetische Wellen, Funk, drahtlose  

   Übertragung, 

Satelitenempfang, 

Mobiltelefonie, 

Radar 


  - 

Optoelektronik 

   Umwandlung 

von 


elektrischer 

Leistung 

⇒ Licht 

 

 



 

    LED, Laser-Diode 

   Umwandlung 

von 


elektromagnetischer 

Strahlung 

⇒ Elektrizität 

 

 



 

    Photodiode, Solarzelle, Sensorik 

 

Bedeutung der Elektronik 

 

Heute unzählige Gebiete (Nanoelektronik, Quantenelektronik), Computertechnik, 



Informationstechnik. 

Nicht wegzudenken, großer Stellenwert in der Gesellschaft 



 

3

Großer Umsatz in der Industrieproduktion. 



 

-

 



derzeit 38 % aller Produkte in Asien/Pazifik 

allein China 3 % (1995) 

→ 16 % (2007) 

-

 



Westeuropa 19 %: Reihenfolge:  Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Italien 

 

Geschichte der Elektronik 

 

- Bettet sich in die allgemeine Geschichte der Technik und speziell in die Geschichte der 



Elektrotechnik ein. 

 

www.telecent.de/geschichte.php



 

 

Technikgeschichte, Elektrotechnik 



 

• 

600 v. Chr. 



Thales von Milet beobachtete die elektrisierende Wirkung von  

 

 



 

Bernstein 

• 

47 n. Chr. 



Spannungsschläge des Zitterrochens zur Behandlung bei  

   Kopfschmerzen  

• 

um 1600 


Unterschiede in der magnet. Wirkung und Bernsteinwirkung werden  

   erkannt 

• 

1663   


Otto von Guericke - Versuche zur Elektrizität 

   Elektrisierungsmaschine 

aus 

Schwefelkugeln 



(Vakuum) 

• 

1670   



Isacc Newton – viele Versuche – Versuche zur Elektrizität 

• 

1750   



Benjamin Franklin – Blitzableiter 

• 1774 


  Erste 

Herzwiederbelebung 

mit elektrischen Schlägen 

• 

1802   



zwei Wege, mit Strom Licht zu erzeugen, werden vorgestellt:  

   glühende 

Metalldrähte 

und 


Lichtbogen zwischen 2 Kohlen,  

   Sir 


Humphry 

Dary 


• 1801 

  Volta, 

erste 

Batterie 



• 

1821    


Oerstedt, Ampere magnetische Wirkung elektr. Stroms, Kräfte 

• 

1848   



erste elektrische Morselinie in Europa 

   erste 

elektrische 

Beleuchtung mit Bogenlampen in Paris 

• 

ab 1850  



Bau von Generatoren und Elektromotoren 

• 

1854    



Heinrich Goebel: erste Glühlampe mit verkohlten Bambusfasern 

• 

1876   



Bell: erstes Telefon, Gründung der Bell Telephone Company 

• 

1883   



Erfindung des Transformators 

• 

1895   



W.C. Röntgen – Entdeckung der Röntgenstrahlen 

• 

1898   



Metalldraht aus Osmium für Glühlampen 

 

Spezielle Geschichte der Elektronik 



→ zuerst Elektronenröhre 

 

Edison 1884 

In Glühlampe fließt  

 

Strom von Glühwendel  



zu einer weiteren Elektrode 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 


 

 



EDISON-Effekt: polt man U um, kein Strom! 

 

daraus 1906 von Lee d. Forest, R. von Lieben: TRIODE 



 

 

 



ab 1910 - neue Anordnungen von Gittern und Kathode konzentrisch, neue Materialien 

 

1913 – erstes Patent zur Mehrgitterröhre Langmuir 



 

 

 



Damit ab 1. Weltkrieg: Röhren als Gleichrichter und Verstärkerbauelemente 

→ Grundlage für 

Radios, Radar, Verstärker, Funk 

 

Speziell: Geschichte der Halbleiterelektonik 



 

1823   


Jöns Jacob Berzelius (S) entdeckt Si  

1874   


Ferdinand Braun entdeckt den Gleichrichtereffekt 

ab 1925  

Halbleitergleichrichter aus Kupferoxydul 

1947   


Bardin, Brettin Shockley 

→ Erfindung des Transistors aus Germanium   

            

(Ge seit 1886 bekannt, Clemens Winkler (D), dafür 1956 – Physik- Nobelpreis) 

 

 

da schon erste Transistorradios! 



1958   

Erste integrierte Schaltung von Texas Instruments  

 

 

von der Elektronenröhre zum IC:  kleiner - schneller - billiger 



 

 

höhere Lebensdauer, höhere Zuverlässigkeit , geringerer Energieverbrauch 



 

Start der Entwicklung der IC-Industrie: 

Tendenzen: 

• Miniaturisierung (< 100 nm) 

 

 

• neue Materialien (GaAs, GaN, SiC…) 



   insbesondere 

für 


Spezialanwendungen 

→ HF, Leistung, Optoelektronik 

 

 

• neue Konzepte und Prinzipien → Quanteneffekte, HEMT 



 

 

• Integration von Gesamtsystemen 



   MEMS 

Mikroelektromechanische 

Systeme 

   NEMS 


Nanoelektromechanische 

Systeme 


   MOEMS 

Mikrooptoelektromechanische 

Systeme 

 

 



 

 

5

1.  



 

Eigenschaften fester Körper 

 

1.1



 

Metalle 


 

-

 



Metalle sind dadurch gekennzeichnet, dass die Atome ihre äußeren Elektronen leicht 

abgeben. 

Daraus resultieren   - gute Leitfähigkeit 

- Undurchsichtigkeit 

- Reflexion und Glanz 

Elektronen bilden im Metall-Festkörper das Elektronengas (nach P. Drude, A. Lorentz) 

 

Legt man eine Spannung über ein Metall an, dann fließt ein Strom: 



 

 

 



Die Elektronen werden durch das elektrische Feld beschleunigt: 

l

U

E

=

              



a

m

F

=



         

m

eE

a

=

 



 Mit :      

kg

m

As

e

c

31

19



10

109


,

9

10



602

,

1





=

=



 

 

Freie Flugdauer 



τ  bis zum Stoß mit einem Rumpfatom: 

 

 



m

eE

v

τ



=

   


 

 

 



 

 

Die Geschwindigkeit ist der thermischen Bewegung überlagert:  



s

m

v

th

5

10



=

  bei T = 300 K 

diese ist aber ungerichtet, Wimmelbewegung. 

 

mittlere Geschwindigkeit, Driftgeschwindigkeit: 



e

D

m

eE

v

τ

2



1

=



 

 

 



 

 


 

Beweglichkeit: Proportionalitätskonstante zwischen v und E: 



 

E

v

μ

=



        

E

v

=

μ



      

m

e

τ

μ



=

2



1

    


 

Leitfähigkeit: 



m

n

e

n

e

τ

μ



σ

2

2



1

=



=

   (unten Herleitung) 



 

 

Strom durch Metalldraht: 



 

t

Q

I

Δ

Δ



=

 

 



 

 

 



 

 

mit Driftgeschwindigkeit:  



t

s

v

D

Δ

Δ



=

 

 



alle Elektronen im Volumen V durchdringen in 

t

Δ

 die Fläche A 



 

Anzahl 


s

A

n

N

Δ



=

=



V

n

 



 

Ladung 


s

A

n

e

Q

Δ



=



 

 

Strom 



D

v

A

n

e

t

s

A

n

e

I



=

Δ



Δ



=

 



 

 

E



nA

e

I



=

μ

  



l

U

E

=

 



 

 

U



l

nA

e

I



=

μ

 



 

Proportionaler Zusammenhang: 

I ~ U 

 

 



R

U

I

=

  



A

n

e

l

R



=

μ



 

 

 



 

 

A



l

A

l

R

=



=

σ



ρ

1

 



 

 

σ



ρ

1

=



  

 

μ



σ



=

n

e

 

 



 

 

 



 

 

 



 

7

 



 

1.2

 

       


Energiebänder im Festkörper 

 

Potential  um ein Einzelatom:  



 

 

Potential um Atome im Festkörper: 



 

 

zwei Effekte:  1. die Potentialkurven überlagern sich 



 

 

2. die Energieniveaus spalten sich zu Bändern auf und verbreitern sich 



 

Je näher sich die Atome  

kommen, desto weiter  

werden die Bänder. 

 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 



1.3.



 

 Fermi-Gas 

 

- die Elektronen einer Festkörpers versuchen innerhalb der erlaubten Bänder energetisch 

   niedrige Zustände zu besetzen. 

 

- Fermi-Verteilung /Fermienergie kennzeichnen die Grenze der Besetzung mit Elektronen. 



 

 

Bei Temperaturerhöhung „verwischt“ die scharfe Grenze 



 

 

 



Verteilungsfunktion.:  

Fermi-Verteilung: 

 

 

 



( )

1

exp



1

+

⎟⎟



⎜⎜



⎛ −


=

kT

w

w

w

f

F

 

 



k = Bolzmann Konstante = 

K

J

23

10



38

,

1



 



 

9

 T 



Absoluttemperatur       

 kT 

≈  25 meV bei 300K 



 

 

Metalle:    



Elektronen im Leitungsband: 

    frei 

beweglich 

hohe 



Leitfähigkeit 

  z.B. 


Kupfer: 

 

(



)

1

7



10

6



Ω

=



cm

σ

 



 

 

 



 

Vs

m

2

2



10

=



μ

  

(niedrig!) 



 

 

 



 

22

10





n

cm

-3



 

 

  Beweglichkeit 



ist 

temperaturabhängig! 

 

 

 



1.4.

 

  



Isolator 

 

 



 

keine Elektronen im Leitungsband 

→ kein Stromfluss möglich! 

 

Spezifische Widerstand/Leitfähigkeit  



ist eine der Stoffeigenschaften, die den  

größten Bereich überspannt  

(40 Größenordnungen!!!) 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

 



 

 

eV



J

VAs

Nm

J

18

10



242

,

6



1

1

1



=

=



=

20

15



10

5

0



-5

-10


-15

-20


Paraffin

Diamant


Glas

Schiefer


Reinstes Wasser

reines Ge

Ag

Au, Cu


Sn

Pb

Ha



lb

le

ite



r

lg 


ρ 

[

Ω cm] 



 

10 


1.5.     

Halbleiter 

 

Halbleiter sind:  



Elemente der 4. Hauptgruppe  

IV 


 

 

 



Verbindungen aus 3. + 5. HG 

III - V 


 

 

 



Verbindungen aus 2. + 6. HG 

II – VI 


 

 

 



 

Beispiele: 

 IV 

 Si, 


Ge, 

SiC 


 

 

 



III – V  

GaAs, AlAs, InAs, InP, GaN, InN, AlN, In Sb 

 

 

 



II – VI  

ZnSE, CdS, CdTe … ZnS 

 

verschiedene Kristallgittertypen: 



 

 

 



Diamantgitter (kfz)   

 

Zinkblendegitter 



           Hexagonales Gitter (Wurzit) 

Si 


    GaAs, 

ZnS, 


CdS 

 GaN, 


SiC 

 

 



1.5.1.   

Reine Halbleiter, Eigenhalbleiter

  (alles am Beispiel des Si) 

 

 

 



 

Bei Raumtemperatur sind beim Si nur ca. 10

10

 Elektronen pro cm



3

 im Leitungsband  

(bei Cu 10

22

 !) … bei niedrigeren Temperaturen noch weniger! 



 

 

11

Gap-Energien für verschiedene Halbleiter: 



 

  Si 


 

1,12 


eV  GaN 

 

3,37 



eV 

  Ge 


 

 

 



0,67 

eV  InN 


0,7 

eV 


    

 

 



SiC 

2,36 … 3,28 eV 

InP 

1,27 eV 


  GaAs 

1,43 


eV  AlN 

6,2 


eV 

 

Für jedes Elektron im Leitungsband fehlt ein Elektron im Valenzband. Elektronen können vom 



Leitungs- ins Valenzband durch Energie angehoben werden 

 

  Energie 



> W

G

   



Photon 

→ Licht 


     Phonon 

→ Wärme 


 

 

 



 

 

Stark unterschiedliche Beweglichkeiten 



S

n

V

cm

2

1350



=

μ

 



 

 

 



 

 

 



 

S

p

V

cm

2

480



=

μ

 



 

Anzahl ist gleich! 

 

i

n

p

n

=

=



 

 

 



 

 

i



 

→ Eigenleitungsdichte 

 

i

 ist abhängig  

 

- von der Temperatur 



 

 

 



 

- von der Breite der verbotenen Zone 

 

3

2



T

n

i

 ,      


kT

W

i

G

e

n

~



2

 

 



 

12 


kT

W

i

kT

W

i

i

G

G

e

T

n

e

n

T

n

2

2



3

2

2



3

~

~



~



⎪⎭



 



 

( )


( )

0

1



2

2

2



3

0

2



3

1

0



1

kT

W

kT

W

i

i

G

G

e

e

T

T

T

n

T

n



=

 



 

 







⎟⎟



⎜⎜



=



+

0



1

2

2



2

3

0



1

kT

W

kT

W

G

G

e

T

T

 

 



⎟⎟



⎜⎜



+



⎟⎟



⎜⎜



=

0

1



1

1

2



2

3

0



1

T

T

k

W

G

e

T

T

 

 



 

 









⎟⎟



⎜⎜



=

1

0



0

0

1



2

2

3



0

1

T



T

T

T

T

T

k

W

G

e

T

T

 

 



 

⎟⎟



⎜⎜



⎟⎟



⎜⎜



=



1

0

0



1

2

2



3

0

1



T

T

kT

W

G

e

T

T

 

 



( )

( )


⎟⎟



⎜⎜







⎟⎟



⎜⎜



=

1



0

0

1



2

2

3



0

1

0



1

T

T

kT

W

i

i

G

e

T

T

T

n

T

n

 

 



(

)

3



10

10

5



,

1

300



=



cm

K

n

i

 

 



- bei 0 K gibt es keine elektrische Leitung im Halbleiter 

- bei Metallen sinkt die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur (Beweglichkeit sinkt) 

 

 

 



 

e

n

n



=

μ

σ



 

- bei Halbleitern steigt die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur (Ladungsträgerkonzentration 

   steigt) 

 

 



 

 

(



)

p

n

e

p

n

+



=

μ



μ

σ

 



 

 



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