Transistor-Kurs

Lektion 1 • Dotierung und extrinsische Halbleiter

Führt die n-Typ- und p-Typ-Dotierung durch Donator- und Akzeptorverunreinigungen ein. Erläutert, wie die kontrollierte Dotierung die Majoritäts- und Minoritätsladungsträgerkonzentrationen festlegt.

Lektion 2 • Atomaufbau und Energiebänder

Behandelt die atomare Bindung, Valenzelektronen und die Energiebandtheorie in Festkörpern. Schafft die quantenmechanische Grundlage, die zum Verständnis der Halbleiterleitfähigkeit erforderlich ist.

Lektion 3 • Ladungsträgertransportmechanismen

Analysiert Drift und Diffusion als die beiden primären Ladungsträgertransportprozesse. Verknüpft elektrische Feld- und Konzentrationsgradienten mit Stromdichtegleichungen.

Lektion 4 • Intrinsische Halbleitereigenschaften

Untersucht reine Halbleitermaterialien, thermische Ladungsträgererzeugung und das Massenwirkungsgesetz. Verbindet die intrinsische Ladungsträgerkonzentration mit der temperaturabhängigen Leitfähigkeit.

Lektion 1 • I-U-Kennlinien der Diode

Analysiert die exponentielle Strom-Spannungs-Beziehung und den Sättigungsstrom. Führt nichtideale Effekte einschließlich Serienwiderstand und Rekombinationsstrom ein.

Lektion 2 • Durchlass- und Sperrrichtungsbedingungen

Erklärt, wie die angelegte Spannung die Sperrschichtweite und Barrierenhöhe verändert. Verbindet die Polarität der Vorspannung mit der Majoritätsladungsträgerinjektion und der Stromflussrichtung.

Lektion 3 • Übergangskapazitätseffekte

Behandelt Sperrschichtkapazität und Diffusionskapazität als frequenzbegrenzende Elemente. Bereitet die Studierenden auf die Hochfrequenz-Transistoranalyse in späteren Kapiteln vor.

Lektion 1 • BJT-Vorspannungstechniken

Vergleicht Festvorspannung, Spannungsteilervorspannung und emitterstabilisierte Vorspannungsschaltungen. Bewertet den Stabilitätsfaktor, um Vorspannungsnetzwerke auszuwählen, die robust gegenüber Beta-Schwankungen sind.

Lektion 2 • Early-Effekt und Ausgangswiderstand

Erklärt die Basisweitenmodulation und ihre Auswirkung auf den Ausgangsleitwert. Führt den Early-Spannungsparameter ein, der in Kleinsignal- und SPICE-Modellen verwendet wird.

Lektion 3 • DC-Stromverstärkung und Anschlussgleichungen

Leitet die Stromverstärkungsparameter Alpha und Beta aus dem physikalischen Ladungsträgertransport ab. Verknüpft die Ebers-Moll-Modellgleichungen mit messbaren Anschlussströmen.

Lektion 4 • Betriebsbereiche und Lastgeraden

Ordnet aktive, Sättigungs- und Sperrbereiche den BJT-Ausgangskennlinien zu. Verwendet die Lastgeradenanalyse, um den DC-Arbeitspunkt grafisch zu bestimmen.

Lektion 1 • Analyse des Emitterschaltungsverstärkers

Analysiert Spannungsverstärkung, Eingangswiderstand und Ausgangswiderstand der Emitterschaltung. Identifiziert die Emitterschaltung als die primäre spannungsverstärkende Topologie.

Lektion 2 • Basisschaltungs- und Kollektorschaltungsstufen

Vergleicht die Eigenschaften des CB-Strompuffers und CC-Spannungsfolgers mit der Emitterschaltung. Ermöglicht die Topologieauswahl basierend auf Impedanzanpassungsanforderungen.

Lektion 3 • Hybrid-Pi-Kleinsignalmodell

Leitet die Hybrid-Pi-Modellparameter aus dem DC-Arbeitspunkt ab. Bietet das analytische Werkzeug, das in der gesamten BJT-Verstärker- und Frequenzanalyse verwendet wird.

Lektion 4 • Design mehrstufiger Verstärker

Kaskadiert CE-, CB- und CC-Stufen, um Zielverstärkung und -bandbreite zu erreichen. Behandelt die Belastung zwischen den Stufen und die Gesamtverstärkungsberechnung mit Zweitormethoden.

Lektion 1 • MOSFET-Bauelementskalierung und -Typen

Bietet einen Überblick über Anreicherungs- vs. Verarmungsmodi, NMOS vs. PMOS und Kurzkanalskalierungstrends. Bereitet die Studierenden auf die CMOS-Schaltungsanalyse im folgenden Kapitel vor.

Lektion 2 • MOSFET-Aufbau und Schwellenspannung

Erklärt die MOS-Kondensatorphysik, die Bildung der Inversionsschicht und die Herleitung der Schwellenspannung. Verbindet Oxiddicke und Dotierung mit der Schwellenspannung in Anreicherungs-MOSFETs.

Lektion 3 • JFET-Aufbau und Pinch-Off

Beschreibt den JFET-Kanal, die gate-gesteuerte Verarmung und die Pinch-Off-Spannung. Etabliert das Konzept der spannungsgesteuerten Stromquelle, das für alle FET-Bauelemente zentral ist.

Lektion 4 • MOSFET-Drainstrom-Gleichungen

Leitet die Drainstrom-Ausdrücke für den Trioden- und Sättigungsbereich aus dem Ladungsschichtenmodell ab. Ermöglicht die quantitative DC-Analyse von NMOS- und PMOS-Schaltungen.

Lektion 1 • Hochfrequenz-FET-Verstärkeranalyse

Wendet die Miller-Näherung und die Methode der Leerlaufzeitkonstanten auf den FET-Frequenzgang an. Bestimmt die Transitfrequenz fT und die Bandbreite für Source- und Gate-Stufen.

Lektion 2 • CMOS-Inverter und Logikstufen

Analysiert den CMOS-Inverter als komplementären Verstärker und digitalen Schalter. Verbindet das analoge Kleinsignalverhalten mit digitalen Schaltschwellen und Störabständen.

Lektion 3 • FET-Kleinsignalersatzschaltbild

Leitet gm, rds und Cgs/Cgd aus dem MOSFET-Arbeitspunkt ab. Bietet das Modell, das für alle FET-Verstärker- und Frequenzgangberechnungen verwendet wird.

Lektion 4 • Source-Verstärker

Analysiert Spannungsverstärkung, Eingangswiderstand und Ausgangswiderstand der Source-Stufe. Vergleicht die Source-Verstärkerleistung mit der BJT-Emitterschaltung für die Topologieauswahl.

Lektion 1 • Transistorschaltschaltungen

Modelliert BJT und MOSFET als digitale Schalter in Sättigung und Sperrbereich. Analysiert Schaltzeiten, Ladungsspeicherverzögerung und Anforderungen an die Treiberschaltung.

Lektion 2 • Überblick über Leistungsverstärkerklassen

Definiert den Stromflusswinkel und den Wirkungsgrad für die Klassen A, B, AB und C. Stellt den Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Linearität dar, der die Auswahl der Leistungsverstärkertopologie bestimmt.

Lektion 3 • Wärmemanagement und sicherer Arbeitsbereich

Berechnet den Sperrschichttemperaturanstieg, den Wärmewiderstand und die Anforderungen an den Kühlkörper. Führt die SOAR-Grenze ein, um Transistorausfälle zu verhindern.

Lektion 4 • Klasse-D- und schaltende Leistungsstufen

Führt die Pulsweitenmodulation und die Effizienzvorteile der Klasse D gegenüber linearen Stufen ein. Behandelt die Totzeitsteuerung und das Ausgangsfilterdesign für Schaltverstärker.

Lektion 1 • Rückkopplung in Transistorverstärkern

Wendet vier Rückkopplungstopologien auf Transistorschaltungen an, um Verstärkung und Impedanz zu steuern. Analysiert die Stabilität anhand der Schleifenverstärkung und des Phasenrandkriteriums.

Lektion 2 • Analyse des Differenzpaars

Leitet die Differenz- und Gleichtaktverstärkung, die CMRR und die Effekte der Tail-Stromquelle ab. Etabliert das Differenzpaar als die zentrale Eingangsstufe von Operationsverstärkern.

Lektion 3 • Interner Aufbau des Operationsverstärkers

Verfolgt den Signalweg durch die Differenzeingangs-, Verstärkungs- und Ausgangsstufen eines zweistufigen Operationsverstärkers. Verbindet das Design auf Transistorebene mit Operationsverstärker-Spezifikationen wie der Anstiegsgeschwindigkeit und dem GBW.

Lektion 4 • Rauschen in Transistorschaltungen

Identifiziert thermische Rausch-, Schrotrausch- und Funkelrauschquellen in BJTs und MOSFETs. Berechnet die Rauschzahl und das eingangsbezogene Rauschen für das Design rauscharmer Verstärker.

Lektion 5 • Stromspiegel und Vorspannungsschaltungen

Analysiert einfache, Kaskode- und Wilson-Stromspiegel für die präzise IC-Vorspannung. Bewertet den Ausgangswiderstand und die Stromgenauigkeit als Designmetriken.