Grundlagen der Elektronik

Das vorliegende Buch behandelt vorzugsweise Themen der Halbleiter-Elektronik auf der Basis von kristallinen Halbleitern. Die Kenntnis anderer elektronischer Bauelemente, wie z. B. Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten, und ihrer Funktionsweise wird vorausgesetzt. Die Abschnitte Halbleiterphysik, pn-Übergang und Metall-Halbleiter-Übergänge bilden den Einstieg in das Thema. Mit einfachen modellhaften Vorstellungen wird versucht, die physikalischen Grundlagen und Vorgänge in Halbleiterbauelementen zu erläutern. Dies erscheint notwendig, da das Verständnis zahlreicher Eigenschaften von Halbleiterbauelementen nur auf der Basis eines ausreichenden Wissens über die physikalischen Zusammenhänge möglich ist (z. B. Temperaturabhängigkeit, dynamische Eigenschaften, Kennlinienverläufe, sich gegenseitig ausschließende Eigenschaften). Schwerpunkt des Buches ist anwendungsbezogenes Wissen über die Funktionsweise von Dioden, Transistoren und Operationsverstärkern, von optoelektronischen Bauelementen, IGBT, Thyristoren, Triacs, von Halbleiterbauelementen ohne pn-Übergang etc. Für alle diese Bauelemente wird der Einsatz in ausgewählten elektronischen Schaltungen vorgestellt und analysiert, z. B. Netzgleichrichter, Schaltnetzteile, Stabilisierungsschaltungen, Wechselspannungsverstärker, Oszillatoren, digitale Grundschaltungen, zahlreiche Operationsverstärker-Anwendungen. Entwurf und Analyse elektronischer Schaltungen erfolgen heute grundsätzlich unter Einsatz rechnergestützter Hilfsmittel, z. B. mit Netzwerkanalyseprogrammen wie PSpice. Nur wenn der Ingenieur grundsätzlich in der Lage ist, eine Schaltung auch ohne Rechnerunterstützung zu entwerfen, zu verstehen und zu analysieren, wird er die rechnergestützten Werkzeuge effektiv nützen können. Aus diesem Grunde wird in diesem Buch dem mit traditionellen Mitteln durchgeführten Entwurf, der Dimensionierung sowie der rechnerischen und grafischen Analyse elektronischer Grundschaltungen großes Gewicht beigemessen. Der besondere Ansatz des Autors besteht darin, dass die aus den Grundlagen der Elektrotechnik bekannten rechnerischen und grafischen Methoden der Schaltungsanalyse an einfachen Grundschaltungen geübt werden, so dass die entsprechenden Fertigkeiten anschließend bei komplexeren Schaltungen zur Verfügung stehen. Darüber hinaus wird an Beispielen gezeigt, wie komplizierte schaltungstechnische und funktionelle Zusammenhänge durch sinnvolle Vereinfachungen aufgelöst werden können. Diesem Konzept folgend werden nicht nur Gleichungen angegeben, mit denen die wesentlichen Eigenschaften der vorgestellten Schaltungen bestimmt werden können. Vielmehr wird jeweils die Herleitung dieser Gleichungen aufgezeigt. Auf diese Weise soll der Leser in die Lage versetzt werden, in ähnlichen Fällen selbständig die entsprechenden Berechnungen vornehmen zu können. Neben den heute üblichen Halbleiterbauelementen auf der Basis von z. B. Silizium oder Gallium-Arsenid werden in der vorliegenden 11. Auflage auch Wide-Bandgap-Halbleiter wie Silizium-Karbid und Gallium-Nitrid beschrieben, die wegen ihrer verschwindenden Minoritätsträgerdichte, wegen ihrer höheren Durchbruchspannungen und wegen ihrer höheren Leistungsbelastbarkeit beginnen, insbesondere z. B. die Leistungselektronik zu revolutionieren.