Grundlagen der Elektronik: Halbleiter & Schaltkreise

Elektronische Bauelemente

LED (Licht-emittierende Diode)

Eine LED funktioniert durch einen physikalischen Prozess, bei dem Elektronen Photonen (Licht) emittieren, wenn sie in ihre Valenzbahnen zurückfallen. Dieser Vorgang wird als Elektrolumineszenz bezeichnet.

Diskrete Bauelemente

Dies sind elektronische Komponenten, die separat hergestellt werden und über Anschlussdrähte verfügen. Sie werden verwendet, um sie mit anderen Elementen auf einer Leiterplatte zu einem vollständigen Schaltkreis zu verbinden.

Integrierte Schaltkreise (IC)

Monolithisch integrierter Schaltkreis

Bei einem monolithisch integrierten Schaltkreis sind alle Komponenten auf einem einzigen Halbleiterplättchen (Chip) untergebracht. Die Leiterbahnen und Isolatoren werden durch chemische Prozesse, wie Gasphasenabscheidung und das Aufbringen von Metallen (z. B. Aluminium), erzeugt.

Digitaler integrierter Schaltkreis

Digitale ICs erzeugen Signale mit zwei definierten Spannungspegeln (z. B. High und Low). Sie bestehen aus einfachen Grundbausteinen, den sogenannten Logikgattern. Diese Gatter fungieren als elektronisch gesteuerte Schalter, die entweder ein- oder ausgeschaltet sein können.

Hybridschaltkreis

Ein Hybridschaltkreis wird durch die Kombination mehrerer diskreter Bauelemente und integrierter Schaltkreise auf einem gemeinsamen Substrat aufgebaut. Hierbei kommen Technologien wie die Dickschicht- oder Dünnschichttechnik zum Einsatz.

Grundlagen der Halbleitertechnik

Störstellenhalbleiter (Extrinsische Halbleiter)

Störstellenhalbleiter entstehen, wenn ein reiner Halbleiter (Eigenhalbleiter) gezielt mit einem geringen Anteil an Fremdatomen verunreinigt wird. Dieser Prozess wird als Dotierung bezeichnet. Je nachdem, ob drei- oder fünfwertige Elemente zur Dotierung verwendet werden, unterscheidet man zwischen p- und n-leitenden Halbleitern.

N-leitender Halbleiter (N-Typ)

N-leitende Halbleiter entstehen durch die Dotierung mit fünfwertigen Elementen (z. B. Arsen, Phosphor, Antimon). Da diese Elemente fünf Valenzelektronen besitzen, bleibt nach der Bildung der kovalenten Bindungen im Kristallgitter ein Elektron pro Fremdatom übrig. Dieses Elektron ist nur schwach gebunden und kann leicht als freier Ladungsträger agieren.

• Die freien Elektronen sind die Majoritätsladungsträger.
• Die Fremdatome werden als Donatoren (Spender) bezeichnet, da sie ein Elektron abgeben.

P-leitender Halbleiter (P-Typ)

P-leitende Halbleiter entstehen durch die Dotierung mit dreiwertigen Elementen (z. B. Aluminium, Bor, Gallium). Da diese Elemente nur drei Valenzelektronen haben, fehlt zur Vervollständigung der vier kovalenten Bindungen ein Elektron. Diese Leerstelle wird als Loch bezeichnet und wirkt wie eine positive Ladung.

• Die Löcher sind die Majoritätsladungsträger.
• Die Fremdatome werden als Akzeptoren (Empfänger) bezeichnet, da sie ein Elektron aufnehmen können.

Wichtige Begriffe und Formeln

Schwellenspannung

Die Schwellenspannung (auch Durchlassspannung) ist die Mindestspannung, die an einer Diode (z. B. einer LED) anliegen muss, damit sie elektrischen Strom leitet.

Leitender Bereich

Der leitende Bereich (oder Durchlassbereich) ist der Betriebszustand, der eintritt, wenn die angelegte Spannung die Schwellenspannung überschreitet.

Nützliche Formeln

• Gleichgerichtete Spannung (Einweggleichrichter): V_DC ≈ 0,45 × V_AC
• Spitzenspannung aus Effektivwert (Diode): V_max ≈ 1,414 × V_AC