Aufgabe 1 (ca. 15 Punkte)

FH München

FK 03 Fahrzeugtechnik

Diplomvorprüfung

Elektronik SS 2007

Zugelassene Hilfsmittel:

Alle eigenen

Dauer der Prüfung:

90 Minuten

Name: Vorname: Matr.-Nr.:

Unterschrift: Hörsaal: Platz-Nr.:

Aufgabe 1 (ca. 15 Punkte)

Ein an den Stirnflächen kontaktiertes Halbleiterelement aus Germanium, welches die Länge l = 1cm und die Querschnitts- fläche A = 50mm² hat, wird mit einem Akzeptor der Dichte N

= 5·10

1/cm³ und einem Donator der Dichte

N

= 10 1/cm³ dotiert.

(Germanium:

µ

= 3900 cm²/Vs, µ

= 1900 cm²/Vs, n

= 2 , 3 ⋅ 10

1/cm³)

1.1 Berechnen Sie die Minoritätsträger- und die Majoritätsträgerdichte.

1.2 An den Stirnflächen des Halbleiterelements wird eine äußere Spannung U = 10V angelegt (siehe Skizze). Weisen Sie durch Berechnung des Löcherstromes I

und des Elektronenstromes I

nach, dass der Strom, herrührend von den Minoritätsträgern, gegenüber dem Strom, herrührend von den Majoritätsträgern, vernachlässigt werden kann. Tragen Sie die Bewegungsrichtung der Lö- cher und der Elektronen in obige Skizze ein.

A 1 2 3 4 Σ N P

Prof. Dr. Buch Prof. Dr. Klein

l

A

U

1.3 Das (zunächst undotierte) Halbleiterelement wird nun mit nur einer Sorte Fremdatome dotiert.

Mit welcher Sorte Fremdatome (Akzeptor oder Donator) muss es dotiert werden, damit der Lö- cherstrom gleich groß ist wie der Eletronenstrom (Begründung!)? Berechnen Sie die dafür not- wendige Dichte der dotierten Fremdatome. Wie groß ist in diesem Fall der fließende Gesamt- strom I, wenn wiederum eine äußere Spannung von U = 10V angelegt wird?

Aufgabe 2 (ca. 15 Punkte)

Gegeben ist die skizzierte Stromstabilisierungsschaltung. Die Zenerdiode habe die Daten U

=4,9V und r

=10Ω. Die Eigenschaften des MOS-Transistors sind dem Ausgangskennlinienfeld zu entnehmen.

2.1 Dimensionieren Sie den Widerstand R

so, dass das Gatepotential den Wert 5,0V annimmt.

R

R

U

=12V

I

/mA

U

/V

0 1 2 3 4 5 10

20 30

5 15 25

U_GS =2V U_GS =3V

U_GS =1V U_GS =4V

R

6 7 8 9 101112

I

D S G

2.2 Welcher Widerstandswert ist für R

zu wählen, um den Strom durch den Lastwiderstand R

auf 20mA zu stabilisieren (Gatepotential 5V wie unter 3.1)? (Ersatzwert: R

= 150Ω)

2.3 In welchem Bereich R

 R

 R

darf der Lastwiderstand liegen, damit die Strom- stabilisierung noch funktioniert (grafische Lösung)? Zeichen Sie die Extremwerte für R

(R

und R

) als Arbeitsgeraden in das Ausgangskennliniefeld des MOS-Transistors ein.

2.4 Welche Leistung (abhängig von R

) wird maximal im MOS-Transistor in Wärme umgesetzt?

Aufgabe 3 (ca. 8 Punkte)

Gegeben ist die nebenstehende Einpuls-Mittelpunkt- schaltung mit Glättungskondensator C (siehe neben- stehende Skizze).

Folgende Daten der Schaltung sind bekannt:

Eingangswechselspannung u

(t): U ˆ = 20V, f = 100Hz

Glättungskondensator: C = 1mF

Ideale Diode mit U

= 0V und r

= 0Ω

3.1 Tragen Sie die Eingangswechselspannung u

(t) in das obige Diagramm ein.

3.2 Zeichnen Sie die Ausgangspannung u

(t) in das obige Diagramm, wenn noch kein Last- widerstand R

an die Schaltung angeschlossen ist und die Schaltung eingeschwungen ist.

Nun wird der Lastwiderstand R

dazugeschaltet. Dadurch tritt eine Spannungsschwankung von 2V bei u

(t) auf.

3.3 Zeichnen Sie die Ausgangspannung u

(t) in das obige Diagramm.

3.4 Wie groß ist der dazugeschaltete Lastwiderstand R

?

R

C u

(t)

u

(t)

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

0 5 10 15 20 t/ms

u(t)/V

Aufgabe 4 (ca. 16 Punkte)

Gegeben ist die nachstehende Schaltung. Die Eingangsspannung betrage U

=10V. Alle Operationsver- stärker werden mit einer Spannung von ±15 V versorgt, wobei ihre Ausgangsspannung bei je ma- ximal ± 13,5 V liegt.

4.1 Geben Sie die genaue Funktion der vier Teilschaltungen (I – IV) an.

4.2 Der Widerstand R(ϑ) ist temperaturabhängig. Es gelte:

Berechnen Sie die Ausgangsspannung u

in Abhängigkeit der Temperatur. Wie groß ist die Spannung u

bei einer Temperatur von 15°C?

4.3 Unabhängig von Ihren bisherigen Berechnungen gelte nun: u

=10mV (ϑ-20°C)/°C. Zeichen Sie in das entsprechende Diagramm die Ausgangsspannungen u

, u

und u

ein, wie sie aus dem gegebenen zeitlichen Temperaturverlauf resultieren.

R = R

⋅[1⋅−20 ° C ] mit =3,8 ⋅ 10

K

U

R

R

R

R(ϑ )

+

-

+

-

+

-

- u

u

u

270kΩ

470kΩ 4,7kΩ

470kΩ 4,7kΩ

I II III IV

--- Viel Erfolg! ---

u_a1 /mV ϑ/°C

t/Min.

t/Min.

20 22 24

18 16

0 10 20 30 40 50 60

0 10 20 30 40 50 60

10

-50 30

-30 -10 50

u_a2 /V

t/Min.

0 10 20 30 40 50 60

1

-5 3

-3 -1 5

u_a3 /V

t/Min.

0 10 20 30 40 50 60

5

-15 15

-10 -5 10 14