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+++ circuit_design:2_transistors [2023/11/30 01:11] (aktuell) – mexleadmin
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-====== 2. Dioden und Transistoren ======
+====== 2 Diodes and Transistors ======
-<callout>
-Eine schöne Einführung ist im [[https://lx3.mint-kolleg.kit.edu/onlinekursphysik/html/1.4.3/xcontent5.html|KIT Brückenkurs - 4.3.6 Dioden und Transistoren (*)]] zu finden. \\ Aus dieser Einführung sind einige der folgenden Passagen, Videos und Bilder entnommen.
-\\ \\
-Eine weitere Einführung finden Sie unter [[https://www.leifiphysik.de/elektronik|LEIFIphysik]].
-</callout>
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 <callout type="info" icon="true">
-=== Einführendes Beispiel===
+==== Introductory example====
-Die Elektronik in PCs, Mobiltelefonen, elektrischen Zahnbürsten und wie allen anderen digitalen Begleitern basiert auf Transitorschaltungen (vgl. [[grundlagen_der_digitaltechnik:im Herzen eines Computers]]). In [[:Grundlagen der Digitaltechnik:start]] wurde bereits erläutert, dass alle logischen Schaltungen über konjunktive und disjunktive Normalform auf NAND bzw. NOR Gatter zurückgeführt werden kann. Diese wiederum bestehen aus Transistoren. In der unten stehenden Simulation ist die Struktur eines NAND-Gatters in der aktuellen CMOS-Struktur dargestellt. CMOS deutet hierbei auf die Struktur der Schaltung und der Halbleiter Struktur hin: **C**omplementary **m**etal-**o**xide-**s**emiconductor - eine gegensätzlich ergänzende Schaltung aus Halbleitern der Struktur Metall-Oxid-Halbleiter.
+The electronics in personal computers, mobile phones, electric toothbrushes, and like all other digital companions, are based on transistor circuits. In [[:introduction_to_digital_systems:start]] it has already been explained that all logic circuits can be traced back to NAND and NOR gates, respectively, via conjunctive and disjunctive normal forms. These in turn consist of transistors. In the simulation below, the structure of a NAND gate is shown in the current CMOS structure. CMOS here indicates the structure of the circuit and semiconductor structure: **C**omplementary **m**etal-**o**xide-**s**emiconductor - an oppositely complementary circuit of semiconductors of the metal-oxide-semiconductor structure.
-Die komplementäre Struktur zeigt sich darin, dass
+The complementary structure is shown by the fact that.
-  * vom digitalen Ausgang ($OUT2$) zur Masse zwei Transistoren einer Art in Reihe geschalten sind und
+  * from the digital output ($OUT2$) to ground two transistors of one kind are connected in series and
-  * vom digitalen Ausgang ($OUT2$) zur 5V-Versorgung zwei Transistoren einer anderen Art parallel geschalten sind.
+  * from the digital output ($OUT2$) to the $5~\rm V$ supply, two transistors of a different type are connected in parallel.
-Diese zwei unterschiedliche Arten von MOS-Transistoren und weitere verwendete Arten sollen in diesem Kapitel erklärt werden.
+These two different kinds of MOS-transistors and further used kinds shall be explained in this chapter.
-<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+0+0.0002+0.134+1+5+50%0Af+368+128+416+128+5+1.5+0.02%0Af+368+224+416+224+4+1.5+0.02%0Aw+416+144+416+176+0%0Aw+416+176+416+208+0%0AM+448+176+448+192+0+2.5%0Af+352+288+416+288+4+1.5+0.02%0Aw+416+240+416+272+0%0Ag+416+304+416+320+0%0Aw+368+128+368+224+0%0Af+288+128+336+128+5+1.5+0.02%0Aw+336+80+336+112+0%0Aw+336+80+416+80+0%0Aw+416+80+416+112+0%0AR+416+80+416+48+0+0+40+5+0+0+0.5%0Aw+288+128+288+288+0%0Aw+288+288+352+288+0%0Aw+336+144+336+176+0%0Aw+336+176+416+176+0%0AR+-112+272+-128+272+1+2+100+2.5+2.5+0+0.5%0AR+-112+288+-128+288+1+2+50+2.5+2.5+0+0.5%0A207+-112+272+-96+272+4+IN1%0A207+-112+288+-96+288+4+IN2%0A207+240+224+224+224+4+IN1%0A207+240+288+224+288+4+IN2%0AM+240+224+240+240+0+2.5%0Aw+240+224+368+224+0%0Aw+240+288+288+288+0%0AM+240+288+240+304+0+2.5%0Aw+416+176+448+176+0%0A207+448+176+464+176+4+OUT2%0A151+-144+128+-80+128+0+2+5+5%0A207+-160+112+-176+112+4+IN1%0A207+-160+144+-176+144+4+IN2%0A207+-64+128+-48+128+4+OUT1%0AM+-64+128+-64+144+0+2.5%0Aw+-80+128+-64+128+0%0Ab+192+32+507+341+0%0Ab+-209+32+-6+341+0%0Ax+-366+49+-224+79+4+24+NAND-Gatter%5C%5Cnals%5CsBlackbox%0Ax+36+50+178+80+4+24+NAND-Gatter%5C%5Cn%C3%BCber%5CsCMOS%0AM+-160+144+-160+160+0+2.5%0Aw+-160+144+-144+144+0%0Aw+-144+112+-160+112+0%0AM+-160+112+-160+128+0+2.5%0A403+32+224+160+256+0+33_1_0_4102_5_0.1_0_2_33_3%0A403+32+112+160+144+0+31_1_0_4102_5_0.1_0_2_31_3%0A403+32+144+160+176+0+32_1_0_4102_5_0.1_0_2_32_3%0A403+32+256+160+288+0+29_1_0_4102_5_0.1_0_2_29_3%0A 900,400 noborder}}
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgDOB0YwTFBGAzEgHANgKzoOywCxKZJgCc+8CIm1EmApgLQIIBQAZiEuqiArL3wJ0fAdT6QaYaLA5ceIWARBCRS-ColSZrAO4rhffBtV8cIsHoMiE564rC9LAWRX5etkcY+l4EWJJyRPACgoahmgiSUGCy+qYEEAl44KwA5vYkJoZIsBD5VtweYkWKypacEfy8KDZiNFHasYXcIKgQtXz8qfqd7fb9lvGG-aYsfqwASgNJhu7gC-h0C-mB+lViERFDiqi8EcG7Ti02xlytnj3nNnZjdpbTzN2w2CDMm69UlDCK0QFSUEwUze40UKXe+xSX1ovxo-xWgTyOBBz1ejH6Ly8IAAkgA5NhIlEhcEYlIaPGyQmJMoaPL7ZTk-GsKlLI4OfZ7TQU1iuanqRSs6n+NYC-zKUr8nZ8zlbTkuUVs6lZBb-Kx3LzzS6WQneMxefqXDQAeQAqgAVWQITBUZhnapvA1ifwLIGE5joCCg5i+LrwRkEsDI92es7eyhnRmUwNvdAae2MXKiQQgU1mtiuRixpMxuNnYVA-Toz1iTNxp2sABGfB9icw0aQQlSVcYeVIXHgma4jcsAA83twvG2W2gQDg27SNLiAIK4gAijAA4gBDAAu9AAOuuAHZLgDO693FYANkuAMYAawrAHse6w+6063xMB5oxOQNO54w0quN9uK3v6AAEwPK8twPTctwAYWcI0AGUeRBD0jA0YM+CQ-MrFQhBQ2w3MNB2W0426LDunlEiO2EYsnFhVgliQdsaTQ-xXg6JAAH0EDYsA2KEWI2MwLjIE47jYDYlAxNosB6MTUFKOQhYkE44SeIQPiBOkZTRMUiS6IY3CmL1BTROU3jRPUoSuLYrStMk6SQk+JDtkUUgOMs0z+MEzSrJcpBWCAA noborder}}
 </WRAP>
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 <WRAP><callout>
-=== Ziele für den Bipolartransistor ===
+=== Learning Objectives the bipolar transistor ===
-Nach dieser Lektion sollten Sie:
-  - wissen, welche Arten von Bipolartransistoren es gibt, wie deren Schichtstruktur und das Schaltsymbol aussieht.
+By the end of this section, you will be able to:
-  - wissen, wie die beiden Arten von Bipolartransistoren angesteuert werden.
+  - Know what types of bipolar transistors there are, and what their layer structure and circuit symbol look like.
-  - wissen, welche die wichtigsten Kennfelder des Bipolartransistors sind und wie diese aussehen.
+  - Know how the two types of bipolar transistors are controlled.
+  - Know what are the main characteristics of the bipolar transistor and what they look like.
 </callout></WRAP>
 <WRAP><callout>
-=== Ziele für den Feldeffekt-Transistor ===
+=== Learning Objectives for the field-effect transistor ===
-Nach dieser Lektion sollten Sie:
-  - wissen, welche Arten von MOSFETs es gibt, wie deren Schichtstruktur und das Schaltsymbol aussieht.
+By the end of this section, you will be able to:
-  - wissen, welche das Ausgangskennlinienfeld des MOSFETs aussieht.
+  - Know what types of MOSFETs there are, and what their layer structure and circuit symbol look like.
-  - wissen, was die Bodydiode ist und woher diese herrührt.
+  - Know what the output characteristics of the MOSFET look like.
-  - wissen, was bei der Auslegung eines Halbleiterelements im Ausgangskennlinienfeld zu beachten ist.
+  - know what the body diode is and where it comes from.
+  - know what to look for in the output characteristics when designing a semiconductor element.
 </callout></WRAP>
-===== 2.6 Funktionsprinzip eines (Bipolar-)Transistors =====
+===== 2.6 (bipolar) Transistors =====
-<WRAP right>
+===== 2.6.1 Functional Principle =====
-{{youtube>KjyHta5p9WE?size=543x392}}
+<WRAP>
+{{youtube>Xli6HK2dkvQ}}
 </WRAP>
-Aus der Diode bzw. dem PN-Übergang heraus lässt sich ein veränderbarer Widerstand entwickeln. Bei diesem gesteuerten Übergangswiderstand ("__tran__sfer re__sistor__" oder besser Transistor) kann durch eine Strom der Widerstand verändert und so der durchgelassene Strom eingestellt werden.
+A variable resistor can be developed from the diode or PN junction. With this controlled transition resistor ("__tran__sfer re__sistor__" or better transistor) the resistance can be changed by a current and thus the current let through can be adjusted.
-++++ Video-Transkript (Alternativ zur Erklärung im Video) |
+++++ Video-Transcript (Alternative to the explanation in the video) |
-Ein Transistor besteht dabei aus zwei gegeneinander geschalteten Dioden, die eine gemeinsame n- bzw. p-Schicht besitzen, z.B. wird zwischen zwei n-dotierte Schichten eine dünne p-dotierte Schicht gebracht. Dies ist ein npn-Transistor, die häufigere Bauform. Für spezielle Anwendungen werden aber auch pnp-Transistoren eingesetzt. Alle drei Schichten werden elektrisch kontaktiert, der Transistor hat also drei Anschlüsse. Den Kontakt an die mittlere Schicht nennt man Basis (B), die Kontakte zu den beiden äußeren Schichten Kollektor (C) und Emitter (E). Das Schaltzeichen eines Transistors ist in <imgref pic5> dargestellt.
+A transistor consists of two diodes connected against each other, which have a common N- or P-layer, e.g. a thin P-doped layer is placed between two N-doped layers. This is an NPN transistor, the more common design. However, PNP transistors are also used for special applications. All three layers are electrically contacted, so the transistor has three terminals. The contact to the middle layer is called base (B), and the contacts to the two outer layers are the collector (C) and the emitter (E). The circuit symbol of a transistor is shown in <imgref pic5>.
-Ein Transistor wird meist als Schalter oder als Stromverstärker betrieben. Um die Funktionsweise zu erläutern, wird in der unten stehenden Abbildung eine typische Transistorschaltung gezeigt. Der Stromkreis, der den Verbraucher, hier die Glühlampe, enthält, nennt man den Arbeitskreis. Hier muss die Spannungsquelle so geschaltet sein, dass die technische Stromrichtung durch den Transistor vom Kollektor zum Emitter verläuft, also in Richtung der am Emitter angezeigten Pfeilrichtung.
+A transistor is usually operated as a switch or as a current amplifier. To explain how it works, a typical transistor circuit is shown in the figure below. The circuit containing the consumer, here the incandescent lamp, is called the working circuit. Here, the voltage source must be connected in such a way that the technical direction of current through the transistor runs from the collector to the emitter, i.e. in the direction of the arrow indicated on the emitter.
-Der zweite Kreis, in dem eine positive Steuerspannung an der Basis anliegt, ist der Steuerkreis. Von der p-dotierten Basis werden durch die positive Steuerspannung Löcher in den n-leitenden Emitter gepumpt, da an diesem eine negative Spannung anliegt. Die Basis-Emitter-Diode wird also in Durchlassrichtung betrieben. Am Kollektor hingegen liegt eine positive Spannung an, sodass diese Diode eigentlich sperrt.
+The second circuit, in which a positive control voltage is applied to the base, is the control circuit. Holes are pumped from the p-doped base into the n-type emitter by the positive control voltage since a negative voltage is applied to it. Thus, the base-emitter diode is forward-biased. On the other hand, a positive voltage is applied to the collector, therefore,  this diode blocks.
-Überschreitet die Spannung $U_{BE}$ im Steuerkreis eine gewisse Schwelle, kann im Arbeitskreis nun ein Strom $I_C$ fließen. In dieser Hinsicht wirkt der Transistor als Schalter. Mit dem kleinen Strom $I_B$ im Steuerkreis kann daher der große Strom $I_C$ im Arbeitskreis gesteuert werden.
+If the voltage $U_{\rm BE}$ in the control circuit exceeds a certain threshold, a current $I_\rm C$ can now flow in the operating circuit. In this respect, the transistor acts as a switch. The small current $I_\rm B$ in the control circuit can therefore be used to control the large current $I_\rm C$ in the operating circuit.
-In einem bestimmten Bereich ist der Strom $I_B$ im Arbeitskreis proportional zum Strom $I_C$ im Steuerkreis. Dieses Verhältnis wird als Stromverstärkung $\beta={I_C}/{I_B}$ des Transistors bezeichnet. Verstehen kann man dieses Verhalten, wenn man sich vor Augen führt, dass die p-leitende Basisschicht sehr dünn ist im Vergleich zu den n-leitenden Schichten. Die Elektronen, die über den Steuerkreis zugeführt werden, diffundieren schnell durch sie hindurch und gelangen zu $99\% $  in den mit dem Pluspol verbundenen Kollektor und werden durch den Arbeitskreis in den Emitter zurück gepumpt. Nur wenige gelangen durch den Emitter direkt wieder in den Steuerkreis. Daher ist der Strom im Steuerkreis sehr viel geringer als der Strom im Arbeitskreis.
+In a certain range, the current $I_\rm B$ in the working circuit is proportional to the current $I_\rm C$ in the control circuit. This ratio is called the current gain $\beta={I_{\rm C}}/{I_\rm B}$ of the transistor. This behavior can be understood by considering that the P-type base layer is very thin compared to the N-type layers. Electrons supplied through the control circuit diffuse through it rapidly, reaching $99\% $ in the collector connected to the positive terminal, and are pumped back through the working circuit into the emitter. Only a few pass through the emitter directly back into the control circuit. Therefore, the current in the control circuit is much less than the current in the working circuit.
 ++++
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-=== Schaltzeichen ===
+==== 2.6.2 Circuit Symbol ====
-<WRAP right><panel type="default">
-<imgcaption pic1|Schaltzeichen und vereinfachter Aufbau von npn- und pnp-Bipolartransistors>
+As just described, the bipolar junction transistor (**BJT**) is built by a three-layer alternately doped layer structure, which corresponds to two diodes opposite and connected in series. Depending on the layer sequence (or "direction of the diodes"), PNP or NPN transistors result, represented by different circuit symbols with three terminals (see <imgref pic1>).
+<WRAP><panel type="default">
+<imgcaption pic1|Switching sign and simplified structure of NPN and PNP bipolar junction transistors>
 </imgcaption>
-{{drawio>bipolartransistor_npn_oder_pnp_struktur}}
+{{drawio>bipolartransistor_NPN_oder_PNP_struktur.svg}}
 </panel></WRAP>
-Wie gerade beschrieben, ist der Bipolartransistor durch eine dreilagige, abwechselnd dotierte Schichtstruktur aufgebaut, welche zwei entgegengesetzten und hintereinander geschalteten Dioden entspricht. Abhängig von der Schichtfolge (bzw. "Richtung der Dioden") ergeben sich pnp- bzw. npn-Transistoren, die durch unterschiedliche Schaltzeichen mit drei Anschlüssen dargestellt werden (siehe <imgref pic1>).
+In both transistor variants, charge carriers are emitted from the emitter terminal (E) toward the collector terminal (C) if a suitable current flows through the base terminal (B). In simplified terms, the negative charge carriers of the n-doped sides could represent a current through an NPN structure if negative charge carriers were also present in the P-doped layer. The current $I_\rm C$ flowing with it in the technical current direction is illustrated in the circuit symbol by the arrow direction at the emitter. In the NPN transistor, the current $I_\rm C$ flows from the collector to the emitter. Since positive charge carriers enable conductivity in the PNP transistor, the technical current direction here points from the emitter to the collector, and the arrow on the emitter points towards the collector. The direction of the arrow is similar to the direction of the diode or the PN junction.
-Bei beiden Transistorvarianten werden vom Emitteranschluss (E) Ladungsträger Richtung Kollektoranschluss (C) ausgesandt, falls durch den Basisanschluss (B) ein geeigneter Strom fließt. Vereinfacht gesehen, könnten die negativen Ladungsträger der n-dotierten Seiten einen Strom durch eine NPN-Struktur darstellen, wenn auch in der p-dotierten Schicht negativen Ladungsträger vorhanden wären. Der damit fließende Strom $I_C$ in der technischen Stromrichtung wird im Schaltzeichen über die Pfeilrichtung am Emitter verbildlicht. Beim NPN-Transistor fließt also der Strom $I_C$ vom Kollektor zum Emitter. Da beim PNP-Transistor positive Ladungsträger die Leitfähigkeit ermöglichen, zeigt hier die technische Stromrichtung vom Emitter zum Kollektor und der Pfeil am Emitter zum Kollektor hin. Die Pfeilrichtung gleicht der Richtung der Diode bzw. des PN-Übergangs.
+Other mnemonic devices for the direction of the arrow are:
-Weitere Eselsbrücken zur Pfeilrichtung sind:
+  * **PNP**: arrow **P**oints i**N** **P**roudly
-  * „Tut der Pfeil der Basis weh, handelt′s sich um **pnp**“
+  * **NPN**: arrow **N**ot **P**ointing i**N**
-  * „Will der Pfeil sich von der Basis trenn’, handelt sich′s um **npn**“
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-=== Korrekte Verschaltung der Transistoren ===
+==== 2.6.3 Correct Wiring of the Transistors ====
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+17+0.00005+1.56+61+1+50%0Ag+320+288+320+304+0%0A181+320+144+320+192+0+312286+0.0001+0.1+0.0001+0.0001%0AR+320+144+320+112+0+0+50+5+0+0+0.5%0Ax+329+228+341+231+4+18+C%0Ax+289+230+301+233+4+18+B%0At+288+240+320+240+0+1+-2.62+0.66+100%0Ar+160+240+240+240+0+1000%0Aw+320+288+320+256+0%0Aw+320+224+320+192+0%0Av+144+288+144+240+0+0+40+0.8+0+0+0.5%0Aw+144+288+320+288+0%0Aw+144+240+160+240+0%0Ax+328+267+340+270+4+18+E%0Ax+180+220+215+223+4+18+R_B%0Ax+260+248+274+251+4+24+%3E%0Aw+240+240+288+240+0%0Ax+260+231+272+234+4+18+B%0Ax+255+223+260+226+4+18+I%0Ax+314+209+326+212+4+24+v%0Ax+298+199+310+202+4+18+C%0Ax+294+191+299+194+4+18+I%0Ax+279+273+299+276+4+40+%E2%86%93%0Ax+243+270+255+273+4+18+U%0Ax+255+276+279+279+4+18+BE%0At+560+192+592+192+0+-1+2.6167525896333887+-0.6632208486391651+100%0Ax+516+175+540+178+4+18+BE%0Ax+504+169+516+172+4+18+U%0Ax+538+176+558+179+4+40+%E2%86%91%0Ax+564+247+569+250+4+18+I%0Ax+568+255+580+258+4+18+C%0Ax+586+240+598+243+4+24+v%0Ax+529+213+534+216+4+18+I%0Ax+534+221+546+224+4+18+B%0Aw+512+192+560+192+0%0Ax+532+200+546+203+4+24+%3E%0Ax+455+219+490+222+4+18+R_B%0Ax+602+175+614+178+4+18+E%0Aw+416+192+432+192+0%0Aw+416+144+592+144+0%0Av+416+192+416+144+0+0+40+0.8+0+0+0.5%0Aw+592+176+592+144+0%0Aw+592+240+592+208+0%0Ar+432+192+512+192+0+1000%0Ax+561+182+573+185+4+18+B%0Ax+604+211+616+214+4+18+C%0AR+592+144+592+112+0+0+50+5+0+0+0.5%0A181+592+240+592+288+0+312286.73671908857+0.0001+0.1+0.0001+0.0001%0Ag+592+288+592+304+0%0Ab+112+96+370+320+0%0Ab+387+96+645+320+0%0Ax+124+86+356+89+4+24+NPN-Bipolartransistor%0Ax+397+86+627+89+4+24+PNP-Bipolartransistor%0Ao+5+512+6+4097+5+0.8+0+1%0A 600,400 noborder}}
+The following simulation shows the correct connection of the transistors. In general, the arrow of the symbol of the technical current direction must point at the correct interconnection. The base current $I_\rm C$ is almost always generated in the circuits by a voltage source between base and emitter with a voltage $U_{\rm BE}$. In this case, a positive voltage concerning the emitter is required for the NPN transistor and a negative voltage concerning the emitter is required for the PNP transistor. In practical applications, the NPN transistors predominate, among other things because the negative charge carriers used there produce a higher conductivity. For the following explanations, only NPN transistors are considered.
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjA7CAMB00OgVnLJA2ALAJnQZjAA5DMjDJsR0xwQlo6BTAWjDACgBzEPbB7Yjz49omGDHZEavBmExiZ4AJyUGBbAPQx4CGnD07oBxBwBKQ2fIvgwq8fTriGcJOwAeQpSA2EepbwQgYkQgAMLu3oRe2HhqRgF4QeC+AELsAC6RvtiYasI5zrTM2LDodmAIIAAmjABmAIYArgA26ewATuDo-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 noborder}}
 </WRAP>
-In der Simulation rechts ist die korrekte Verschaltung der Transistoren zu sehen. Allgemein muss bei der korrekten Verschaltung der Pfeil des Symbols der technischen Stromrichtung zeigen. Der Basisstrom $I_C$ wird in den Schaltungen fast immer durch eine Spannungsquelle zwischen Basis und Emitter mit einer Spannung $U_{BE}$ erzeugt. Dabei wird beim NPN-Transistor eine positive Spannung gegenüber des Emitters benötigt und beim PNP-Transistor eine negative Spannung gegenüber des Emitters. In der praktischen Anwendung überwiegen die NPN-Transistoren, unter anderem da die dort genutzten negativen Ladungsträger eine höhere Leitfähigkeit erzeugen. Für die folgenden Erklärungen werden nur NPN-Transistoren betrachtet.
+A central question that arises from a closer look at the simulation is: Why does a technical current flow __into__ the base? I.e. Why does a flow of __positive charge carriers__ has to be supplied into the P-layer of the NPN transistor? Wouldn't it be more plausible that negative charge carriers have to be supplied, since these are not present in the P-layer and are needed for transport?
-Eine zentrale Frage die sich bei einem näheren Blick auf die Simulation rechts ergibt, ist: Warum muss beim NPN-Transistor ein technischer Strom __in die Basis fließen__, also positive Ladungsträger in die P-Schicht, zugeführt werden? Wäre es nicht einleuchtender, wenn die nicht vorhandenen und zum Transport benötigten negativen Ladungsträger zugeführt werden müssten?
+==== 2.6.4 Transistor in the Band Model ====
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+To understand this, knowledge of the PN junction is needed. In the figure <imgref pic5>, the structure of the NPN transistor is shown in the band model. In the N-doped collector and emitter, the free-moving negative charge carriers (darker spots) and stationary positive charge carriers (green circles) are drawn, and in the base, correspondingly, the free-moving positive charge carriers (brighter spots) and stationary negative charge carriers (red circles). Both PN-junctions have formed a junction. A positive voltage $U_{\rm CE}$ is applied to the transistor, which cannot generate any current flow in the situation shown. Due to the positive voltage $U_{\rm CE}$ and the missing potential at the base, the voltage $U_{\rm BE}$ decreases, which leads to a reduction of the junction. In contrast, the voltage $U_{\rm CB} = U_{\rm CE} -U_{\rm BE}$ increases. Thus, the junction between the base and the collector becomes larger. When the external voltage $U_{\rm CE}$ is varied, there will always be at least one PN junction that is reverse biased, i.e. the transistor will block.
-<wrap #Transistor_im_Baendermodell />
-=== Transistor im Bändermodell ===
+<WRAP><panel type="default">
-<imgcaption pic5|Transistor im Bändermodell>{{  https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/28/Bipolartransistor2.PNG?400|Transistor im Bändermodell}}</imgcaption>
+<imgcaption pic5|Transistor in band model></imgcaption>
+{{drawio>bandmodeltransistor.svg}}
-Um das zu verstehen, werden die Erkenntnisse des PN-Übergangs benötigt. Im Bild <imgref pic5> ist der Aufbau des NPN-Transistors im Bändermodell zu sehen. Im n-dotierten Kollektor und Emitter sind die frei beweglichen negativen Ladungsträger (blau) und ortsfesten positiven Ladungsträger (rot) eingezeichnet, in der Basis entsprechend die frei beweglichen positiven Ladungsträger (rot) und ortsfesten negativen Ladungsträger (blau). Beide PN-Übergänge haben eine Sperrschicht ausgebildet. Am Transistor liegt eine positive Spannung $U_{CE}$ an, welche in der dargestellten Situation keinen Stromfluss erzeugen kann. Durch die positive Spannung $U_{CE}$ und dem fehlenden Potential an der Basis sinkt die Spannung $U_{BE}$, was zu einer Verkleinerung der Sperrschicht führt. Im Gegensatz dazu erhöht sich die Spannung $U_{CB} = U_{CE} -U_{BE}$. Damit wird wird die Sperrschicht zwischen Basis und Kollektor größer. Bei Variation der äußeren Spannung $U_{CE}$ wird immer mindestens ein PN-Übergang vorhanden sein, der in Sperrrichtung verschalten ist, das heißt der Transistor sperrt.
+</panel></WRAP>
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-<WRAP right><panel type="default">
+To deplete the junction between the collector and the base, the latter must be connected in the forward direction.
-<imgcaption pic9|Funktion des npn-Bipolartransistors>
+Switching the transistor takes several steps, which are described below via <imgref pic9>:
+<WRAP panel type="default">
+<imgcaption pic9|function of NPN bipolar junction transistor>
 </imgcaption>
-{{drawio>Funktion_des_bipolartransistor2}}
+{{drawio>Funktion_des_bipolartransistor2.svg}}
-</panel>
 </WRAP>
-Um die Sperrschicht zwischen Kollektor und Basis aufzuheben, muss diese in Durchlassrichtung verschaltet werden. Bis zum Durchschalten des Transistors sind dies mehrere Schritte, die im Folgenden über <imgref pic9> beschrieben werden:
+  - Figure: The physics of this takes place in the narrow P-layer. The following images refer to the highlighted section.
+  - Figure - Situation $U_{\rm CE}=0~{\rm V}, U_{\rm BE}=0 ~\rm V$: In this picture the unpowered transistor is shown. In it the free charge carriers (electrons in green, holes in red) and the junction layers between base and emitter, and base and collector in yellow. Only the junction layer shows the stationary charge carriers with their sign. As shown in the band model, the stationary charge carriers are present everywhere in both doped regions.
-  - Bild: Die Physik dazu spielt sich in der schmalen p-Schicht ab. Die folgenden Bilder beziehen sich auf den markierten Ausschnitt.
+  - Figure - Situation $U_{\rm CE}=0~{\rm V}, 0~{\rm V}<U_{\rm BE}<0.6~\rm V$: First, consider a small, positive voltage $U_{\rm BE}$. This provides holes in the base with current $I_\rm B$. This operates the PN junction between the base and emitter in the forward direction. In the figure, it is indicated with black circles that the injected holes compensate some stationary negative charge carriers in both junction layers. Electrons also flow through the emitter into the n-region, which attenuates the junction on the other side.
-  - Bild - Situation $U_{CE}=0V, U_{BE}=0V$: In diesem Bild ist der unbestromte Transistor dargestellt. Darin sind die freien Ladungsträger (Elektronen in blau, Löcher in rot) und die Sperrschichten zwischen Basis und Emitter, sowie Basis und Kollektor in gelb. Nur der Sperrschicht sind die ortsfesten Ladungsträger mit deren Vorzeichen skizziert. Wie im Bändermodell dargestellt sind die ortsfesten Ladungsträger überall in beiden dotierten Bereichen vorhanden.
+  - Figure - Situation $U_{\rm CE}=0~{\rm V}, U_{\rm BE}>0.6 \rm V$: When the forward voltage of the PN junction between the base and emitter is exceeded, the injected holes and electrons cancel the bottom junction. In the simulation below, it can be seen that the circuitry of the transistor is such that in the diode circuit (which is not physically correct), the diode between the base and emitter becomes conductive.
-  - Bild - Situation $U_{CE}=0V, 0V<U_{BE}<0,6V$: Zunächst soll eine kleine, positive Spannung $U_{BE}$ betrachtet werden. Dies stellt mit dem Strom $I_B$ Löcher in der Basis bereit. Dadurch wird der PN-Übergang zwischen Basis und Emitter in Durchlassrichtung betrieben. Im Bild ist mit schwarzen Kreisen angedeutet, dass die injizierten Löcher einige ortfeste negative Ladungsträger in beiden Sperrschichten kompensiert. Durch den Emitter fließen auch Elektronen in den n-Bereich nach, welche dort die Sperrschicht auf der anderen Seite abschwächen.
+  - Figure - Situation $U_{\rm CE}>0~{\rm V}, U_{\rm BE}>0.6~\rm V$: Now with this voltage at the base, the working circuit, i.e. a voltage $U_{\rm BE}>0$ should be present at the output. In the real system, the base is very small compared to the mean free path length of the electrons ("path to recombination with a hole"). This changes the situation at the upper PN junction. In a classical diode, no electrons are present in the P-doped region. However, the electrons present here can cross the base and compensate for the stationary positive charge carriers in the upper junction. The holes injected into the base in turn compensate for the stationary negative charge carriers. Thus, this junction layer is also removed. This is possible as long as enough holes are injected into the base.
-  - Bild - Situation $U_{CE}=0V, U_{BE}>0,6V$: Wird die Durchlassspannung des PN-Übergang zwischen Basis und Emitter überschritten, so heben die injizierten Löcher und Elektronen die untere Sperrschicht auf. In der Simulation unten ist zu sehen, dass die Verschaltung des Transistors in der Art ist, dass in der (physikalisch nicht ganz korrekten) Diodenschaltung die Diode zwischen Basis und Emitter leitend wird.
+  - Figure - Situation $U_{\rm CE}>0~{\rm V}, U_{\rm BE}>0.6~\rm V$: Thus, in the NPN bipolar junction transistor, both holes (to remove the junction layers) and electrons (as the "main agents" responsible for charge transport, the so-called majority carrier charges) contribute to the conductivity. This is where the name __bipolar__ junction transistor comes from.
-  - Bild - Situation $U_{CE}>0V, U_{BE}>0,6V$: Mit dieser Spannung an der Basis soll nun der Arbeitskreis, also am Ausgang eine Spannung $U_{BE}>0$ anliegen. Im realen System ist die Basis im Vergleich zur mittleren freien Weglänge der Elektronen ("Weg bis zur Rekombination mit einem Loch") sehr klein. Damit ändert sich die Situation am oberen PN-Übergang. In einer klassischen Diode sind im p-dotierten Bereich keine Elektronen vorhanden. Die aber hier vorhandenen Elektronen können die Basis durchschreiten und in der oberen Sperrschicht die ortfesten positiven Ladungsträger kompensieren. Die in die Basis injizierten Löcher wiederum kompensieren die ortfesten negativen Ladungsträger. Damit wird auch diese Sperrschicht abgebaut. Dies ist möglich solange genügend Löcher in die Basis eingebracht werden.
-  - Bild - Situation $U_{CE}>0V, U_{BE}>0,6V$: Beim NPN-Bipolartransistor tragen also sowohl Löcher (zum Aufheben der Sperrschichten), als auch Elektronen (als "Hauptverantwortliche" für den Ladungstransport, die sog. Majoritätsträgerladungen) zur Leitfähigkeit bei. Daher rührt der Name __Bipolar__transistor.
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-<WRAP right>
+<WRAP>
-{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+17+0.00005+1.5642631884188172+61+1+50%0Ag+288+288+288+304+0%0Ar+128+240+208+240+0+1000%0Aw+288+288+288+272+0%0Av+112+288+112+240+0+0+40+0.8+0+0+0.5%0Aw+112+288+288+288+0%0Aw+112+240+128+240+0%0Ax+148+220+183+223+4+18+R_B%0Aw+208+240+256+240+0%0Ab+80+96+354+320+0%0Ax+91+52+296+82+4+24+gegens%C3%A4tzlich%5Cs%5C%5Cngeschaltete%5CsDioden%0Ax+380+86+612+89+4+24+NPN-Bipolartransistor%0Ab+368+96+642+320+0%0Ax+511+276+535+279+4+18+BE%0Ax+499+270+511+273+4+18+U%0Ax+535+273+555+276+4+40+%E2%86%93%0Ax+550+191+555+194+4+18+I%0Ax+554+199+566+202+4+18+C%0Ax+570+209+582+212+4+24+v%0Ax+511+223+516+226+4+18+I%0Ax+516+231+528+234+4+18+B%0Aw+496+240+544+240+0%0Ax+516+248+530+251+4+24+%3E%0Ax+436+220+471+223+4+18+R_B%0Ax+584+267+596+270+4+18+E%0Aw+400+240+416+240+0%0Aw+400+288+576+288+0%0Av+400+288+400+240+0+0+40+0.8+0+0+0.5%0Aw+576+224+576+192+0%0Aw+576+288+576+256+0%0Ar+416+240+496+240+0+1000%0At+544+240+576+240+0+1+-2.616752589633357+0.6632208486391654+100%0Ax+545+230+557+233+4+18+B%0Ax+585+228+597+231+4+18+C%0AR+576+144+576+112+0+0+50+5+0+0+0.5%0A181+576+144+576+192+0+312286.7367190998+0.0001+0.1+0.0001+0.0001%0Ag+576+288+576+304+0%0Ad+288+240+288+272+2+default%0Aw+256+240+288+240+0%0Ad+288+240+288+208+2+default%0A181+288+144+288+192+0+300.00000194873667+0.0001+0.1+0.0001+0.0001%0AR+288+144+288+112+0+0+50+5+0+0+0.5%0Aw+288+208+288+192+0%0A 600,400 noborder}}
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjA7CAMB00OgVnLJA2ALAJnQZjAA5DMjDJsR0xwQlo6BTAWjDACgBzEbYnv3oRB5omGDHYAncLx6YG2aEOzzxYROwDu-ZQIERK0dgDdwYSoLMXVDBjdhDbMNFqs73lo9rbWG55TbsAB7gmMqK4IR4PNjRYkQgAEoA+gBCrooBChhytuwARiCEDACc6MJIYngRRiElNEgWJEWUYiogADodAHYAht0ALgCWAA69kr0ANpOMkx0AzgAmQwD2i4zzwcLFReXU5YQlIG1iAHIACqfM+aMrk+MLAxPd80PzAyuSBcLoQmVUOGENS2SDYPAg5SQeBQ2AgR3iQlSAFEtpgSkdYQxQTRYXFIiAAKog6Hg6JIcng8piVSAZMIQfRwPU6BSwCVqfiAJL0+LoujocqKVr4gDCIIgCmgRyQhAs5mOchAxhBYOwsToYAFuHlCS5IVBAoIdFksXZCXS2jRAtUlROeT1GrkQih2RoJxAAD5UXhNXYIDi1QikmkQc1cFAkP9MdqhCiLQhcscHSo8nGFHwkBD3EZTPI00JcwmnPZHOI4EhXBnNWJK4zDBXM5Ya9gckZpKQrXZIzZwBoBnRMLa6A3uzRmNhYPsII1pWU8HOM2p4+sAGa9ACukwGIMwMJEzKgsTxZpDMNkEYPhsDosSQ-KYAHt7cTgZKCcZfYRAamfv1e-JUMwjmLw6CwBA3p+iUkolI48AIDQcDwbB0CIYgHDcE26aZiIYh5IsHiqJYsIWCAK7rpuGQ5Mm+G4dRHhKDwJGMKuG5bp+7g-ux-7iCIcCIHBbKEGB-JQLxcHOChYmich7A3pYHFyXKz5YqWzjltohH0XJXFGEAA noborder}}
 </WRAP>
-Die Simulation rechts zeigt das vereinfachte Modell der entgegengesetzten Dioden. Der notwendige Eingangsstrom $I_C$ und die dazu entsprechende Eingangsspannung $U_{BE}$ gleicht den Verhältnissen der Diode zwischen Basis und Emitter. In <imgref picJ> ist ist das Funktionsprinzip dargestellt. Der Strom $I_B$ über die Diode zwischen Basis und Emitter regelt den Strom $I_C$ im Arbeitskreis. Diese Reglung geschieht über den veränderlichen Widerstand $R_{CE}$.
+The simulation shows the simplified model of the opposing diodes. The necessary input current $I_\rm C$ and the corresponding input voltage $U_{\rm BE}$ resemble the ratios of the diode between base and emitter. In <imgref picJ> the principle of operation is shown. The current $I_\rm B$ across the diode between base and emitter regulates the current $I_\rm C$ in the working circuit. This regulation is done by the variable resistor $R_{\rm CE}$.
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-<WRAP right><imgcaption picJ|Funktion des npn-Bipolartransistors>
+<WRAP><imgcaption picJ|function of NPN bipolar junction transistor>
 {{elektronische_schaltungstechnik:jbt_funktionsweise.jpg?400}}
 </imgcaption></WRAP>
-=== Kenngröße, Kennlinien, Kennfelder ===
+==== 2.6.5 Characteristics ====
-Im vorherigen Kapitel [[1_amplifier_basics]] wurde bereits schon auf Kenngröße einer Blackbox eingegangen, dort speziell für einen Verstärker. Die Methodik kann hier auch angewandt werden. Im Video oben wurde bereits schon die erste Kenngröße beschrieben: Die **Stromverstärkung** $\beta=\frac{d I_C}{d I_B}$, bzw. in Form einer Grafik, die **Stromsteuerkennlinie** $I_C(I_B)$.[(Note1>In der Praxis wird noch zwischen der Kleinsignal-Stromverstärkung $\beta = h_{fe}$ und Großsignal-Stromverstärkung $B = h_{FE}$ unterschieden. Beim Kleinsignalverhalten wird eine relativ kleine Änderung um einen festen Arbeitspunkt (z.B. um bestimmte Werte $I_C$ und $U_{CE}$) betrachtet. Beim Großsignalverhalten wird eine Änderung zwischen 0 und einem gegebenen Wert betrachtet. Bei nichtlinearen Kenngrößen können sich beide Größen unterscheiden. In diesem Kurs wird nur das Kleinsignalverhalten beschrieben. Das Großsignalverhalten und die Unterscheidung beider Betrachtungen wird in diesem Kurs nicht betrachtet.)]
+In the previous chapter [[1 Amplifier basics]] the characteristics of a black box have already been discussed, there, especially for an amplifier. The methodology can also be applied here. In the video above, the first parameter has already been described: The **current gain** $\beta=\frac{I_\rm C}{I_\rm B}$, or in the form of a graph, the **current gain characteristic** $I_{\rm C}(I_\rm B)$.[(Note1>In practice, a distinction is still made between small-signal current gain $\beta = h_{\rm fe} = \frac{{\rm d} I_{\rm C}}{{\rm d} I_{\rm B}}$ and large-signal current gain $B = h_{\rm FE}= \frac{I_{\rm C}}{I_{\rm B}}$. In small-signal behavior, a relatively small change around a fixed operating point (e.g., around certain values $I_\rm C$ and $U_{\rm CE}$) is considered. In large-signal behavior, a change between 0 and a given value is considered. For nonlinear characteristics, the two quantities may differ. In this course, only the small-signal behavior is described. The large-signal behavior and the distinction between the two considerations are not considered in this course)].
-Eine weitere Kennlinie ist das **Eingangskennlinienfeld** $U_{BE}({I_B})$ bzw. als differentielle Kenngröße (=Steigung in der Kennlinie) der **differentielle Eingangswiderstand** $r_{BE}=\frac{d U_{BE}}{d I_B}$. Wie bereits beschrieben, gleicht der Aufbau zwischen Basis und Emitter einer Diode. Das Eingangskennlinienfeld gleicht dementsprechend dem einer Diode. Da der Stromfluss $I_B$ sehr klein ist (wenige Mikroampere oder kleiner), ist der Eingangswiderstand $r_{BE}$ groß.
+Another characteristic is the **input characteristic** $U_{\rm BE}({I_\rm B})$ or as differential characteristic (=slope in the characteristic) the **differential input resistance** $r_{\rm BE}=\frac{{\rm d} U_{\rm BE}}{{\rm d} I_\rm B}$. As described earlier, the structure between the base and emitter resembles a diode. Accordingly, the input characteristic resembles that of a diode. Since the current flow $I_\rm B$ is very small (a few microamps or smaller), the input resistance $r_{\rm BE}$ is large.
-Die folgende Simulation zeigt die Stromsteuerkennlinie $I_C(I_B)$ und Eingangskennlinie(nfeld) $U_{BE}({I_B})$ durch Variation von $U_{BE}$ (bzw. $I_B$).
+The following simulation shows the current gain characteristic $I_{\rm C}(I_{\rm B})$ and input characteristic $U_{\rm BE}({I_\rm B})$ by varying $U_{\rm BE}$ (or $I_\rm B$).
-<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+17+0.00005+1.56+61+1+50%0Ag+288+320+288+336+0%0A181+288+144+288+192+0+330.5+0.0001+0.1+0.0001+0.0001%0AR+288+144+288+128+0+0+50+5+0+0+0.5%0Ax+295+246+307+249+4+18+C%0Ax+257+262+269+265+4+18+B%0At+256+272+288+272+0+1+-4.45+0.547+100%0Ar+128+272+208+272+0+1000%0Aw+288+320+288+288+0%0Aw+288+256+288+192+0%0Av+112+320+112+272+0+3+40+0.6+0.4+0+0.5%0Aw+112+320+288+320+0%0Aw+112+272+128+272+0%0Ax+296+299+308+302+4+18+E%0Ax+148+252+183+255+4+18+R_B%0A403+368+160+592+320+0+1_256_3_4289_5e-16_8e-17_0_2_6_3%0Ax+491+168+496+171+4+18+I%0Ax+587+232+592+235+4+18+I%0Ax+495+176+507+179+4+18+C%0Ax+592+240+604+243+4+18+B%0A403+640+160+864+320+0+9_512_0_4161_5e-24_5e-26_1_2_9_3%0Ax+771+172+795+175+4+18+BE%0Ax+759+166+771+169+4+18+U%0Ax+856+236+868+239+4+18+B%0Ax+852+228+857+231+4+18+I%0Ax+228+280+242+283+4+24+%3E%0Aw+208+272+256+272+0%0Ax+228+263+240+266+4+18+B%0Ax+223+255+228+258+4+18+I%0Ax+282+221+294+224+4+24+v%0Ax+269+214+281+217+4+18+C%0Ax+265+206+270+209+4+18+I%0Ax+247+305+267+308+4+40+%E2%86%93%0Ax+211+302+223+305+4+18+U%0Ax+223+308+247+311+4+18+BE%0Ax+682+136+828+139+4+18+Eingangskennlinie%0Ax+400+136+574+139+4+18+Stromsteuerkennlinie%5Cs%0Ao+5+512+6+4097+5+0.8+0+1%0A 1000,400 noborder}}
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjA7CAMB00OgVnLJA2ALAJnQZjAA5DMjDJsR0xwQlo6BTAWjDACgBzEbYkPbA16F+edDBjsiNYeEyYefMAE5KDTPRKFYYiEjzIweQijiIacC-ARXz7AEqKRYeU-C8JDenU8w07AA8eZRRsTHEDKDDlEAUiEABhQJ4kKPRKXBjcFDiRACF2ABcU8WwIDL4ytVpmbB0ITGh0VTw8ZWUICAI-dF6kZWhsPAgiDvkYsAQQABNGADMAQwBXABtC9gAndxEqnmgd8olJhHYAdzcBIUq+aDO3bAw3FTV2ADdwMEpLj4zDhjxYgw4OI4Aogf5zmwvoILjDbpDPjxDp8Di8gthlKV2vx9jjKLkQABRZIuHZIShEAEPHLgET2AD6BUaALEznQXlU-Dh4HpD3Q9Lw9JwhGU9KQLDA-MIEog9OgvPp-LwyUwyhokpEqvEkBoBIAkskkIQogI6JyhjT4gagqqUJBxPQoJAYgSkkF+hlGlRoAowgCCUzoACsAxJQxCFguUCQKKkJ85ULJWAxSwwinavzk9h6aLlUFOurDhAQuA9LFaSA8sT8-1wL0QAW6y6KwBVZImUpiEARnZtcvxApBEwZDwmE26ivWngeXhCHCKf08BQAPjuglRJSRaOnO3wS6E9YDyWwQxSoRnRv7IinvBHMmUvrC5afr2PzR4LkUMkgV8Sb9CTRIkI0DNlax6YFABihOgkG4goXqAMmEx5sHi04ssgv5tuip4GDsEH8ChAbVlQhAUl2hDDOAfb6gAdgADkshQADoAM4JAAFgsGwLAAxoUjAbAAlixhSCTxyTDOqeAoEaEzGL+CRLBsGyMDRzEsQA4gsgk0axHFcbx-FCSJYnsAA9j4caUOIjQdD4cAiKG7BAA noborder}}
 </WRAP>
-Für die Beschreibung des Transistors ist das **Ausgangskennlinienfeld** $U_{CE}({I_C})$ und der darin als Steigung vorhandene **differentielle Kollektor-Emitter-Widerstand** $r_{CE}=\frac{U_{CE}}{I_C}$ besonders wichtig. Dieses ist in der folgenden Simulation für unterschiedliche Eingangsspannungen $U_{BE}$ (und damit unterschiedlichen Steuerströmen $I_B$) zu sehen. Das Ausgangskennlinienfeld lässt sich in verschiedene Bereiche unterteilen:
+For the description of the transistor, the **output characteristics** $U_{\rm CE}({I_\rm C})$ and the **differential collector-emitter resistance** $r_{\rm CE}=\frac{U_{\rm CE}}{I_\rm C}$ present in it as a slope is particularly important. This can be seen in the following simulation for different input voltages $U_{\rm BE}$ (and thus different control currents $I_\rm B$). The output characteristics can be divided into different ranges:
-  - __Sperrbereich__: bei geringen Eingangsspannungen $U_{BE}< 600mV$ wird die Sperrschicht nicht abgebaut. Entsprechend wird der gesamte Transistor nicht leitend. Im Ausgangskennlinienfeld ist dies dadurch zu sehen, dass bei positiver Ausgangsspannung $U_{CE}$ der Ausgangsstrom $I_C$ sehr klein wird. In diesem Fall entspricht der Transistor auf der Ausgangsseite einem hochohmigen Widerstand, bzw. einem offenen Schalter.
+  - __cut off region__: at low input voltages $U_{\rm BE}< 600~\rm mV$, the junction is not degraded. Accordingly, the entire transistor becomes non-conducting. In the output characteristics, this can be seen by the fact that when the output voltage $U_{\rm CE}$ is positive, the output current $I_\rm C$ becomes very small. In this case, the transistor on the output side corresponds to a high-impedance resistor or an open switch.
-  - __Verstärkungsbereich__ (oder aktiver Bereich): bei größeren Eingangsspannungen $U_{BE}> 600mV$ wird die Sperrschicht abgebaut. Im Verstärkungsbereich verhält sich die Ausgangskennlinie wie eine Gerade. Der Ausgangsstrom $I_C$ ist damit nur noch abhängig von $I_B$, so wie dies über die Stromverstärkung $\beta=I_C/I_B$ definiert ist.
+  - __Gain region__ (or active region): at larger input voltages $U_{\rm BE}> 600~\rm mV$, the junction is degraded. In the gain region, the output characteristic behaves as a straight line. The output current $I_\rm C$ is thus only dependent on $I_\rm B$, as defined by the current gain $\beta=I_{\rm C}/I_{\rm B}$.
-  - __Sättigungsbereich__: Der Sättigungsbereich ist bei größeren Eingangsspannungen $U_{BE}> 600mV$ und nur geringer Ausgangsspannung $U_{CE}$ zu finden. Bei konstanter Eingangsspannung $U_{BE}$ verhält sich die Ausgangsspannung zum Ausgangsstrom wie ein hoher, nicht-linearer Widerstand. in diesem Fall entspricht der Transistor auf der Ausgangsseite einem niederohmigen Widerstand, bzw. einem leitenden Schalter.
+  - __Saturation region__: The saturation region is found at larger input voltages $U_{\rm BE}> 600~\rm mV$ and only small output voltage $U_{\rm CE}$. At constant input voltage $U_{\rm BE}$ the output voltage behaves to the output current like a high non-linear resistor. in this case, the transistor on the output side corresponds to a low-impedance resistor or a conducting switch.
-Im Datenblatt ist gelegentlich eine andere Nomenklatur zu finden, die sich aus der sogenannten [[https://de.wikipedia.org/wiki/Zweitor|H-Charakteristik der Vierpoltheorie]][(Note2>Die Vierpoltheorie wird in diesem Kurs nicht betrachtet, sondern wird im Fach Leistungselektronik näher hergeleitet.)] ergibt:
+In the datasheet, a different nomenclature is occasionally found, resulting from the so-called [[https://en.wikipedia.org/wiki/Two-port_network|H-characteristic of quadrupole theory]][(Note2>Quadpole theory is not considered in this course, but is derived in more detail in the Power Electronics subject.)]:
-  * Stromverstärkung $h_{fe}=\beta(I_C, U_{CE})=\frac{I_C}{I_B}$
+  * current gain      $h_{\rm fe}=\beta     (I_{\rm C}, U_{\rm CE})=\frac{I_\rm C}   {I_\rm B}$
-  * Eingangswiderstand $h_{ie}=r_{BE}(I_C, U_{CE})=\frac{U_{BE}}{I_B}$
+  * input resistance  $h_{\rm ie}=r_{\rm BE}(I_{\rm C}, U_{\rm CE})=\frac{U_{\rm BE}}{I_\rm B}$
-  * Ausgangswiderstand $h_{oe}=r_{CE}(I_B, U_{BE})=\frac{U_{CE}}{I_C}$
+  * output resistance $h_{\rm oe}=r_{\rm CE}(I_{\rm B}, U_{\rm BE})=\frac{U_{\rm CE}}{I_\rm C}$
-<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+17+0.00002+2.0086+61+1+50%0Ag+160+320+160+336+0%0AR+160+144+160+128+0+3+80+1+1+0+0.5%0Ax+168+262+180+265+4+18+C%0Ax+129+262+141+265+4+18+B%0At+128+272+160+272+0+1+-1.1+0.617+100%0Ar+32+272+112+272+0+1000%0Aw+160+320+160+304+0%0Aw+160+240+160+192+0%0Av+-16+320+-16+272+0+2+40+0.02+0.66+0+0.5%0Aw+-16+320+160+320+0%0Ax+168+299+180+302+4+18+E%0Ax+47+251+82+254+4+18+R_B%0Ax+108+280+122+283+4+24+%3E%0Aw+112+272+128+272+0%0Ax+106+259+118+262+4+18+B%0Ax+101+251+106+254+4+18+I%0Ax+154+221+166+224+4+24+v%0Ax+141+214+153+217+4+18+C%0Ax+137+206+142+209+4+18+I%0A403+218+150+656+352+0+4_1024_6_4163_1.5e-8_1e-8_0_2_4_2%0Av+-16+272+-16+224+0+2+20+0.04+0+0+0.5%0Aw+-16+224+32+224+0%0Aw+32+224+32+272+0%0Ax+671+278+696+281+4+18+CE%0Ax+659+269+671+272+4+18+U%0Ax+437+138+442+141+4+18+I%0Ax+441+146+453+149+4+18+C%0Ax+511+167+645+170+4+12+U%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cq%5Cs720mV,%5CsI%5Cs%5Cs%5Cs%5Cq%5Cs70%CE%BCA%0Ax+522+174+538+177+4+12+BE%0Ax+591+202+662+205+4+12+680mV,%5Cs45%CE%BCA%0Ax+620+225+691+228+4+12+640mV,%5Cs23%CE%BCA%0Ax+634+239+709+242+4+12+600mV,%5Cs8,5%CE%BCA%0A181+160+144+160+192+0+9915+0.00012+0.1+0.0001+0.0001%0Ab+437+168+460+250+0%0Ax+420+267+480+285+4+12+S%C3%A4ttigungs-%5C%5Cnbereich%0Ab+461+248+628+250+0%0Ax+496+267+535+285+4+12+Sperr-%5C%5Cnbereich%0Aw+160+240+160+256+0%0Aw+160+288+160+304+0%0Ax+202+278+214+281+4+18+U%0Ax+214+287+239+290+4+18+CE%0Ax+185+284+205+287+4+40+%E2%86%93%0Ax+86+304+98+307+4+18+U%0Ax+98+310+122+313+4+18+BE%0Ax+121+307+141+310+4+40+%E2%86%93%0Ax+598+174+606+177+4+12+B%0Ax+326+112+516+115+4+18+Ausgangskennlinienfeld%0Ao+5+1024+0+12289+0.0001+0.0001+0+1%0A 1000,400 noborder}}
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjA7CAMB00OgJhE+0AcBWLBmAbAJxK5gYT5T5jghbR0CmAtGGAFADm4+DuSDMLxC4CMGOwBKPQQBZZM8EgzjcIDINoM4WdgA8eKpPhRkGxrCAVkQAYX1LCqE+Fk0LV8CoBC7AC5KRhCmwkjB4jSssDSCCCAAJowAZgCGAK4ANn7sAE4iKGGmYAXhsQjsAO6K-ILCuNAK0JWKSLK1gsQSAG4grPj5DH2opahW2vAocPj947pVQzXVAhIGQkaETmYiyJ42AKIOslBIWDQYBVgK1iqSAPq+q5ioGkoFGGoKrSAAfM1sJaZlMNJg4wNB+idNjZjChriAHuBoO5ToiIZddioAJKg9FIJA0IQQr6fBRdUFuVBgax4SlQOH2Va4Y7g1wFaBOOHYtpqfEqMD0ED4LD9XBYSZWW5g1q3fC3Nz4XCS2BYFgYSWq27QW5IOXa9g9IaFXpCVBfcyocYNcSzZqGr78U2NZoOvEKF2lByUdwQFRECEYGj0g4GIVOYxOL3AjEgACqhyZ4FwKnkpgpnMOFKp-VkNKpHK8dgcpwJlEFOfAEAY1hQMYAOgBnBtNxst2sARwbwWgAFsAGoAGgbmObTY79crgB7gACCRbxFYUeD5EDpSnhwbohHcO2mbMs1cFGj7g-rOennuWeMsRHcQP3+DaR4bJDPIdwn1wTkrYdksNXvB7A4Nhg-ZYGeZAlnI1jCGAnQMBs-IwOgSKTNEiGIDESEcAARlYCZrFYoQCk0Bg-uYpZHG8e6rvWKR+GkOS0QAlgA9gAdrWtasTkjCcCxrHsDhsjUKgsi+kCJzaIchAQqWYphtguwoAAxmkfjMUkSTMBxXE8XxfyhG0LTChIVRCOYGB8nUVrERaJRGFSzyBgWcYGPinzkKgH6oIQVYFrY65kJYyifNAQUeVcDCAMmEDgYCKVqECo9QrjYLkgAlIhgq8GUfAW3gBfi2xQFSNCkL5hnRQYWDpZACi8P0kDJSgCL8PVxRWB5bBUTYzGqQADqpDZKQAFikDFKX4jA5Ix9Z+IxSnsMxdB0G1gh4hgThwOhaEIDE4DsEAA noborder}}
 </WRAP>
-Der Bipolartransistor wird dort genutzt, wo eine geringe Schwellspannung oder ein Stromverstärker benötigt wird. Die ist beispielsweise bei verschiedenen Verstärkerschaltungen vorteilhaft.
+The bipolar junction transistor is used where a low threshold voltage or current amplifier is required. This is advantageous in various amplifier circuits, for example.
-Auch in einigen einfachen Netzteilen sind Bipolartransistoren zu finden.
+Bipolar junction transistors are also found in some simple power supplies.
-Die häufigste Bipolartransistorschaltung ist die sogenannte Kollektorschaltung. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass am Kollektor eine konstante Spannung - die Versorgungsspannung - anliegt. Mehrere Kollektorschaltungen können durch eine gemeinsamen Spannungsversorgung betrieben werden. Damit liegt an allen Kollektoranschlüssen die gleiche Spannung an. Aufgrund der breiten Verwendung die Bipolartransistoren hatten, wird auch heute noch die gemeinsame Spannungsversorgung von elektronischen Schaltungen $V_{CC}$ genannt, wobei $CC$ für **Common Collector** steht. Dies ist häufig selbst dann noch zu sehen, wenn keine Bipolartransistoren mehr verwendet werden.
+The most common bipolar junction transistor circuit is the so-called collector circuit. This is characterized by the fact that a constant voltage - the supply voltage - is applied to the collector. Several collector circuits can be operated by a common voltage supply. This means that the same voltage is applied to all collector connections. Because of the wide use that bipolar junction transistors have had, even today the common voltage supply of electronic circuits is called $V_{\rm CC}$, where $\rm CC$ stands for **Common Collector**. This is often seen even when bipolar junction transistors are no longer used.
-Ein großer Nachteil des Bipolartransistors ist, dass für das Schalten ein Steuerstrom benötigt wird. Besonders in digitalen Schaltungen, aber auch in der Leistungselektronik, ergibt sich dadurch eine nicht zu vernachlässigende Eingangsleistung $P=U_{BE}\cdot I_B$. Diese führt zu Verlusten und Abwärme, die bei der Leistungsversorgung und thermischen Auslegung berücksichtigt werden müssen. Aus diesem Grund werden in aktuellen Mikrocontrollern keine Bipolartransistoren mehr genutzt. In diesen Feldern wurde der Bipolartransistor durch den Feldeffekt-Transistor verdrängt.
+A major disadvantage of the bipolar junction transistor is that a control current is required for switching. Especially in digital circuits, but also in power electronics, this results in a non-negligible input power $P=U_{\rm BE}\cdot I_\rm B$. This leads to losses and waste heat, which must be taken into account in the power supply and thermal design. For this reason, bipolar junction transistors are no longer used in current microcontrollers. In these fields, the bipolar junction transistor has been displaced by the field-effect transistor.
 <WRAP group>
-<WRAP> <panel type="danger" title="Merke: Bipolartransistoren"> <WRAP group><WRAP column 7%>{{fa>exclamation?32}}</WRAP><WRAP column 80%>
+<WRAP> <panel type="danger" title="Note: Bipolar junction transistors"> <WRAP group><WRAP column 7%>{{fa>exclamation?32}}</WRAP><WRAP column 80%>
-Es gibt 2 verschiedene Arten von Bipolartransistoren.
+There are 2 different types of bipolar junction transistors.
-Diese unterscheiden sich in der Art der Schichtenaufbaus, bzw. der Majoritätsträgerladungen:
+These differ in the type of layer structure, or majority carrier charges:
-  * **npn-Bipolartransistoren**: Die hauptsächliche Leitung geschieht über Elektronen. Diese können ohne Strom $I_B$ über die Basis den p-dotierten Bereich nicht durchlaufen. Durch $I_B>0$ werden Löchern in die Basis eingebracht, welche Sperrschichten abbauen.
+  * **NPN bipolar junction transistors**: Major conduction occurs via electrons from the emitter to the collector. These electrons cannot pass through the P-doped region without current $I_\rm B$ injected in the base. By this current $I_\rm B>0$ holes are introduced into the base, which removes the junction layers.
-  * **pnp-Bipolartransistoren**: Die hauptsächliche Leitung geschieht über Löcher. Diese können ohne Strom $I_B$ über die Basis den n-dotierten Bereich nicht durchlaufen. Durch $I_B<0$ werden Elektronen in die Basis eingebracht, welche Sperrschichten abbauen.
+  * **PNP bipolar transistors**:          Major conduction occurs via holes from the emitter to the collector.     These holes cannot pass through the N-doped region without current $I_\rm B$ injected in the base.    By this current $I_\rm B<0$ electrons are introduced into the base, which removes the junction layers.
-Beim __Bipolar__transistor sind __beide Ladungsträgertypen am Transport beteiligt__.
+In the __bipolar__ junction transistor, __both types of charge carriers are involved in the transport__.
 </WRAP></WRAP></panel> </WRAP>
 ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
-===== 2.7 Funktionsprinzip eines Feldeffekt-Transistors =====
+===== 2.7 Field-Effect Transistor =====
-<WRAP right><imgcaption picP|Funktion des MOSFETs>
+==== 2.7.1 Operating Principle ====
-{{elektronische_schaltungstechnik:mosfet-front-final-test_jpg_project-body.jpg?400}}
-</imgcaption></WRAP>
-<WRAP right><panel type="default">
+A field effect transistor (FET) also consists of two diodes connected against each other, which have a common N- or P-layer. However, the conductivity of the field-effect transistor is not generated by applying a control-__current__, but solely by a control-__voltage__. In the case of the bipolar junction transistor, the control current was also generated by a control voltage. However, the control current must flow continuously to drive the bipolar junction transistor, since the charge carriers introduced via the base recombine internally.
-<imgcaption pic6|FET Schaltsymbole>
+In <imgref pic6> a special field-effect transistor is drawn the so-called "metal-oxide-semiconductor field-effect transistor". This will be explained in more detail below. The <imgref picP> outlines the principle of operation: the control voltage $U_{\rm GS}$ (in English often as $V_{\rm GS}$) regulates the current $I_\rm D$ in the working circuit. This is done by the resistance $R_{\rm DS}$ between $\rm D$rain and $\rm S$ource.
+<WRAP><panel type="default">
+<imgcaption pic6|FET circuit symbols>
 </imgcaption>
-{{drawio>FET_Prinzip}}
+{{drawio>FET_Prinzip.svg}}
 </panel></WRAP>
+To distinguish the transistor types, and to emphasize the physics behind them, the terminals are labeled differently for the field-effect transistor:
+  * **(S) Source**: Terminal from which the charge carriers pass through the transistor (roughly corresponds to the emitter).
+  * **(G) Gate**: Terminal at which a voltage can be used to change the conductivity (roughly corresponds to the base, with control currents being injected there).
+  * **(D) Drain**: Terminal at which the charge carriers arrive and leave the transistor (corresponds approximately to the collector).
+In addition, there is the **"Bulk" (B)** in the structure, which refers to the basic substrate of the transistor. This is usually not led out separately but shorted to the source terminal.
+In some FETs, the bulk is represented by the middle connection.
-Auch ein Feldeffekt-Transistor (FET) besteht aus zwei gegeneinander geschalteten Dioden, die eine gemeinsame n- bzw. p-Schicht besitzen. Die Leitfähigkeit des Feldeffekt-Transistors wird jedoch nicht durch das Anlegen einer Steuer__stroms__, sondern allein durch eine Steuer__spannung__ erzeugt. Auch beim Bipolartransistor wurde der Steuerstrom durch eine Steuerspannung generiert. Der Steuerstrom muss jedoch zum Ansteuern des Bipolartransistors dauerhaft fließen, da die über die Basis eingetragenen Ladungsträger intern rekombinieren.
+<WRAP><imgcaption picP|Function of the MOSFET>
+{{elektronische_schaltungstechnik:mosfet-front-final-test_jpg_project-body.jpg?400}}
+</imgcaption></WRAP>
-In <imgref pic6> ist ein spezieller Feldeffekt-Transistor gezeichnet, dem sogenannten "Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekt-Transistor". Dieser soll im Folgenden näher erklärt werden. Die <imgref picP> skizziert das Funktionsprinzip: Die Steuerspannung $U_{GS}$ (im englischen $V_{GS}$) regelt im Arbeitskreis den Strom $I_D$. Dies geschieht durch den Widerstand zwischen $R_{DS}$.
+In the following simulation, you can see that the field-effect transistor behaves much like a switch, which is controlled by a voltage. No current seems to flow on the gate, but when the voltage on the gate changes, the behavior changes from "conductive" to "open".
-Um die Transistortypen zu unterscheiden, und die dahinterliegende Physik zu betonen, sind die Anschlüsse beim Feldeffekt-Transistor anders bezeichnet:
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 </WRAP>
+==== 2.7.2 Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) ====
-  * **(S) Source**: Anschluss, von dem die Ladungsträger aus den Transistor durchlaufen (entspricht etwa dem Emitter)
+The structure of the metal oxide semiconductor field-effect transistor (**Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor: MOSFET)** resembles the bipolar junction transistor at first glance. In <imgref pic3>, the individual figures (1)...(3) show the layering of an N-channel (German: //N-Kanal//) MOSFET, and in (4) the circuit symbol is shown again. In contrast to the NPN-bipolar junction transistor, the middle P-doped layer (bulk) is not directly connected to the control electrode. Rather, the metal layer of the gate (<imgref pic3>, Fig. (5), gray), the insulating layer of the oxide (shown in purple), and the conductive P-doped layer of the bulk (shown in red) form a capacitor. It should be noted that the bulk is at the potential of the source connection (dotted line in the picture).
-  * **(G) Gate**: Anschluss, an dem mittels einer Spannung die Leitfähigkeit geändert werden kann (entspricht etwa der Basis, wobei dort Steuerströme eingespeist werden)
-  * **(D) Drain**: Anschluss, an dem die Ladungsträger ankommen und aus dem Transistor austreten (entspricht etwa dem Kollektor)
-Daneben gibt es im Aufbau noch das **"Bulk" (B)**, was das Grundsubstrat des Transistors bezeichnet. Dies ist in der Regel nicht separat herausgeführt, sondern mit dem Sourceanschluss kurzgeschlossen.
-Bei einigen FETs ist das Bulk durch die mittlere Verbindung dargestellt.
-In der Simulation rechts ist zu sehen, dass sich der Feldeffekt-Transistor so ähnlich wie ein Schalter verhält, welcher über eine Spannung gesteuert wird. Auf das Gate scheint kein Strom zu fließen, aber wenn sich die Spannung am Gate ändert, so ändert sich das Verhalten von "leitfähig" in "offen".
+<WRAP ><panel type="default">
+<imgcaption pic3|MOSFET layering>
-==== Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekt-Transistor (MOSFET) ====
-<WRAP right><panel type="default">
-<imgcaption pic3|MOSFET Schichtung>
 </imgcaption>
-{{drawio>MOSFET_Pinch_off}}
+{{drawio>MOSFET_Pinch_off.svg}}
 </panel>
 </WRAP>
-Der Aufbau des Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekt-Transistors (englisch **Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: MOSFET)** ähnelt auf dem ersten Blick dem Bipolartransistor. In <imgref pic3> ist in den einzelnen Bildern (1)...(3) die Schichtung eines n-Kanal (englisch n-Channel) MOSFETs und in (4) nochmals das Schaltsymbol dargestellt. Im Gegensatz zum npn-Bipolartransistor ist hier aber mittlere p-dotierte Schicht (Bulk) nicht direkt an der Steuerelektrode angeschlossen. Vielmehr bildet die Metallschicht des Gates (<imgref pic3>, Bild (5), grau), die Isolationsschicht des Oxids (im Bild violett) und die leitfähige, p-dotierte Schicht des Bulks (im Bild rot) einen Kondensator. Dabei ist zu beachten, dass das Bulk auf dem Potential des Source-Anschlusses liegt (gestichelte Linie im Bild).
+Without voltage difference, $U_{\rm GS}$ between gate and source, a (small) junction is formed at the PN junctions. If the voltage difference $U_{\rm GS}$ is increased, the capacitor between the gate and bulk is charged. This accumulates electrons opposite the gate electrode (<imgref pic3>, Fig. (2), green "wedge"). If the voltage difference $U_{\rm GS}$ exceeds a certain threshold voltage, the enriched electrons form a channel between the source and the gate. This allows a current $I_\rm D \gg 0$ to flow through the MOSFET (<imgref pic3> Fig. (3)).
-Ohne Spannungsdifferenz $U_{GS}$ zwischen Gate und Source bildet sich an den p-n Übergängen eine (kleine) Sperrschicht aus. Wird die Spannungsdifferenz $U_{GS}$ vergrößert, so wird der Kondensator zwischen Gate und Bulk aufgeladen. Damit reichern sich gegenüber der Gatelektrode Elektronen an (<imgref pic3>, Bild (2), dunkelblauer "Keil"). Übersteigt die Spannungsdifferenz $U_{GS}$ eine bestimmte Schwellspannung, so bilden die angereicherten Elektronen einen Kanal zwischen Source und Gate. Damit kann ein Strom $I_D \gg 0$ durch den MOSFET (<imgref pic3> Bild (3)) fließen.
+The switching symbol (<imgref pic3>, figure (4)) can also be described as follows: Capacitors form between gate and source, between gate and base, and between gate and drain, respectively, in the off state because of the oxide layer (purple in Fig. (1))[(Note2>In field-effect transistors, an additional capacitor forms between source and drain, which can lead to overvoltages at the MOSFET, especially during fast switching of inductors)]. To drive the MOSFET, the voltage at the gate $U_{\rm GS}$ must be such that a PN junction forms in the bulk, indicated by the white-filled triangle in figure (4). Since the apex of the triangle (or the diode symbol sketched with it) points toward the gate, it is clear that we are dealing with an N-channel MOSFET.
-Das Schaltsymbol (<imgref pic3>, Bild (4)) lässt sich auch folgendermaßen beschreiben: Es bilden sich im ausgeschalteten Zustand jeweils Kondensatoren zwischen Gate und Source, zwischen Gate und Basis und zwischen Gate und Drain wegen der Oxidschicht (im Bild (1) violett) aus.[(Note2>Bei den Feldeffekt-Transistoren bildet sich zusätzlich ein Kondensator zwischen Source und Drain aus, welcher insbesondere beim schnellen Schalten von Induktivitäten zu Überspannungen am MOSFET führen kann.)] Um den MOSFET anzusteuern, muss die Spannung am Gate $U_{GS}$ so geartet sein, dass sich ein PN-Übergang im Bulk bildet, angedeutet durch das weiß ausgefüllte Dreieck im Bild (4). Da die Spitze des Dreiecks (bzw. des damit skizzierten Diodensymbols) in Richtung des Gates zeigt, ist klar, dass es sich um einen n-Kanal MOSFET handelt.
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 </WRAP>
-In der Simulation rechts sind die gleichen Spannungsverhältnisse wie in <imgref pic3> (1)...(3) dargestellt. Durch den Wechselschalter links ist es möglich die Spannung $U_{DS}$ über den Transistor zu invertieren. Wird diese negativ, so stellt sich eine etwas andere Situation ein: Der MOSFET scheint leitfähig zu werden, unabhängig davon, welche Spannung $U_{GS}$ annimmt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich im Schichtenaufbau eine weitere Diode versteckt hat: zwischen Bulk (p) und Drain (n) hat sich eine Sperrschicht ausgebildet, welche bei $U_{DS}<0$ und mit der Anbindung von Bulk und Source in Durchlassrichtung betrieben wird. Diese sogenannte Body-Diode ist in der Simulation bei (3b) explizit eingebaut.
+In the simulation, the same voltage ratios are shown as in <imgref pic3> (1)...(3). The toggle switch on the left makes it possible to invert the voltage $U_{\rm DS}$ across the transistor. If this becomes negative, a slightly different situation arises: The MOSFET appears to become conductive regardless of what voltage $U_{\rm GS}$ assumes. This is because another diode has been hidden in the layer structure: a junction has formed between the bulk (p) and drain (n), which is operated at $U_{\rm DS}<0$ and with the bulk and source connected in the forward direction. This so-called body diode is explicitly built into the simulation at (3b).
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-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+1+0.0002+0.25+60+5+43%0Af+144+384+176+384+32+1.5+0.02%0Ar+112+384+112+336+0+1000%0Ag+176+432+176+448+0%0A181+176+320+176+352+0+120090+3e-7+0.001+0.001+0.001%0Av+48+384+48+336+0+2+20+0.1+0+0+0.5%0AR+176+320+176+288+0+3+80+1+1+0+0.5%0Aw+112+384+144+384+0%0Av+48+432+48+384+0+2+40+0.05+1.8+0+0.5%0Aw+176+432+48+432+0%0Aw+176+432+176+400+0%0Aw+112+336+48+336+0%0Aw+176+352+176+368+0%0A403+272+272+608+464+0+0_64_0_4162_5e-16_1e-17_0_2_0_3%0Ax+83+410+95+413+4+18+U%0Ax+97+420+123+423+4+18+GS%0Ax+122+416+142+419+4+40+%E2%86%93%0Ax+537+287+673+290+4+18+U%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cq%5Cs%5Cp1950%5CsmV%0Ax+549+294+575+297+4+18+GS%0Ax+589+318+671+321+4+18+%5Cp1900%5CsmV%0Ax+588+341+670+344+4+18+%5Cp1850%5CsmV%0Ax+588+360+670+363+4+18+%5Cp1800%5CsmV%0Ax+581+385+593+388+4+18+U%0Ax+592+393+617+396+4+18+DS%0Ax+420+270+425+273+4+18+I%0Ax+424+279+436+282+4+18+S%0Ab+464+292+585+365+0%0Ax+339+310+435+313+4+12+S%C3%A4ttigungsbereich%0Ax+451+379+519+382+4+12+Sperrbereich%0Ax+186+393+206+396+4+40+%E2%86%93%0Ax+219+391+244+394+4+18+DS%0Ax+202+382+214+385+4+18+U%0Ax+-14+247+355+250+4+24+n-Channel%5Csenhancement%5CsMOSFET%0Ax+-14+246+355+249+4+24+n-Channel%5Csenhancement%5CsMOSFET%0A 700,300 noborder}}
+==== 2.7.3 Output Characteristics of the MOSFET ====
+The **output characteristic** $U_{\rm DS}({I_\rm D})$ is also to be considered for the MOSFET. This is also similar to the bipolar junction transistor, but now the different characteristics are adjustable by different control voltages $U_{\rm GS}$ and not by a control current.
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0lwTFa8CscCcAWOYDMA2feMedEfSEFETXKgUwFowwAoAM3E0xFwA4eYAOz5eA3ojDRqMSPFYAncCTGCVuAlHBxIrAObgRNXJKPc+W3WD4Rhok5Tu8UiR-AyVcTIUhy-IELIBrABuNBb8PJgRmpSI7kiBltKsAEqG9glO8HwWniB8juDJKKwA7sqIkVw81bph0caIjXUgzZSy1FJ5SKUVTrTNFoNQ5RlN49gdYyxVmi2xM0a4LuMEeazYdPBC8bvkkMP4PB0A+senkKeYYESnKEy3p2CPQpen8O+4rAAeBXQ3Sjoag3AHgCwAVV+IHQPkwWXgAMRNHBIAA4gBlaEkZq3Li4shRSiAZMJoShcD4cj58EJtuhKIJIQAdADOrPZbLZAEd2QAHMDAyCsgC2ADUyZgyKQeCghNRSHDUZiyXwyLhrOQhBATBBGSAmfz6UKWWKVREbprPNwURqDdY0CLxX8ULleBRLW6wbb+YVjabnTYxNQUOg6Pxhqioc70FVQ+RhLx0KI9QARLF-eFxIQM1BtWk2iwASWh8J4O0JmhyzVRWIARjRjm0Y1Q+NQCDJodUTADsLwLYJECyAIYAFwArgpRwBLAD2ADt2Uy5wp6HpZ3OSyhtUIyC4fPxqyoAMJjkesmfsdis1Kr9fYvj2OPuR-Jmgk6HENXoCDwa24LAFiAaYfnIYjxGAtStoBUYgMwZaYPuKDymgKK-iAc6MEeAAWQ5znO9AADasvQc44XOADG9DCiRZ4sgAsgA8hiABiACiAAqrBAA noborder}}
 </WRAP>
-\\
+Unfortunately, the naming of the different operating ranges of a MOSFET differs from that of the bipolar junction transistor:
-\\
-==== Ausgangskennlinienfeld des MOSFET ====
+~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
-Auch beim MOSFET soll das **Ausgangskennlinienfeld** $U_{DS}({I_D})$ betrachtet werden. Auch dieses ähnelt dem Bipolartransistor, jedoch sind nun die verschiedenen Kennlinien durch unterschiedliche Steuerspannungen $U_{GS}$ und nicht durch einen Steuerstrom einstellbar.
+  - __Cut-Off region__: at low input voltages $U_{\rm GS}$, no channel can be formed. Accordingly, the entire transistor becomes nonconducting. In the output, the characteristic is can be seen by the fact that at positive output voltage $U_{\rm DS}$ the output current $I_\rm D$ becomes very small. In this case, the transistor corresponds to a high-impedance resistor, or an open switch, on the output side.
+  - __Saturation region__: for larger input voltages $U_{\rm GS}> U_{\rm th}$ above a threshold, a conductive channel is formed. In the saturation region, the output characteristic behaves like a straight line. The output current $I_\rm D$ is thus only dependent on $U_{\rm GS}$.
+  - __linear region__ (active region): The linear region is found at larger input voltages $U_{\rm GS}> U_{\rm th}$ and only small output voltage $U_{\rm DS}$. At constant input voltage $U_{\rm GS}$, the output voltage to output current behaves like a high non-linear resistor. In this case, the transistor on the output side corresponds to a low-impedance resistor or a conducting switch.
-Leider unterscheidet sich die Benennung der verschiedenen Betriebsbereiche eines MOSFETs von denen des Bipolartransistors:
+It should be noted that the saturation region for MOSFET and bipolar junction transistors characterizes different operating ranges.
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-  - __Sperrbereich__: bei geringen Eingangsspannungen $U_{GS}$ kann kein Kanal gebildet werden. Entsprechend wird der gesamte Transistor nicht leitend. Im Ausgangskennlinienfeld ist dies dadurch zu sehen, dass bei positiver Ausgangsspannung $U_{DS}$ der Ausgangsstrom $I_D$ sehr klein wird. In diesem Fall entspricht der Transistor auf der Ausgangsseite einem hochohmigen Widerstand, bzw. einem offenen Schalter.
+==== 2.7.4 Variants of MOSFETs ====
-  - __Sättigungsbereich__: bei größeren Eingangsspannungen $U_{GS}> U_{th}$ oberhalb eines Grenzwerts (engl. Threshold) wird ein leitfähiger Kanal gebildet. Im Sättigungsbereich verhält sich die Ausgangskennlinie wie eine Gerade. Der Ausgangsstrom $I_D$ ist damit nur noch abhängig von $U_{GS}$.
-  - __linearer Bereich__ (aktiver Bereich) : Der lineare Bereich ist bei größeren Eingangsspannungen $U_{GS}> U_{th}$ und nur geringer Ausgangsspannung $U_{DS}$ zu finden. Bei konstanter Eingangsspannung $U_{GS}$ verhält sich die Ausgangsspannung zum Ausgangsstrom wie ein hoher, nicht-linearer Widerstand. In diesem Fall entspricht der Transistor auf der Ausgangsseite einem niederohmigen Widerstand, bzw. einem leitenden Schalter.
-Zu beachten ist, dass der Sättigungsbereich bei MOSFET und Bipolartransistor unterschiedliche Arbeitsbereiche kennzeichnet.
+The so far considered (and also most frequently used) field-effect transistor is the so-called "**N-channel enhancement type MOSFET**". The part "N-channel" comes from the type of the current-forming charge carrier and was already given above. The part "enhancement type" represents, that the charge carriers are not present at first and have to be accumulated in the bulk using the voltage $U_{\rm GS}$ for conductivity.
-~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
+Some circuits (especially digital circuits) also use "**P-channel enhancement type MOSFET**", where holes are the current-forming charge carriers. In the simulation, this type of MOSFET is shown. Most clearly, when the P-channel enhancement type MOSFET is connected, the drain and source are generally reversed. Thus, the numerical values of $U_{\rm DS}$ and $I_\rm D$ in the output characteristics become negative. To enrich holes in the P-channel, a negative voltage must be applied to the gate $U_{\rm DS}<0$.
-==== Varianten von MOSFETs ====
+In the <imgref pic2> the circuit symbols of different variants of MOSFETs are shown. In the MOSFETs in the top row, an N-channel is formed for charge transport, and in the bottom row, a P-channel is formed.
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+1+0.0002+0.25+60+5+43%0Af+144+624+176+624+33+1.5+0.02%0AR+176+576+176+544+0+3+80+1+1+0+0.5%0Ag+176+688+176+704+0%0Aw+176+656+176+640+0%0Aw+112+672+48+672+0%0Aw+176+576+48+576+0%0Av+48+672+48+624+0+2+40+0.05+1.8+0+0.5%0Aw+112+624+144+624+0%0Av+48+624+48+576+0+2+20+0.1+0+0+0.5%0Ar+112+624+112+672+0+1000%0Ap+336+608+336+576+1+0%0A370+176+608+176+576+1+0%0A207+176+608+192+608+4+S%0A207+176+640+192+640+4+D%0A207+336+608+320+608+4+D%0A207+336+576+320+576+4+S%0A403+272+528+608+720+0+10_64_0_4162_5e-16_1e-17_0_2_11_3%0Ax+117+609+137+612+4+40+%E2%86%91%0Ax+92+613+118+616+4+18+GS%0Ax+78+603+90+606+4+18+U%0Ax+591+648+616+651+4+18+DS%0Ax+580+640+592+643+4+18+U%0Ax+423+536+435+539+4+18+S%0Ax+419+527+424+530+4+18+I%0Ax+284+717+310+720+4+18+GS%0Ax+272+710+403+713+4+18+U%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cs%5Cq%5Cs-1950%5CsmV%0Ax+199+626+211+629+4+18+U%0Ax+213+636+238+639+4+18+DS%0Ax+186+628+196+631+4+20+%E2%86%91%0Ax+325+680+403+683+4+18+-1900%5CsmV%0Ax+325+659+403+662+4+18+-1850%5CsmV%0Ax+327+626+405+629+4+18+-1800%5CsmV%0Ax+418+619+486+622+4+12+Sperrbereich%0Ax+318+750+414+753+4+12+S%C3%A4ttigungsbereich%0Ab+267+628+404+733+0%0A181+176+656+176+688+0+1440+3e-7+0.001+0.001+0.001%0Ax+-13+517+356+520+4+24+p-Channel%5Csenhancement%5CsMOSFET%0Ax+-13+516+356+519+4+24+p-Channel%5Csenhancement%5CsMOSFET%0A 700,300 noborder}}
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0lwTFa8CscCcAWOYDMA2feMedEfSEFETXKgUwFowwAoAM3E03Ph7ADs+Xj1x0w0ajEjxWAJXBCqSwcJTcoIOgA5KECJRgpWAc0XD827eZADIPQ6wDuN-CmGry2KM-AlyAoiY1viBPi6eKErBysKQrABuNCFhMUQOIEGGsNQS1tnGEf7pXDwl8UlpfMmxmojw2QaaRqwATn6IJSydYXpw8QAOWgTkkNZiairNrLh2rmM2UR7TDQLz1mDonQs8AMqsq67em53ePAAiB5BrE6PjDXc0IJeHt0taD+97rNh08GEoeAhBaBQzgSAAfXwmAhkMwYCIEJQTARELAKIEsIh8DRYAhuFYAA8-GsKGQ8KT-DxvIBEwiJIC25DwfhCCKeYGsAHF9sSBMC6OhKBRhPxrABVekodAQaGsiwoCCi548qi6LyUKWnOhKiXEzDwOgoEa0ahGshKlXwsiAtb6nhGyhKgCS9KBPAEgi0YEooPZXJV-0QHsdkDoHu14HFAB0AM6x+NxuMAR1jzHQaFjAFsAGr0zZkIjCYgy0h+kC6zLM-AjA0hXDmyPKvPaCxA8DoCy4RWZSh04m4VDkNW-IcRjkgNNwLO5-uDtzm0PkIhl5jaDMxnP0gek+AiyDUIgN8erqcbmc0cf4TY0dA7oLgRAAYQArgAXWMAeXY7FjcnoJgASwAewAO3pfVhAEY1tHddR2UQXYAENX2fVpkOAkD4yjEC-0A0DWAAI0yUJeGsbB3TEHwOX0JQ3A8WirE0MBuEoXAmDWaRIAMWAuKQHB6WYQ1PVwdwqAeHhqgGRhHwAC0QkCQPoAAbWN6BAuSQIAY3oTM1PfGMAFkP12AAxABRAAVVggA noborder}}
 \\
 <panel type="default">
-<imgcaption pic2|FET Schaltsymbole>
+<imgcaption pic2|FET circuit symbols>
 </imgcaption>
-{{drawio>FET_Schaltsymbol}}
+{{drawio>FET_Schaltsymbol.svg}}
 </panel>
 </WRAP>
-Der bisher betrachtete (und auch am häufigsten genutzte) Feldeffekt-Transistor ist der sogenannte "**n-Kanal Anreicherungstyp MOSFET**". Dabei rührt der Teil "n-Kanal" vom Typ des Strom-bildenden Ladungsträgers und wurde bereits weiter oben gegeben. Der Teil "Anreicherungstyp" (engl. enhancement) stellt dar, dass die Ladungsträger zunächst nicht vorhanden sind und zur Leitfähigkeit erst mittels des der Spannung $U_{GS}$ im Bulk angehäuft werden müssen.
-Bei einigen Schaltungen (insbesondere Digitalschaltungen) werden auch "**p-Kanal Anreicherungstyp MOSFET**" verwendet, bei dem Löcher die Strom-bildenden Ladungsträger sind. In der Simulation rechts ist diese Art des MOSFET gezeigt. Am deutlichsten ist, dass bei der Verschaltung des p-Kanal Anreicherungstyp MOSFET in der Regel Drain und Source vertauscht wird. Damit werden die Zahlenwerte von $U_{DS}$ und $I_D$ im Ausgangskennlinienfeld negativ. Um Löcher im p-Kanal anzureichern muss eine negative Spannung am Gate $U_{DS}<0$ anliegen.
+Three variations of an **N-channel enhancement type MOSFET** are shown in <imgref pic2> in the upper left. In the first circuit symbol, the circle represents that it is a discrete device, i.e., a single MOSFET not integrated with others in a chip. The second circuit symbol has already been used in the previous chapters. The third circuit symbol of the same N-channel enhancement type MOSFET is the reduced version (i.e., without bulk). This representation is used for simplification in digital circuits.
-In der <imgref pic2> sind die Schaltsymbole verschiedener Varianten von MOSFETs dargestellt. In den MOSFETs der oberen Zeile wird ein n-Kanal zum Ladungstransport ausgebildet, in der unteren ein p-Kanal.
+In <imgref pic2> on the lower left, three variations of a **P-channel enhancement type MOSFET** are shown. Again, the circle on the first circuit symbol indicates that it is a discrete device, but now the direction of the arrow on the bulk is rotated. The second switching symbol is used in the same way as for the N-channel MOSFET - in integrated circuits. The third symbol is again the reduced version (without bulk). For the digital circuit, it is only important whether the switch closes or opens at a high signal ($= 5~\rm V$). Since the P-channel enhancement type MOSFET opens, this is drawn with a negation sign (small circle) at the gate.
-In <imgref pic2> links oben sind drei Varianten eines **n-Kanal Anreicherungstyp MOSFET** gezeigt. Beim ersten Schaltsymbol stellt der Kreis dar, dass es sich um ein diskretes Bauteil handelt, also ein einzelnen MOSFET, der nicht mit anderen gemeinsam in einem Chip integriert ist. Das zweite Schaltsymbol wurde bereits in den vorherigen Kapitel genutzt. Das dritte Schaltsymbol des gleichen n-Kanal Anreicherungstyp MOSFET ist die reduzierte Variante (also ohne Bulk). Diese Darstellung wird zur Vereinfachung in Digitalschaltungen genutzt.
-In <imgref pic2> links unten sind drei Varianten eines **p-Kanal Anreicherungstyp MOSFET** gezeigt. Auch hier zeigt der Kreis beim ersten Schaltsymbol an, dass es ein diskretes Bauteil ist, jedoch ist nun die die Pfeilrichtung am Bulk gedreht. Das zweite Schaltsymbol wird - wie beim n-Kanal MOSFET - so auch in integrierten Schaltungen verwendet. Das dritte Schaltsymbol ist wieder die reduzierte Variante (also ohne Bulk). Für die Digitalschaltung ist nur wichtig, ob der Schalter bei High-Signal ($= 5V$) schließt oder öffnet. Da der p-Kanal Anreicherungstyp MOSFET öffnet, wird dieser mit einem Negierungszeichen (kleiner Kreis) am Gate gezeichnet.
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-In <imgref pic2> rechts sind sogenannte **n-Kanal und p-Kanal Verarmungstyp MOSFET** dargestellt. Die bisherig betrachteten MOSFETs waren im ausgeschalteten Zustand (also $U_{DS}=0$) nicht leitfähig. In manchen Anwendungen wäre es aber gut, wenn der MOSFET im ausgeschalteten Zustand einem leitfähigen Schalter gleicht. Mit Blick auf die Schichtstruktur (<imgref pic3>, Bild (1)...(3)) ist dies über eine gezielte Umdotierung des Bereichs gegenüber des Gates möglich. Durch die Dotierung kann ein leitfähiger Kanal verstellt werden. Die Ladungsträger dieses Kanals können durch ein geeignetes Feld - und damit geeignete Gatespannung $U_{GS}$ - verdrängt bzw. verarmt werden. Damit wird der MOSFET bei einer Gegenspannung $U_{GS}$ nicht-leitend. Im Schaltsymbol ist der "Kurzschluss" zwischen Source und Drain auch bildlich eingezeichnet.
+In <imgref pic2> on the right, the so-called **N-channel and P-channel depletion-type MOSFET** are shown. The MOSFETs considered so far were not conductive in the off state (i.e. $U_{\rm DS}=0$). However, in some applications, it would be good if the MOSFET resembled a conductive switch when off. Looking at the layer structure (<imgref pic3>, Figure (1)...(3)), this is possible via selective re-doping of the region opposite the gate. The doping can be used to dislocate a conductive channel. The charge carriers of this channel can be displaced or depleted by a suitable electric field - and thus suitable gate voltage $U_{\rm GS}$. Thus, the MOSFET becomes non-conducting in the presence of a reverse voltage $U_{\rm GS}$. In the circuit symbol, the "short circuit" between the source and drain is also drawn pictorially.
 <WRAP group>
-<WRAP> <panel type="danger" title="Merke: MOSFETs"> <WRAP group><WRAP column 7%>{{fa>exclamation?32}}</WRAP><WRAP column 80%>
+<WRAP> <panel type="danger" title="Remember: MOSFETs"> <WRAP group><WRAP column 7%>{{fa>exclamation?32}}</WRAP><WRAP column 80%>
-Es gibt 4 verschiedene Arten von MOSFETs.
+There are 4 different types of MOSFETs.
-Diese unterscheiden sich einerseits in der Art der Strom-bildenden Ladungsträger:
+On the one hand, these differ in the type of current-forming charge carriers:
-  * **n-Kanal**: Die Strom-bildenden Ladungsträger sind Elektronen.
+  * **N-channel**: The current-forming charge carriers are electrons.
-  * **p-Kanal**: Die Strom-bildenden Ladungsträger sind Löcher.
+  * **P-channel**: The current-forming charge carriers are holes.
-Das zweite Unterscheidungsmerkmal ist die Leitfähigkeit im ausgeschalteten Zustand ($U_{GS}=0$):
+The second distinguishing feature is the off-state conductivity ($U_{\rm GS}=0$):
-  * **Anreicherungstyp**: Bei einer Gatespannung von $U_{GS}=0$, ist kein leitfähiger Kanal vorhanden. Erst durch das Aufladen des Gate-Bulk-Kondensators wird der Kanal gebildet bzw. die Ladungsträger angereichert.
+  * **enhancement type**: When the gate voltage is $U_{\rm GS}=0$, no conductive channel is present. Only by charging the gate bulk capacitor, the channel is formed or the carriers are enriched.
-  * **Verarmungstyp**: Bei einer Gatespannung von $U_{GS}=0$, ist ein leitfähiger Kanal vorhanden. Durch das Aufladen des Gate-Bulk-Kondensators wird der Kanal verkleinert bzw. die Ladungsträger verdrängt ("verarmt").
+  * **depletion type**: At a gate voltage of $U_{\rm GS}=0$, a conductive channel is present. By charging the gate bulk capacitor, the channel is reduced or the charge carriers are displaced ("depleted").
-Beim Feldeffekttransistor werden durch das elektrische Feld des Gate-Bulk-Kondensators nur genau diejenigen Ladungsträger angereichert bzw. verarmt, welche zum Ladungstransport beitragen.
+In the field-effect transistor, the electric field of the gate-bulk capacitor enriches or depletes only those charge carriers that contribute to charge transport.
 </WRAP></WRAP></panel> </WRAP>
+==== 2.7.5 Choosing the right Semiconductor Component ====
-~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
+For all transistors and diodes, various limit values must be observed for the circuit design. These can be entered directly in the output characteristics (<imgref pic8>, above).
+Due to the heating of the component and the resulting increase in intrinsic conduction, two limit values result:
+  * In the conducting state, the power dissipation $P_{\rm loss}=R(T)\cdot I^2$ forms a direct reference to the current through the semiconductor element $I_{\rm C}, I_{\rm D}, I_{\rm D}$ (bipolar junction transistor, MOSFET, diode). This results in current $I_{\rm max}$, which should not be exceeded.
+  * In the state where there is both a noticeable current and voltage, there is a maximum allowed power $P_{\rm tot}={\rm const.}=U\cdot I$. This is a hyperbola in the output characteristic. If the output current exceeds this hyperbola, the semiconductor element heats up to such an extent that, due to the increasing intrinsic conductivity, the conductivity drops, which in turn leads to an increasing current. This effect leads to the thermal destruction of the component.
+In addition, a maximum voltage $U_{\rm max}$ must not be exceeded. This is usually due to the (internal) dielectric strength of the component.
-<WRAP right><panel type="default">
+<WRAP><panel type="default">
-<imgcaption pic8|Arbeitsbereich von Halbleiter-Elementen>
+<imgcaption pic8|operating area of semiconductor elements>
 </imgcaption>
-{{drawio>Arbeitsbereich_von_HalbleiterElementen}}
+{{drawio>Arbeitsbereich_von_HalbleiterElementen.svg}}
 </panel>
 </WRAP>
-=== Auslegung von Halbleiter-Elementen ===
+These limits are especially important if, for example, a MOSFET is to be used as a switch (example: <imgref pic8>, below). In this case, there are two states:
+  * Switch is conductive: a low voltage $U_{\rm DS}$ is applied, at which a large current $I_{\rm D}<I_{\rm max}$ flows.
+  * Switch is non-conductive: A high voltage $U_{\rm DS}<U_{\rm max}$ is applied, at which no current flows.
+When switching from "conductive" to "non-conductive", even if the individual current and voltage limits are taken into account, this can destroy the switch. In <imgref pic8>, this case can be seen in the diagram below. Current flow $I_\rm D$ is initially maintained (or is only small), although voltage $U_{\rm DS}$ increases (blue line). In this case, $P_{\rm tot}$ may be exceeded and the MOSFET is destroyed due to thermal overload.
-Bei allen Transistoren und Dioden sind für die Schaltungsauslegung verschiedene die Grenzwerte zu beachten. Diese können im Ausgangskennlinienfeld direkt eingetragen werden (<imgref pic8>, oben).
+To speed up the switching process (especially for power MOSFETs, e.g. for motor drivers), so-called **driver circuits** generate the voltage $U_{\rm GS}$. With these driver circuits, the control voltage can be made available and reset very quickly. For this purpose, currents in the range of several amperes must be provided for a short time for charging and discharging the gate capacitor.
-Durch die Erwärmung des Bauteils und der daraus steigenden Eigenleitung ergeben sich zwei Grenzwerte:
-  * Im leitenden Zustand bildet die Verlustleistung $P_{loss}=R(T)\cdot I^2$ einen direkten Bezug zum Strom durch das Halbleiterelement $I_C, I_D, I_D$ (Bipolartransistor, MOSFET, Diode). Daraus ergibt sich Strom ein $I_{max}$, welcher nicht überschritten werden soll.
-  * Im Zustand, bei dem sowohl ein merklicher Strom als auch eine merkliche Spannung anliegt, ergibt sich eine maximal erlaubte Leistung $P_{tot}=const.=U\cdot I$. Dies ist in der Ausgangskennlinie eine Hyperbel. Überschreitet der Ausgangsstrom diese Hyperbel, so erwärmt sich das Halbleiterelement so stark, dass durch die ansteigende Eigenleitung, die Leitfähigkeit absinkt, was wiederum zu einem steigenden Strom führt. Dieser Effekt führt zur thermischen Zerstörung der Komponente.
-Daneben darf eine maximale Spannung $U_{max}$ nicht überschritten werden. Diese ist in meist auf die (interne) Durchschlagsfestigkeit des Bauteils zurückzuführen.
-Diese Grenzen sind insbesondere dann wichtig, wenn z.B. ein MOSFET als Schalter genutzt werden soll (Beispiel: <imgref pic8>, unten). In diesem Fall gibt es zwei Zustände:
-  * Schalter ist leitfähig: Es liegt eine eine geringe Spannung $U_{DS}$ an, bei dem ein großer Strom $I_D<I_{max}$ fließt.
-  * Schalter ist nicht leitfähig: Es liegt eine eine hohe Spannung $U_{DS}<U_{max}$ an, bei dem kein Strom fließt.
-Beim Umschalten von "leitfähig" nach "nicht leitfähig" kann dabei - selbst, wenn die einzelnen Strom- und Spannungsgrenzen berücksichtigt werden - der Schalter zerstört werden. In <imgref pic8> ist dieser Fall im unteren Diagramm zu sehen. Der Stromfluss $I_D$ wird zunächst aufrecht erhalten (bzw. sind nur gering), obwohl Spannung $U_{DS}$ ansteigt (blaue Linie). In diesem Fall kann es dazu kommen, dass $P_{tot}$ überschritten wird und der MOSFET wegen thermischer Überlastung zerstört wird.
-Um den Umschaltprozess (insbesondere bei Leistungs-MOSFETs, z.B. für Motortreiber) zu beschleunigen, erzeugen sogenannte **Treiberschaltungen** die Spannung $U_{GS}$. Mit diesen Treiberschaltungen kann die Steuerspannung sehr schnell bereit- und zurückgestellt werden. Dazu müssen für das Auf- und Entladen des Gatekondensator kurzfristig Ströme im Bereich von einigen Ampere bereitgestellt werden.
 <WRAP group>
-<WRAP> <panel type="danger" title="Merke: Maximale Ausgangswerte eines Halbleiterelements"> <WRAP group><WRAP column 7%>{{fa>exclamation?32}}</WRAP><WRAP column 80%>
+<WRAP> <panel type="danger" title="Remember: Maximum output values of a semiconductor element"> <WRAP group><WRAP column 7%>{{fa>exclamation?32}}</WRAP><WRAP column 80%>
-Bei jedem Halbleiterelement sind am Ausgang drei Maximalwerte zu beachten:
+For each semiconductor element, there are three maximum values to consider at the output:
-  * einer maximalen Spannungsgrenze $U_{max}$,
+  * a maximum voltage limit $U_{\rm max}$,
-  * einer maximalen Stromgrenze $I_{max}$,
+  * a maximum current limit $I_{\rm max}$,
-  * einer maximalen Leistungsgrenze $P_{tot}=U \cdot I$
+  * a maximum power limit   $P_{\rm tot}=U \cdot I$
 </WRAP></WRAP></panel> </WRAP>
 ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
-===== 2.8 Anwendungen für Bipolartransistoren  =====
+===== 2.8 Applications for bipolar junction transistors =====
-====Darlington-Transistor====
+==== 2.8.1 Darlington-Transistor====
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0l3BWcMBMcUHYMGZIA4UA2ATmIxAUIosgCgAXEbBFEFPPJwz9zycEAFoU0SpDKRChbABYiKGZBlRohBDLzSZ2QmASTiM5WDi0ATkyXgMVXMpQKoXSQloBnS-cd22HJ-wAzAEMAGzcAU3MQI04wMFYYtkd+MFoAd2iNJjRMzmw8YwZosFsrRJ8UoWxoFD08WXFiBBtiZlYYLDlsNvqwYkgWJBM6DJ0eDFYxpOURrh5HRIcZ9Nzp1d4oFbbfPKsN1IAlVbiErLx+C+j+JEuYVwBzVfzlRMUL2kf4vILwdiv3o5fcDxX6cc7+K7UW6iFZApagnabRjgnxAioCQTVBzNBAmOTaAgTcgdDBdbBgbp4DCQbBoYymDJonJon6pCxAk4I+EpdzgKgKFKlGZOYJhSLsqh9VglNiKJxyETNWjYal8zwgFFWCAAtVS3WEW6Qm7+GFHVE2dVgIwQuXGi4wlX8KY+GQy1H+WgAD18SBY0TUFCQ9mUABEgmYQgBLAB293oAHto4IAMrhegAVwADrQgA 800,500 noborder}}
+The Darlington circuit or the Darlington transistor (as a discrete element) is a simple construction, which makes it possible to control the output voltage $U_{\rm BE}$ with a considerably lower base current $I_\rm B$. In the simulation is the Darlington circuit compared to a simple bipolar junction transistor. Details can be found in [[https://en.wikipedia.org/wiki/Darlington_transistor|Wikipedia under Darlington circuit]].
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0l3BWKsAsYBsAOdAmSYBOdAdkwUkxRBUhCXLoFMBaMMAKABcQBmBHEDkyZeWQcKjgQzHNATpIBYpHR9iCsGWToEKbDxQ8sFHqapg4IACaMAZgEMArgBtO7AE69I59V6o4cKlojFQR2AGc-QUCooRFaWgdncMYPaj1wFCoskQCg8HYAd3SRHjwS3n4C7jR0KJyo2ghmHmgcMARMA0hiHHkyQmRiYhQcU35MAgJTMGJwSxsHFzdio1ze0VyYyCLN6OyMvKhdhqPTiR3VqrjYiQ4AJQqwLKewAQTqWiQPmDCAcwqfAEDTWkh2ALepSqkL2CXYjxhz3MQnAbzBnzo6N+uxhR1xFy4IEwwW84BRPFJTWkrQCCGICAsowsZggMGGoxmpkwpE6ODmFloiycrhx5PKMKBBU8iJeuO2BUiGEENHAdQp+US9mSqWldUIAiVgQ+o1kdPYPGUqqixKirOOCL1BANeoU6JV3zBcnhtt86syGoxHoSXotwTEftqtrB7AAHuICCBfCh0AniAn-FQACL2dzOACWADs-pwAPYF5gAZUYnEcAAd2DRaFhchJerQbqyADrhMDdmRyBRKFRqBQUWbdmA6PSqQzGLpGXs9uDdoXLKDdxctNodLo0Xr9NCYCfQdljIGTaY8QhHpeQFd2YXcB4gHR63yv-1ur5Yr0AtuVAR-1BOFHn-JFE3FNFjW-H4vWKf8+UA8ojh2TwwJeBD5Q4SIPyOXCLkkJIUjSD9ZjqXD5RCHRdnwkRm3EEQOHg8o-SA6F2CAAmi noborder}}
 </WRAP>
-Die Darlington-Schaltung bzw. der Darlington-Transistor (als diskretes Element) ist ein einfacher Aufbau, welcher es ermöglicht mit erheblich geringerem Basisstrom $I_B$ die Ausgangsspannung $U_{BE}$ zu steuern. Rechts ist die Darlington-Schaltung im Vergleich zu einem einfachen Bipolartransistor zu sehen. Details sind in [[https://de.wikipedia.org/wiki/Darlington-Schaltung|Wikipedia unter Darlington-Schaltung]] zu finden.
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+==== 2.8.2 Internal life of an operational amplifier ====
+The operational amplifier as an "almost ideal" differential voltage amplifier represents a central component of electronic circuit technology from the next chapter on. In the chapter [[1_amplifier_basics#feedback|basics to amplifiers - feedback]] an ideal differential voltage amplifier was already used. In the simulation, the core of the differential voltage amplifier is simplified. Accordingly, there is no differential voltage at the input, but a small sinusoidal voltage. This is first applied to the base of the first bipolar junction transistor, which is a high-impedance input amplifier stage. The current $I_\rm C$ regulated by this in turn leads to a base of another bipolar junction transistor and then to the output amplifier stage. In the simulation, this setup achieves a differential gain of about $A_\rm D=10'000'000$. In real differential amplifiers, this is more in the range $A_\rm D ≈100'000$. Details can be found in [[https://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier|Wikipedia under operational amplifier]].
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0lwzFaAmS9IDZIBZIE4MN5sB2bADkQFZIQq7aqBTAWjDACgAXEeeDcCQH9yggbQgtksMPFkYwecuTJkQLeNAx5kpZGEhVyVeHjzZsrUQdoATJgDMAhgFcANl269+IXbRG+uFDqEMgk0EoY5ETkkOzIVMgCGlo6egZGJmYWVuBwIPbO7p48fuAWviTI5djBbOAoSthUTcjI8CRU2ITqMCRg3ULwVIQdisR5do6uHhwAxoESOpXVitUSrOwNyE0t5NhtHV09MHCcAO4r4FhXa1Acl2UDtU-LkBwAlldh1T+8qMEYJwvgQrqD4ADaKdODwIWIQBhamAhMFJAMIthiF08JASEgMIkDCoSHgwORkfsIDYCtNil4wDdkQIwMhrCiJCFsChjBDsGBErgDm0kC0qCM5CR+rgRIhqYUZp5LizrMtlb5IKJ3krWerRKDUJqHgikctEbr7pczQaQPqNRbFjVwDrnva1QyJM6KlrjddaGazd6Au7eFEfd6-mq-gGjf6XlUw0ao7UAtHLuCAX8IVDE-GyhG3jnqlmQ6Ji4GfHnc0FA6GEsJQ2XCw6-n9y8yUXwBNa2+bOw6ayqi7W7QPzZjfiOjQFrdPdPcAEpXK3xhmAkBBflrmBUDiLzMZ+MBKHr2hsejH7e7-7wuHd4LV2AjLo0PDoODvuDnwHQHcAeXXt52iMtB3u8i4sPqQRsDqZQcjQSAfnEW4-hw0rrhQICxHQKJ3P4VAAPpgPhkD4bgSj4agxHQERJEXOokESDcsFGsGTyMuyqFoCEOE6iwGF3vwhHEYRbQ4lR740bAZzCcg+GCfAnGyiymEgRuXrlEJtGiSRpzSbpcQyYR2ByRwABGgjrng64JN42YAB4hMo6h4mwjC0C8tQAM4fAAtgADm4HwOB8TC2AAOp5YVhQAdj5AD29huBFcUOBFTjRVF0VxX5TAAE5OFwHxxdFThJZ5Tj+dARq2nqXbxu8DlsM0vgqCEME4uugQgAAqhwjUsnib4hFs6CIB5IAAKJ9XQJiBFZIxWQk1TjQAgtNJj0O0Ahir8pidXOvUOW0EDwOQu2DcY+21AAytNqCIPwi1hLw8bjSwABq02KPQAy+DZyJXSAYV+Z9R3Cjsvinde423UAA noborder}}
+</WRAP>
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-====Innenleben eines Operationsverstärkers ====
+===== 2.9 Applications for Field-Effect Transistors =====
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+1+0.0003+0.20306040966347483+50+5+50%0At+336+176+368+176+0+1+-2.01313619887474+-3.6924721058539944e-8+100%0At+336+240+368+240+0+-1+27.98686380112526+-3.6924721058539944e-8+100%0At+240+144+272+144+0+-1+1.2984598422375466+-0.7146763566371934+100%0Ac+240+192+272+192+0+1e-11+1.2984598422375466%0Aw+272+160+272+192+0%0Aw+240+144+240+192+0%0Ai+272+272+272+320+0+0.1%0Ai+96+272+96+320+0+0.01%0At+32+176+64+176+0+1+-14.943454907+0.6521087791817841+100%0At+160+176+128+176+0+1+-14.285324152404222+0.5955631771403683+100%0Aw+128+192+128+208+0%0Aw+128+208+96+208+0%0Aw+64+192+64+208+0%0Aw+64+208+96+208+0%0Aw+240+144+128+144+0%0Aw+128+160+128+144+0%0Aw+64+160+64+64+0%0Aw+368+160+368+64+0%0Aw+272+128+272+64+0%0Aw+64+64+272+64+0%0Aw+272+64+368+64+0%0Aw+96+320+272+320+0%0Aw+272+240+272+192+0%0Aw+272+320+368+320+0%0Aw+336+240+272+240+0%0Aw+368+256+368+320+0%0Aw+272+240+272+272+0%0Aw+336+176+336+208+0%0Aw+336+208+336+240+0%0Aw+368+192+368+208+0%0Aw+368+208+432+208+0%0Aw+368+208+368+224+0%0AR+272+64+272+16+0+0+40+15+0+0+0.5%0AR+272+320+272+368+0+0+40+-15+0+0+0.5%0AR+32+176+32+208+0+0+40+0.056545093000000005+0+0+0.5%0AO+432+208+560+208+0%0AR+-96+240+-128+240+0+1+50+0.000001+0+0+0.5%0A403+448+80+576+192+0+35_1_0_4098_20_0.1_0_1%0Aw+-96+240+160+240+0%0Aw+160+240+160+176+0%0A403+-176+128+-48+208+0+36_1_0_12290_0.0001_0.0001_0_2_36_3%0A403+112+80+240+144+0+14_1_0_12290_14.285323643362807_0.0001_0_2_14_3%0Ab+17+49+425+330+0%0Ax+-188+-7+44+50+4+24+Vereinfachtes%5Cs%5C%5CnOperationsverst%C3%A4rker-%5C%5CnModell%0Aw+96+208+96+272+0%0Ax+-145+287+-128+290+4+24+U%0Ax+-127+300+-111+303+4+24+E%0Ax+553+249+569+252+4+24+A%0Ax+535+236+552+239+4+24+U%0Ax+221+382+237+385+4+24+S%0Ax+203+369+227+372+4+24+-V%0Ax+195+14+225+17+4+24+%5CpV%0Ax+222+29+238+32+4+24+S%0A 800,500 noborder}}
+==== 2.9.1 NOT Gate ====
+Just about all consumer electronics products have field-effect transistors at their core. In detail, this is based on [[https://en.wikipedia.org/wiki/CMOS|CMOS technology]] (CMOS: Complementary metal-oxide-semiconductor) is used. The MOSFETs on the ground side and the MOSFETs on the power supply side behave in opposite ways, i.e. complementary. The simulation shows the simplest gate, the NOT gate. Another gate was considered in an introductory way.
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgzCAMB0lwrFWYBsB2AHGgnAFlwIwFoH4BMYiYkIiuE8ApgLREBQAZiAdmSPhhBkyufrkFg+BaIhiQynbr3Dw+w0ZT5gI02bAUBzISP7YUx0fAJ8akNgCUL4SKPVC0NqCAw1ZXmPBsAO7caOYCSnwRdgBu3GSCuGbxieL8tPy+-kiBIW5J5vkoonZ5JrhwTvQ2waHhacThlaV1mTSNKjUhHZqRnVBsZJBoVZVk8E00ogDyAKoAKgS1btSuJtrmLSsogvnNg8MpYoLWiQThIACSAHJsFTr4tKrufPAYJdy4APoEX5BfhHkX3gf2gv3+ZB+3zAXxud0gD1EKDGHhAKEkXiIPz+AIIQJBMHBX0hWJhc0WbAATsdnKIIhtMXA7AR4NgadV2cUvENuEy+Uy2EYIgUaVZPHZHPSXDSyKjbN4svKArVCPVEhjoiq0iLhVyWsLKsKMfrzuzTRVbCrzYbTb0TeZehy7QcRgapj42ulyQoQvSduz9iy2fTUDTUCchO1+fyXa0LZ86YarrcjKdTOY02L-LHVZ6wO9PaI4QAPcBoVzwV2YITI9ImADKAEsALYABwANo2OI3GAATNhAA noborder}}
 </WRAP>
+~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
-Der Operationsverstärker als "fast idealer" Differenzspannungsverstärker stellt ab dem nächsten Kapitel eine zentrale Komponente der elektronischen Schaltungstechnik dar. Im Kapitel [[elektronische_schaltungstechnik:1_grundlagen_zu_verstaerkern#rueckkopplung|Grundlagen zu Verstärkern - Rückkopplung]] wurde bereits ein idealer Differenzspannungsverstärker genutzt. In der Simulation rechts ist der Kern des Differenzspannungsverstärker vereinfacht dargestellt. Dementsprechend ist auch keine Differenzspannung am Eingang zu sehen, sondern eine kleine sinusförmige Spannung. Diese liegt zunächst an der Basis des ersten Bipolartransistor, welche eine hochohmige Eingangsverstärkerstufe darstellt. Der dadurch geregelte Strom $I_C$ führt wiederum auf eine Basis eines weiteren Bipolartransistors und danach auf die Ausgangsverstärkerstufe. In der Simulation erreicht dieser Aufbau eine Differenzverstärkung von etwa $A_D=10'000'000$. In realen Differenzspannungsverstärker liegt dieser eher im Bereich $A_D ≈100'000$. Details sind in [[https://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4rker#Herk%C3%B6mmlicher_Operationsverst%C3%A4rker_(VV-OP)|Wikipedia unter Operationsverstärker]] zu finden.
+==== 2.9.2 Reverse Polarity Protection ====
+Many chips (such as microcontrollers) can be destroyed by an incorrectly polarized power supply. Battery-powered electronics should have an active protection circuit for this. A diode is not practical for the power supply (why?). Instead, a MOSFET can be used, which does not pass negative voltages. Details are well explained on the [[http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/39-Verpolschutz|page of Lothar Miller]].
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0lwrFWAWMA2AHGgTJMBONAdg3kg2RDKqsioFMBaMMAKADMRk5xlLu6hEAGZh4aIhjZWAcy48C2eXVwYoUVgHcRFEEOxElQyFq7I1Q+GCNoNwzFWt7b8NINt0T9tQZshfIGiUnrKOSmBELk6q6iYARiLCdOZc1NhJGgkEtsi2SbbpIQAe-pBK2K7+WP7w+FzgSgCiRQAu9ABOAHYAhgA2ADoAzgDKAK4ADuO9AJ6sJcLwPvBEqYjYbvVOAAoA9r3d7QCWLdNDW+07bQDGLYc7nXNcGOWLVFb+aBCUToedbV19IYAGR23QAJqwEshDFw6ssfMIICYSrgVEQIIixNgMHVvkoABRXHbtdr0G5DbqdMFDX5Eklklr9fqdIbjPYHY7TACUrG4WPIIEYKWxahSdHgAH0wBLIBLuPgMBLJWhoMgZRLsEqJcJeZAxLlKEK1K5POo1dLZfLFcrVerNWqddpULYhHwLB5WO1lLx+Ap8Eo6GA4HBPWFwJEw8ZwCGwTpKEEuOhApQlGD6OxuqNei1TMJdAm85RjKZncnEy6PcN-DD9NxnOoIBneoN6OppAAlfx1jAqAU92LyGimmDwVid7B1ljlAVTgd1xiSWISVhAAt noborder}}
+</WRAP>
 ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
-===== 2.8 Anwendungen für Feldeffekttransistoren =====
+==== 2.9.3 Level Converter ====
+During electronics development, several integrated circuits (e.g. intelligent light sensor, microcontroller, intelligent LED) may require different voltage levels. This can lead to problems especially during data exchange if logic High has to be in a certain voltage range. This problem can be solved by a level converter.
+The level converter (also logic level converter, level shifter) enables the bidirectional connection of digital connections of different voltage levels, e.g. $5 ~\rm V$ to $3.3 ~\rm V$.
-==== NOT Gatter ====
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0l3BWK0wCYDMYBsGsBYM8B2SPATiJCIiQUgCgAzEdUkVVPFt1BLF1OGhIYkVPXRdGAdwAmAJwD2ABwA6ARxgAOSP0hDqaOGDJgieBJLDoApgFpK+wQ1nstWtx-Son7liBkFFQ1tXXppASc+SM8ocNjeflQ-ZI8GCNT2aI4uRLiMziz+MyTo9Ji89C1csviqmv48fCK4+RZqlvrwIj1weDh6NpyW4ZKoPv76ACV2QrHRvC59fTx9dGh0ceXhafauMa6wRa2QVZARLZ2C-Z7uG706tgOeQoYAGRBmnzT2SB+IRgAQwANgBnGwsDZxACy51ueXwUV66yIEiwHmGeUxRGccXQ6L2nQ6qBxW3osK+ZRaTh2AEkQGR+N59IzYttaPFWSZBHgPNz8qc+WQeV58QLeSwxaz0GLytKpUyfALWZkVaTymgMdF5rUIprfnzktT6B8JTLkbLxkCwRD1pt3udjubPmdnfoASDwZD7fEmrk-qdKQ8IghjplQ7l1fEI5L+DHmeL5XGnbLfVzhackwKY-zyMUMwx6fGlTHMuzzr6vgGEGgDeKg+da3kHQh4QHEXX3QFPRCRPQwAgyOAjd8XZ3fhN+pMB0OG-rmxOwFOp-3B43BHlW6Vekql8v4Kuh1u6zWNwGnO79weAB4gByCdAIPkmFhYCD7DwAEQAlvIbABjAAXb9FAAO1UUEACFv0AiCAAoAAkNAAeQAV0A5R0IASnoW9eS8NcsCIId8R5cAv1-ADgLAiDoNg0FEJQ9DMMAnDbwcJxvD6dhH1OciQDQjD0NomDcLvUkSUoOwkh0PiwA8WlQJYkTALEt8kEkz4tAgZIVn4xTlKg0Tb0HIcOA8IizMwOSPEEwy6PoAAjU4JQHCASHfF8GHY0MXOKPBNkWIcPxAaFv3-JR-zAwClGBYEbHkeCaNBO0ADU2NOSwXMoLA6EyvT5NC8LIui2L4sShjkoQWB0qc8ShwHd1zFOQqGCAA noborder}}
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+1+0.000005+10.20027730826997+63+5+43%0Af+144+448+176+448+32+1.5+0.02%0Af+144+352+176+352+33+1.5+0.02%0Ar+128+400+48+400+0+1000%0Ag+176+496+176+512+0%0AR+176+304+176+272+0+0+80+5+0+0+0.5%0Aw+128+448+144+448+0%0Av+48+496+48+400+4+5+40+5+0+0+0.33%0Aw+176+496+48+496+0%0Aw+176+496+176+464+0%0Aw+176+400+176+432+0%0Aw+128+448+128+400+0%0Aw+128+400+128+352+0%0Aw+128+352+144+352+0%0A207+176+400+208+400+4+OUT%0Aw+176+304+176+336+0%0Aw+176+368+176+400+0%0A207+48+400+16+400+4+IN%0A403+48+560+176+592+0+16_64_0_4098_5_0.1_0_2_16_3%0A403+48+608+176+640+0+13_64_0_4098_5_0.1_0_2_13_3%0Ax+18+581+30+584+4+12+IN%0Ax+5+626+30+629+4+12+OUT%0A 500,600 noborder}}
 </WRAP>
-So gut wie alle Consumer-Elektronik Produkte sind im Kern aus Feldeffekttransistoren aufgebaut. In Detail wird dabei auf die [[https://de.wikipedia.org/wiki/Complementary_metal-oxide-semiconductor|CMOS-Technologie]] (CMOS: Complementary metal-oxide-semiconductor) zurückgegriffen. Dabei verhalten sich die MOSFETs auf der Seite zu Masse und die MOSFETs auf der Seite zur Spannungsversorgung gerade gegensätzlich, also komplementär. In der Simulation rechts ist das einfachste Gatter, das NOT-Gatter, dargestellt. Ein weiteres Gatter wurde einführend betrachtet.
+For the level converter, any N-channel enhancement MOSFET whose threshold voltage is below $1.8...2.0 ~\rm V$ can be used. This limit is due to the minimum logic level of $2.0 ~\rm V$ for logic high. For simplicity, "logic level enhancement mode MOSFET" is used, which is just optimized for the logic voltage of $3.3 ~\rm V$.
+The way it works is well explained on [[https://en.wikipedia.org/wiki/Level_shifter|Wikipedia]] and can be derived with simulation.
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-==== Verpolschutz ====
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0lwrFa8Ds8AsA2SAmTLtJUBmEeSMsyAKADMR05x10GmBOTEY0sZJHNQDmbCmHY5RIHJAAcUagHdus1p2kpJ6mspbz18MFq41imeYeNlsIbQoBKGqzhxqT0tpQrfk1M-JxNWy5AyUxWb2EyI3ACaMkZeRoAI25iCnR5dHJpdIVU8S4sbkgQvJoAD2lcaXgudID4dgZwSQBRCoAXAFMAJwA7boAdAGcANT6RgHteoQBXfqFqKuJ4RpQGPGkbVhiJ3oAHKYAbEYBjAAs5zoAvZYZZBLWydgg8CF3JAEt+noG+0b7ZK9ACGc0ufWoqXQQXQzVQAWIEEq1QogTe7FYOFkzU+IAAFL0vpdOl8hKMFgATUa0EGnS5DIb9UYANz6R2OnQAlNRGKREiAALSZaSyLJJECYAD6YClkCljHYsil8ClmGg6DlUpwaqlxF5kFIWFYwosNm8DBlWsVytV6s18p1mv1ujAXHUemCCl6UjALF9Eig4DgcGoPsssS4EbsYFDlJUrHCDDdkqxIEp3Vpc05SgTqbz2lz6BTSeL7pM1CAA 600,500 noborder}}
+==== 2.9.4 Voltage Doubler/Inverter ====
+As a power supply for electronics, $5 ~\rm V$ or $3.3 ~\rm V$ is often used. In the following chapter, we will see that a bipolar power supply is often used for operational amplifier circuits. To be able to generate $-5 ~\rm V$ at low currents from a $5 ~\rm V$ supply, [[https://en.wikipedia.org/wiki/Charge_pump|charge pumps]] are often used. One such can be seen in the simulation. In the oscilloscope (in the simulation below), the voltage $U_{\rm C1}$ is displayed at the input capacitor $C1$ and $U_{\rm C2}$ at the storage capacitor C1. This circuit can be found, for example, in IC [[https://www.renesas.com/eu/en/www/doc/datasheet/icl7660.pdf|ICL7660]] (Renesas), [[https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmc7660.pdf|LMC7660]] (TI), [[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21465C.pdf|TC7660]] (Microchip) integrated. Details on how it works can be found in [[https://www.youtube.com/watch?v=LYKGuc6ibe0&ab_channel=tanzawalab|this video]], for example.
+<WRAP> {{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0l3EaQGwA4DsAmVBOT6MdIctMQBmHEMgVkhBoFMBaMMAKACUQAWMZcOgE9U9MEKiSe9ctHKT6MGuwDG4MGQ2p1ZTJG2LY8CJmhFMmNiNQ09ycpBpQjHbuXIDRFD720mQyJg8ODhmIeERVE6KzsoA7hRo1NK8-MmK7Alsuvo61EFQmXnZxdiFCR5+EnwC4gKQRZWCAk1a5YlVLUl6BkXYfhoUkDx5DQn9+SMOIxYjDWo0PCM4AosjYEsKRggMYWD6i+RC2GCoBi7sAOYMmxsja+DIMQ0ATiDowyAr7593knTwK4-dabD7rJ4KIolaESEpjZp5WajPoFJF1SbtdFowZIhoABwCuW+Tz8t0h1xJ4E2lP4zyKIno3we33hzNWeC+9SKNA5xKJXISlOJWE57WQIu+YNF8PwmhxZ2R4xFSImuMaSW+DOlXFSAiC9C1+oUvGeW2UACNqPYrSb6Nh5DLUajlQVHescSK4ewAB7UdBTYgUEgUQbrbQANwA9gAbAAuAENLowADoAZwAJpGAK7m6OMF7sAnomF6gqIQpF2GDLFlyG+ujyDROWy1MphkAAYUwPveEHE8hw62q4G0HY4vuQyCoGnQAQ5YAcvBHIE4ABkezxKIJ5DxAgj2wBVce8LeYI68PdGw-d2lDGYFJq46jgeCvwG36Z5VqDO0vt+vxofDADl3D1XIGmkeRbD8ARkBoTwYmAgB9MAkMgJDpBwVAkPQMw0DQ7ZUKI9g9FnUCQC8T8vBGDtVwAaUAhDvAEFkSMgMigJAoCIRo+j2EjCgnHLTC-EMctGyoMRJPYIA noborder}}
 </WRAP>
-Viele Chips (wie z.B. Microcontroller) können durch eine falsch gepolte Spannungsversorgung zerstört werden. Eine batteriebetriebene Elektronik sollte dafür eine aktive Schutzschaltung haben. Eine Diode ist bei der Spannungsversorgung nicht praktikabel (warum?). Stattdessen kann ein MOSFET genutzt werden, der negative Spannungen nicht durchlässt. Details sind auf der [[http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/39-Verpolschutz|Seite von Lothar Miller]] gut erklärt.
+Study Questions:
+  * In which state is the voltage $U_{\rm C1}$ equal to $1 ~\rm V$?
+  * In which state is the difference between the voltages $U_{\rm C2}-U_{\rm C1}$ across the two capacitors equal to $1 ~\rm V$?
+  * What happens if the voltage sources for $0 ~\rm V$ and $1 ~\rm V$ are reversed?
+  * How can this circuit be implemented with diodes instead of changeover switches?
 ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
-==== Pegelwandler ====
+==== 2.9.5 Voltage Inverter in the Microcontroller ====
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCAMB0l3BWK0wCYDMYBsGsBYM8B2SPATiJCIiQUgCgAzEdUkVVPFt1BLF1OGhIYkVPXRdGAdwAmAJwD2ABwA6ARxgAOSP0hDqaOGDJgieBJLDoApgFpK+wQ1nstWtx-Son7liBkFFQ1tXXppASc+SM8ocNjeflQ-ZI8GCNT2aI4uRLiMziz+MyTo9Ji89C1csviqmv48fCK4+RZqlvrwIj1weDh6NpyW4ZKoPv76ACV2QrHRvC59fTx9dGh0ceXhafauMa6wRa2QVZARLZ2C-Z7uG706tgOeQoYAGRBmnzT2SB+IRgAQwANgBnGwsDZxACy51ueXwUV66yIEiwHmGeUxRGccXQ6L2nQ6qBxW3osK+ZRaTh2AEkQGR+N59IzYttaPFWSZBHgPNz8qc+WQeV58QLeSwxaz0GLytKpUyfALWZkVaTymgMdF5rUIprfnzktT6B8JTLkbLxkCwRD1pt3udjubPmdnfoASDwZD7fEmrk-qdKQ8IghjplQ7l1fEI5L+DHmeL5XGnbLfVzhackwKY-zyMUMwx6fGlTHMuzzr6vgGEGgDeKg+da3kHQh4QHEXX3QFPRCRPQwAgyOAjd8XZ3fhN+pMB0OG-rmxOwFOp-3B43BHlW6Vekql8v4Kuh1u6zWNwGnO79weAB4gByCdAIPkmFhYCD7DwAEQAlvIbABjAAXb9FAAO1UUEACFv0AiCAAoAAkNAAeQAV0A5R0IASnoW9eS8NcsCIId8R5cAv1-ADgLAiDoNg0FEJQ9DMMAnDbwcJxvD6dhH1OciQDQjD0NomDcLvUkSUoOwkh0PiwA8WlQJYkTALEt8kEkz4tAgZIVn4xTlKg0Tb0HIcOA8IizMwOSPEEwy6PoAAjU4JQHCASHfF8GHY0MXOKPBNkWIcPxAaFv3-JR-zAwClGBYEbHkeCaNBO0ADU2NOSwXMoLA6EyvT5NC8LIui2L4sShjkoQWB0qc8ShwHd1zFOQqGCAA 800,400 noborder}}
+In some microcontrollers, a negative voltage is required internally (e.g. for operational amplifiers).
+Since this voltage is not supplied externally, the microcontroller must provide it via an internal circuit.
+The simulation shows a circuit that can be integrated into a microcontroller in this way. The ring oscillator generates a high-frequency clock signal, which drives an inverter stage (logical NOT gate). The charge can then be shoveled down via the two capacitors in such a way that the capacitor provides a negative voltage at the output. For more information, see [[https://en.wikipedia.org/wiki/Charge_pump|Wikipedia under charge pump]] and "[[http://www.righto.com/2018/08/inside-die-of-intels-8087-coprocessor.html|Inside the 8087's substrate bias circuit]]".
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=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-S0nCy8UKKXKknlsmiaOyzlisIhAGcYaGXCbweAQOwAIYAGyT0CVhJajThoc1sDAaCFgRYFB2SEIhHEu2JZsVCiaS3D5ZbbtKJY+jFlw7dMapqtGqtyzRruDq9l4om+jAwAH0wOukOvmvByOvINugtv17hd+u0Kw535F2B+5MhpoWJvT3uD-AUAZHElj1ud+eL5Xje4imCABo0E0mjcK+O7voeZr3iQf6nueMFXgARn4uA1tylhVt4FBtOmk4uIGuQAB5qLQGCWEhNHCAkAhkgAlgAdnIAA6SYAPZJlMLF5nmOYAC48WSrBYYaEDcrwRHSloVGJGutHmBoTiMbCyAAGqwJA2ncecrEAG7QBJVGQHstCQI0PK0TWTEgAADmSPEidAUwiSxPFsdxAlklMACuLEiawVHSpYVA0JsDkmrQWkACIAMKwIFbFTDxgVOXm7FyJJUDwKs0rCOomQnGFQpWXsqzkA4Vk2iASYsQAtoFOVme53EAMoiQAb2SaV5UAA noborder}}
 </WRAP>
-Bei der Elektronikentwicklung kann es vorkommen, dass mehrere integrierte Schaltkreise (z.B. intelligenter Lichtsensor, Mikrocontroller, intelligente LED) unterschiedliche Spannungsniveaus benötigen. Dies kann insbesondere beim Datenaustausch zu Problemen führen, wenn logic High in einem bestimmte Spannungsbereich liegen muss. Dieses Problem kann ein Pegelwandler lösen.
+~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
-Der Pegelwandler (auch Logic Level Converter, Level Shifter) ermöglicht die bidirektionale Verbindung von digitalen Anschlüssen unterschiedlicher Spannungsniveaus, z.B. 5 V auf 3,3 V.
-Für den Levelconverter kann jeder n-Kanal enhancement MOSFET genutzt werden, dessen Schwellspannung unter $1,8…2,0 V$ liegt. Diese Grenze ist auf den Mindestlogikpegel von $2,0 V$ für logisch High zurückzuführen. Der Einfachheit halber werden "logic level enhancement mode MOSFET" eingesetzt, welche gerade für die Logikspannung von $3,3V$ optimiert sind.
+==== 2.9.6 H-Bridge ====
-Die Funktionsweise ist auf [[https://de.wikipedia.org/wiki/Pegelumsetzer|Wikipedia]] gut erklärt und kann sich mit der Simulation hergeleitet werden.
+In many applications, current and voltage must be controlled independently of each other. This is the case, for example, with a motor (= ohmic-inductive load). There, the current is essentially proportional to the torque and the voltage to the speed. If voltage and current are to be output bipolar (or in the application: Torque and speed are to be controlled in both directions), a four-quadrant controller made of transistors is suitable. In modern integrated circuits, these are made of MOSFETs, directly equipped with the MOSFET driver, and several four-quadrant controllers can be found next to each other (e.g. the stepper motor driver [[http://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv8835.pdf#page=9|DRV8835]]).
+Details can be found on [[https://en.wikipedia.org/wiki/H-bridge|Wikipedia under four-quadrant actuators]].
-~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=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-HE45kA4pJ0oCBMwnYNhvGahAkUwGQxHi9Zip5RstXIJvGBMKxHB2u8g5AomiWyzMe5XgqOa2Go3GDsnR2tOyN+40lEOk1XR51zouMzOG6MXt2jrqD+1uwrSXrD6eBliOfTeJAmHdNTFlaKV+8IExzhgKEJuBdN54EgBgwPAiDlRdNxQLhGERDVaxYPKZDRV4ABlO0HV0J8EJcZI8WucNUFkZQkPueJEnuaVyJEMpcLZVw1HbEQNzhFJ8EQTJuMMaBlEwnNxG8XNtkI4jSN4AAPcASCEb9MD7EpdBKeIAFIpJk9g+w7PsZmU3QcnUgB7JNkiMWBflSJNoHw3RgnOWQIGQXgTNEMydgobB8Eab8Ujc5ygA noborder}}
+</WRAP>
+==== 2.9.7 MOSFET as Substitution for Diodes ====
-==== Spannungsverdoppler/-invertierer ====
+Diodes always show a voltage drop given by the forward voltage. To circumvent this issue a MOSFET can be used. \\
+The following example shows one way to cope with it, when two voltage sources should be combined (e.g. a rechargeable battery with $U_1$ and a nonrechargable buffer battery with $U_2$):
+  * The __left side__ depicts a way to combine the two voltages with diodes. The higher voltages will be led through the diode. The diode of the lower voltage is set in reverse, since the cathode of the diode is on the higher voltage \\ The disadvantages of this setup are:
+    * One cannot choose the voltage on the output. It will be always given by the highest voltage.
+    * There will always be the voltage drop of the diode
+  * The __right side__ shows an alternative way to connect both voltages: the antiparallel p-MOSFETs avoid conductivity via the due to the body diode. The MOSFET pair is driven by a BJT in order to have a digital signal as an input. \\ The disadvantages of this setup are:
+    * It is possible to short-circuit both voltages
+    * It is more complex
+Often the rightside one can be simplified and the disadvantages can be avoided by using integrated circuits (like [[https://www.analog.com/en/products/ltc4417.html|LTC4417]])
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+1+0.0000020000000000000003+0.3638846248353525+43+2+50%0AR+416+176+480+176+0+0+40+1+0+0+0.5%0Ac+112+128+112+208+0+0.00001+0.5541124934439857%0AR+336+96+336+48+1+2+10000+5+0+0+0.5%0Aw+368+240+416+240+0%0Aw+112+208+112+224+0%0Aw+112+112+112+128+0%0Aw+368+176+416+176+0%0Aw+368+176+368+128+0%0Aw+368+176+368+208+0%0Aw+288+112+304+112+0%0Aw+288+224+304+224+0%0Ac+544+96+544+144+0+0.00001+1.2750510362212901%0Ag+544+144+544+160+0%0Ar+704+96+704+144+0+50000%0Ag+704+144+704+160+0%0Aw+112+112+176+112+0%0Aw+176+112+224+112+0%0Aw+224+224+176+224+0%0Aw+176+224+112+224+0%0Ap+608+96+608+144+1+0%0Ag+608+144+608+160+0%0Aw+480+96+544+96+0%0Aw+544+96+592+96+0%0Aw+592+96+608+96+0%0Aw+608+96+672+96+0%0Aw+672+96+704+96+0%0Aw+272+112+288+112+0%0Aw+272+224+288+224+0%0Aw+368+96+480+96+0%0AR+416+240+480+240+0+0+40+0+0+0+0.5%0Ab+263+26+400+283+0%0Aw+224+224+272+224+0%0Aw+224+112+272+112+0%0Ax+274+309+397+312+4+18+voltage%5Csdoubler%0Ap+176+112+176+224+1+0%0Ap+176+112+176+224+1+0%0Ax+503+125+526+128+4+18+C2%0Ax+71+173+94+176+4+18+C1%0Ax+669+127+692+130+4+18+RL%0Ax+439+173+462+176+4+18+U1%0Ax+439+237+462+240+4+18+U2%0A160+304+224+368+224+0+20+10000000000%0A160+304+112+368+112+0+20+10000000000%0Aw+336+96+304+96+0%0Aw+304+96+304+208+0%0Aw+304+208+336+208+0%0A403+528+16+656+80+0+19_1_0_4098_1.992_0.0001_1_1%0Ao+35+1+0+4098+2.5+0.1+0+3+19+0+19+0%0A 800,400 noborder}}
+<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgzCAMB0l3AWAnC1b0DYQEYYCY48B2IsSADjwxSJAFZIdGEI6BTAWm2wCgAzcHhx5ygkAlFgI2aHSjQ8-EEizYRyrBPHYcs+YoDuYtaJXDRkHka1byzC1Zxrxo7BntRHbj3jwIXngBOIL7+WqE4CP6MuHA8AOYhfpH+EdhEWIyWwRzJ5KK5-iZQTHFGXGCaBWo+PAAuIBxa2FGNyS3ROPJ0GEShYETYSNhgQ0jyGHR0blQ92JTuzrEgACZsfACGAK4ANnUJbUXuhzgZJZZGYELFheZBjWYdjc2tMfCWADIPqq1c6k8xECbHYAZzY9E8Rm8AWhEQuOGOaWccJ4ACVnnZwOR-BxpkIwNjzuJGHIst00RjGGA6EJcc5qUIyQg3kSYHQeCtGnQzlpcepwqt1ts9hyuWcInzRBEhGtNrt9uUaVLkpKAvCIuF8mqeAAHEJazWuVoQLIHERG1Ja9KZTyJJpwFLPB3W866p0ee0xY2u8oIDBhArMjyWO1+oq-MOnG3ZZ7+gJNOMA0rw1W8yNaSwEWhNTEM55aPP+ACqvCzlKxOKikkJxcUZY4GGSvMmVXEIBLPHrjdSKpbSTC7brkGzIywEvmPYHRaHI8q8ZdNnbpeHJy1tzjxbUABoALYbAAenZXtyoOOSfmYS7wu4PPC+HDMV0Yf0kBCJwLBEJjD6wT4xgjJWIyjEMgz38UDbROKQsFuPNTQaHMAKgt9AQfaAWDoOxBl6XoaVIZRZGpLC3DIMBkDwdgOFcB1ZWFBVGlHfsGLfaUeByc841gyBOiAxxwjyRgUUufFuI0cBRMsARH1EswNR0GRSQUJQrnE8ChAiKRdEUmcQKQIQ4zAPS2xLa890Pes3HEFUbCbQcjxHX8jMQwyhE3RwVIQZIVJczxOS4TQvNc89BTlEU-MsnzvKMmUhXlHgACNnlknErnGXxGR4fcMSlBBswwkIGDbZIPgAew2FZMpCbgQmQEI4wo1yapAUryoSkJIAgKhwCIQTkhTbt43cURwkcBtz17CgmMMZiPEsjNRpqJjLJRRKG0gdScQYWgKOiNquGqrqhlc+byiGpjcXFPrRrO3luVbSwsrWy1n2QCBRkvZIAAUSoMNhAgAHX+gA7AAiAB5VEQf+kEAHENjqNhKofYaiCOMISCK-wAGUDAASzqABjAALDZ4p2Nhoe+36AZBABJIGdS2OoQR4AkcFEAAxHQyTfLgl1Z1xaC5oleZ0acBZCcZhbeGXnx0FqVmh1E2BBXGQTqErAglrBpfoWWQhAf7LCAA noborder}}
 </WRAP>
-Als Energieversorgung für Elektronik wird häufig $5V$ oder $3,3V$ verwendet. Im folgenden Kapitel werden wir sehen, dass für Operationsverstärkerschaltungen häufig eine bipolare Spannungsversorgung genutzt wird. Um aus einer Versorgung mit $5V$ auch $-5V$ bei geringen Strömen erzeugen zu können, werden häufig [[https://de.wikipedia.org/wiki/Ladungspumpe#Spannungsverdopplung|Ladungspumpen]] genutzt. Eine solche ist rechts in der Simulation zu sehen. Im Oszilloskop (in der Simulation unten) wird die Spannung $U_{C1}$ am Eingangskondensator C1 und $U_{C2}$ am Speicherkondensator C1 angezeigt. Diese Schaltung ist z.B. im IC [[https://www.renesas.com/eu/en/www/doc/datasheet/icl7660.pdf|ICL7660]] (Renesas), [[https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmc7660.pdf|LMC7660]] (TI), [[http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21465C.pdf|TC7660]] (Microchip) integriert. Details zur Funktionsweise sind z.B. in [[https://www.youtube.com/watch?v=85CCafHIbA4|diesem Video]] zu finden.
-Lernfragen:
+==== 2.9.8 Other MOSFET Applications====
-  * In welchem Zustand ist die Spannung $U_{C1}$ gleich $1 V$? \\ In welchem Zustand ist die Differenz der Spannungen $U_{C2}-U_{C1}$ an den beiden Kondensatoren gleich $1V$?
+MOSFETs are not only used for pure switching of currents. Further applications are also:
-  * Was passiert, wenn die Spannungsquellen für $0V$ und $1V$ vertauscht werden?
+  - as a display element in TFT screens ({{https://en.wikipedia.org/wiki/Floating-gate_MOSFET|TFT ... Thin Film Transistor}}).
-  * Wie lässt sich diese Schaltung statt mit Wechselschaltern mit Dioden realisieren?
+  - as memory element e.g. in SD cards {{https://en.wikipedia.org/wiki/Floating-gate_MOSFET|Floating Gate Transistor}}, or also new approaches, like {{https://en.wikipedia.org/wiki/Ferroelectric_RAM|Ferroelectric_Random_Access_Memory}})
+  - as an integrated "upstream" element for power bipolar junction transistors, especially in the {{https://en.wikipedia.org/wiki/Insulated-gate_bipolar_transistor|Bipolar_transistor_with_insulated_gate_electrode}} (IGBT)
+  - as a chemical sensor for various materials (see {{https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_field-effect_transistor|Chemical_sensitive_field_effect_transistor}})
+  - as a link between photonics/optoelectronics and classical electronics
 ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
-==== Spannungsinvertierer im Mikrocontroller ====
+====== Exercises ======
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+1+5e-9+0.34903429574618416+49+5+50%0Af+320+304+368+304+60+0.6+0.02%0Ag+368+320+368+352+0%0AR+368+96+368+48+0+0+40+5+0+0+0.5%0AR+16+144+16+128+1+2+200+2.5+2.5+3.14159+0.48%0Aw+112+144+272+144+0%0Aw+272+144+320+144+0%0Aw+368+96+368+128+0%0Aw+368+160+368+224+0%0Aw+560+80+640+80+0%0Aw+368+224+368+288+0%0Aw+208+240+208+304+0%0Aw+208+304+320+304+0%0Ac+368+224+560+224+0+1e-7+3.1445354210587055%0Ad+560+224+560+288+2+1N4148%0Ad+560+80+560+224+2+1N4148%0Ag+560+288+560+352+0%0AI+16+240+112+240+0+0.5+5%0AI+112+240+208+240+0+0.5+5%0AI+128+336+64+336+0+0.5+5%0Ar+192+336+128+336+0+1%0Ar+64+336+16+336+0+1%0Ac+16+384+16+336+0+1e-7+-2.924755783747203%0Ac+128+336+128+384+0+1e-7+2.990632024739919%0Ag+128+384+128+400+0%0Ag+16+384+16+400+0%0Aw+208+336+208+304+0%0Aw+16+336+16+240+0%0Af+320+144+368+144+60+0.6+0.02%0Aw+112+144+112+240+0%0As+16+144+16+192+0+1+false%0Ac+640+80+640+144+0+1e-13+-3.111842077602136%0Ag+640+144+640+176+0%0A368+640+80+720+80+0+0%0Aw+192+336+208+336+0%0A403+256+160+304+224+0+4_1_0_4098_5_0.1_0_2_4_3%0A403+256+176+304+304+0+11_1_0_4098_9.961472_0.1_0_2_11_3%0A403+608+0+736+64+0+32_1_0_4098_5.0176_0.1_0_2_32_3%0Ab+223+385+-10+218+0%0Aw+16+192+16+240+0%0Ax+35+445+191+448+4+24+Ring%5CsOszillator%0Ab+391+380+318+37+0%0Ax+270+445+417+448+4+24+0V-5V-Treiber%0Ax+510+450+687+453+4+24+Klemmschaltung%0Ax+375+416+551+419+4+24+DC-Entkopplung%0Ab+597+378+524+35+0%0Ax+-10+107+86+110+4+12+simulierte%5CsSt%C3%B6rung%0A 800,500 noborder}}
+<panel type="info" title="Exercise 2.8.1 Current/Voltage/Power limitations"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+Imagine you work at the company "mechatronics and robotics" and you try to build an IoT device for vehicles. \\
+This device shall use the power of the $12 ~\rm V$-battery of the vehicle to send regular information over Wifi. The Wifi IC needs $3.3 ~\rm V$ supply voltage and drains up to $800 ~\rm mA$ when sending signals.
+To get the supply voltage a linear regulator shall be used. In detail, you want to use the LM317 regulator. A linear regulator acts as a regulated shunt resistor, which regulates its voltage drop to have a fixed output value. The output value can be regulated with a voltage divider.
+  - Investigate the [[https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm317.pdf|LM317 datasheet]] in order to find out, whether the LM317 is suitable for the operating conditions:
+    - input voltage  $V_{\rm I,max}=14  ~\rm V$,
+    - output voltage $V_{\rm O}    =3.3 ~\rm V$ and
+    - output current $I_{\rm O}    =0.8 ~\rm A$.
+  - When the linear regulator acts as a shunt resistor, how can the power loss $P_{\rm loss}$ be calculated?
+  - With the power loss $P_{\rm loss}$ the temperature of the IC will rise. The power loss takes place within the junction. This creates a temperature drop $T_{\rm Jx}$ between the junction and surrounding. The IC will get soldered onto a PCB, and therefore the temperature drop $T_{\rm JB}$ between junction and board is most important. These temperature drop can be calculated by: $\Delta T_{\rm JB}= T_{\rm J} - T_{\rm B} =R_{\theta \rm JB}\cdot P_{\rm loss}$, where $R_{\theta \rm JB}$ is the junction-to-board thermal resistance.
+    - Search for the thermal information of the LM317 in the datasheet and calculate the maximum temperatures of the junction $T_{\rm J}$, when the temperature of the board $T_{\rm B}$ is $30 ~\rm °C$.
+    - Which package of the IC can be used, when the operating virtual junction temperature $T_\rm J$ in the recommended operating conditions shall not be exceeded?
+</WRAP></WRAP></panel>
+<panel type="info" title="Exercise 2.10.1 beta factor on BJT"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+  - A bipolar junction transistor shows with a load the collector current $I_\rm C = 398 ~\rm mA$ and the base current $I_\rm B= 2 ~\rm mA$. What is the value of the current gain $\beta$?
+  - A quite common BJT is the BC847, which can be bought from multiple suppliers. Given the datasheet from {{circuit_design:bc847_ser.pdf|BC847 - Nexperia}}, what is the needed base current $I_\rm B$, when a collector current of $I_\rm C=2 ~\rm mA$ shall be driven? Calculate $I_\rm B$ for all 3 groups of BC847 transistors in the datasheet.
+</WRAP></WRAP></panel>
+<panel type="info" title="Exercise 2.10.2 Voltage calculation"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+Given is the circuit shown in the simulation below.
+  - For the first situation the base current is given with $I_ \rm B=50 ~\rm µA$, and the current gain $\beta=150$. \\ Calculate the voltage drop $U_\rm L$ on the load $R_\rm L$ and $U_{\rm CE}$.
+  - For the second situation, the base current of $I_\rm B=250 ~\rm µA$ is needed.
+    - In order to do so: calculate first $U_{\rm BE}$ of the first situation. $U_{\rm BE}$ is assumed to be constant.
+    - Calculate the correct value of $R$.
+    - Run the simulation and set $R$ to the calculated value. Try to measure $\beta$. Why is it not $150$ anymore?
+<WRAP>
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&hideSidebar=true&ctz=CQAgjCAMB0l3BWcMBMcUHYMGZIA4UA2ATmIxAUgpABZsKBTAWjDACgA3cQqlGqsDxB4qo2lSRiYCNgHduVESBR9houcowo1IbHho7IbAE679OvQbA0DVbDzYAXXQm1hi2y+A9RwvgZQgACYMAGYAhgCuADaOGoK8-GYGfOryXqnJyvhQbNgYdmjenq7FfmnKqu6eRdW5pioGSo0KvngFNBgaLc1ahmwA5q2ZCcoIhP55hHhZYBgTNILg85P2My11aDN16gAetJjgRTZWKPQpBgBKbPs2SGC4tAj32OfgMwAyNyA4yxB49wwBisMwAyt8ENtCG5sG5CEgLiAAKoAHQAziiAI7ohAANW+sPoc082EBCPeIAAQgSloJ6LC4QtlAYAJLdKo+DZCIz7FAIchgM6aU5M1TXfJ2czWAxeOYTCDqIA noborder}}
 </WRAP>
-In manchen Mikrocontrollern wird intern eine negative Spannung (z.B. für Operationsverstärker) benötigt.
+</WRAP></WRAP></panel>
-Da diese Spannung nicht von außen zugeführt wird, muss der Mikrocontroller diese über eine interne Schaltung bereitstellen.
-In der Simulation rechts ist eine Schaltung dargestellt, die so in einen Mikrocontroller integrierbar ist. Der Ringoszillator generiert dabei eine hochfrequentes Taktsignal, welches eine Inverterstufe (logisches NOT-Gatter) ansteuert. Über die beiden Kondensatoren kann dann die Ladung so heruntergeschaufelt werden, dass der Kondensator am Ausgang eine negative Spannung bereitstellt. Weiterführende Informationen sind in [[https://de.wikipedia.org/wiki/Ladungspumpe#Spannungsinvertierung|Wikipedia unter Ladungspumpe]] und unter "[[http://www.righto.com/2018/08/inside-die-of-intels-8087-coprocessor.html|Inside the 8087's substrate bias circuit]]" zu finden.
+<panel type="info" title="Exercise 2.10.3 Low Side Switch and High Side Switch"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
-~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
+Given is the circuit shown in the simulation below. The transistor is called either a "High Side Switch" or a "Low Side Switch", depending on the voltage which is directly connected to it. In the depicted circuits each transistor drives a load resistor of $10 ~\Omega$. The input to the base/gate is a logic signal with $0 ~\rm V$ and $5 ~\rm V$ as a voltage level.
-==== Vierquadrantensteller ====
+  - Explain the advantages of the MOSFET compared to the BJT based on this application.
+  - Change the voltage $VCC$ from $5 ~\rm V$ to $15 ~\rm V$, with the switch on the lower left corner. Are the transistors still able to switch in all configurations?
+  - How can the problem be solved? Try to combine the BJT low-side switch as a driver with the FET high-side switch.
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&ctz=CQAgjCBMCmC0DsIAMA6SA2J8DMAWek8Y2SAnBvIgKxIhV1IBQAZlFelASCbp5MuBT1USSIwBK3JLzCYpMsP1q1ctYQNRVGAd3nhyeyJF5NdPKMcPtkjAOaGAHA73ZsHJpMhPu-Y7Wz8EIFIISFQQuHqqLiMbs7mRrx+FiY2AJJQ3gHcbj4aKKJ0sejO7LSJIOiqKRp2dHJepXKu7jr15ZZlbK26XWAGXRUe7eByfYoaINVRyEIsdAaE-INctGARImIANlNhFbi4zkOzIfywm4RuuIpU8Og0B2BaAE5ThzVUE8dgjAAmORxGgDulAQL9oMwAIYAVy2ABc-nQvPplsjZOUwRCYfDEVRkUC8UdrPxwVDYQjeg1vITMs5TCNINYaYyeiN+qjnOybJS1mM0XJ6Z9fJ0GpZ6S0QQlrOLckCEt5BYsuJgjqtYvAVHtLBKKhBlIxIFhgdk4nleABLAB2ADcADoAZwAKpCANYU2l5IFVbke70BWjepiGxAqviVapLKYgZ1ug1G-3h7h4xO8GMI4MgyOG1X8C02h1ptoJbWysXzFngO56MBV1yCYQFMQZis1wFITlVvN2p2uhGsUOttm17D1k5No0DqtVNad6O9ou5LnmLkyjjo6sCxESpeLhqYsk4gD2lXAAlUpE5AZQqV4dNPa24jGPhHvu1IiDAygK9CCnEfQA 800,500 noborder}}
+<WRAP>
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWKsDMCBMAOAbNymwAWBTTQzAThBUxCUJToFMBaMMAKABdwx0R0hSOEKEBQqOBAsA7NDAzs5MNhTsZMyH1ZhGMGRnyZ0+CigoXi4OCAAmTAGYBDAK4AbLt2ops4RdWxaBV9hNhBCaAsoqMIZCjiLaQR5eDhCdDB4kgp0ViowG3tnd08AJxExFWEiMXRBSQKOAHMKgQRfGoEZfmFIDgAlECVxYRR+QWqBOngBaCR0OckYBA5y4YnecYlq+FWBUj9fFB9Dht3BrCD-dHbTiH4EGYX5xd655oDaG6PArp6oPY+II5T5tELWDhA1p1SogmFLSG-KGZfiEFTgEG9RG0KEMVHovEI5GicLDFGksRY8q4sagwgUcGNFq4hmghB8BGDY6+NFHSBiXlSB5PRbPJbvQbsVGYYQy8Jy+7TGxisVvFYtTr0jok9n-PrlTU2TXDHYcBybeXVEnkUb8MCLGVm7w89G412Me1IR0AD3CSFZdQgiVqYgAMgB7ADuAB0AM4AZQAlvY4-HI4muABjAAWHF96GwQZ56RAwfEIAAEommtnU8mmKn01nc76WBRKjQkna0eFywAhABSABU89JdPwaPwWMdqJh6OWALIAeXjADEAKIjwZtnnDNhYClLcLVJC9ZArEwyVpVa8HsQANQAwo+OJfQTfkXeQE+X2-cTYoVxb9n1fSAr0NK0xCAn9QKvFhhhtaRaUQh8QO3VktTHO9WTPCRT3FFZ42kBC5R3S0j2cNxYyYSR0A4dJGA2GQQ2EBAEEpej0A9YRmOsOh2IBBjSSQXjCGwJA2I4oS2AQKhRPEkBeL6aSwFk6xhDEpACixFS1LGDSFP0wSuLHNTJOE-ipJMmS5LEGzLIBIA noborder}}
 </WRAP>
-Bei vielen Anwendungen müssen Strom und Spannung unabhängig voneinander gesteuert werden. Dies ist beispielsweise bei einem Motor (= ohmsch-induktive Last) der Fall. Dort ist der Strom im wesentlichen proportional zum Drehmoment und die Spannung von der Drehzahl. Sollen hierbei Spannung und Strom bipolar ausgegeben werden (bzw. in der Anwendung: Drehmoment und Drehzahl in beide Richtungen geregelt werden), so bietet sich ein Vierquadrantensteller aus Transistoren an. In modernen integrierten Schaltkreisen sind diese aus MOSFETs aufgebaut, direkt mit dem MOSFET-Treiber versehen und mehrere Vierquadrantensteller nebeneinander zu finden (z.B. dem Schrittmotortreiber[[http://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv8835.pdf#page=9|DRV8835]]).
+</WRAP></WRAP></panel>
-Details sind auf [[https://de.wikipedia.org/wiki/Vierquadrantensteller|Wikipedia unter Vierquadrantensteller]] zu finden.
+<panel type="info" title="Exercise 2.10.4 Simple Temperature Detector"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
-==== Weitere MOSFET Anwendungen====
+Given is the circuit shown in the simulation below. $R_2$ is an NTC resistor, which is used to detect the rise over a threshold temperature.
-MOSFETs werden nicht nur zum reinen Schalten von Strömen genutzt. Weitere Anwendungen sind auch:
+  - At first, the series resistor in front of the LED has to be calculated. For this, the voltage drop $U_{\rm CE}$ of the BJT can be neglected. The given LED lights are bright for about $10 ~\rm mA$ (lighting starts for about $1 ~\rm mA$). The supply voltage is $U_\rm S=5.0 ~\rm V$ and the forward voltage of the LED is $U_{\rm LED}=1.7 ~\rm V$.
-  - als Anzeige-Element in TFT-Bildschirmen ({{wpde>Dünnschichttransistor|TFT ... Thin Film Transistor}})
+    - What is the ideal value of $R_ \rm D$?
-  - als Speicherelement z.B. in SD-Karten ({{wpde>Floating-Gate-Transistor}}, oder auch neue Ansätze, wie {{wpde>Ferroelectric_Random_Access_Memory}})
+    - The value in the simulation is not correct. Which effect does this have?
-  - als integriertes "Vorschaltelement" für Leistungs-Bipolartransistoren, speziell im {{wpde>Bipolartransistor_mit_isolierter_Gate-Elektrode}} (IGBT)
+  - At second, the system shall be designed for a temperature threshold of $T_0=50 ~\rm °C$.
-  - als chemischer Sensor für diverse Materialien (siehe {{wpde>Chemisch_sensitiver_Feldeffekttransistor}})
+    - The $R(T)$-characteristic the NTC $R_2$ is shown in the diagram below. What is the value of $R_2(T_0)$?
-  - als Bindeglied zwischen Photonik/Optoelektronik und klassischer Elektronik
+    - The BJT is conducting for $U_{\rm BC}=0.6 ~\rm V$. What is the correct value for $R_1$?
-~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~
+{{drawio>diagramtemperaturesensor.svg}}
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWKsDMCBMAOAbNymwAWBTTQzAThARWpENoQFMBaMMAKADcQ2x0QKMr3YCwFAZCj0pSKfOgIOAJ0FiJakOgTZpYeJBXgs4Df0xbC88PA5hsYk+ivGLWNyAAmTAGYBDAFcAGwAXFiCmT3BpBUhOEJAKXRRIQldBVL1kHQB2dBQKGgRCbFIwTBzkbBTCijAchFT0Il19KW9-YJCOAHcRfkFhFAEhNMM+4cG08ymoXvTRhfR5eZnxEfVJecn1-s25vqSMtMmUse2RzNPlg80zzW1dQxRSu8y2ZMyVtClr35HhFI2nBBHg5DYFNptCAACpMAC2AAcmMo-CEAsomBwAB4ibBpdAUCxsQiVFIQAlpACqOJEpIyujYaAyVGmFgAyrTygSULRxLp8ro2SAACJc7CVdDQ7laEyUkAAJVpbElKWk+Vo8qVuKk+Qs+ksFPA+tpv1wNlBrONWmV9UEJGkLyNzkVHCAA noborder}}
-====== Lernfragen ======
+</WRAP></WRAP></panel>
-=== zum Selbststudium ===
+===== Learning questions =====
-  * Beschreiben sie die Funktion eines Transistors
-    * Skizzieren Sie den Schichtenaufbau eines Bipolartransistors. Erklären Sie das Durchschalten eines PNP-Bipolartransistors mit Hilfe der gezeichneten Skizze.
-    * Zeichnen sie das vereinfachte Dioden-Ersatzschaltbild eines NPN Transistors beschreiben Sie die Funktionsweise.
-  * Erklären Sie den Unterschied zwischen einem PNP und NPN Transistor.
-    * Zeichen Sie jeweils eine Schaltung, bei dem der jeweilige Schalter an U+ = 5V und Masse so angeschlossen ist, dass ein Durchschalten mit einer Spannung zwischen U+ und Masse an der Basis möglich ist.
-    * Benennen Sie die jeweiligen Anschlüsse der Transistoren in der Zeichnung.
-    * Welche Spannung muss jeweils an der Basis angelegt werden, damit der Transistor durchschaltet?
-    * Wie ist jeweils das Vorzeichen des Steuerstroms zu wählen?
-    * In welchem Größenbereich liegt eine typische Stromverstärkung?
-  * stromgesteuerte und spannungsgesteuerte Transistoren
-    * Erläutern Sie den Unterschied zwischen einem stromgesteuerten und einem spannungsgesteuerten Transistor.
-    * Welche Transistorart ist stromgesteuert, welche spannungsgesteuert?
-    * Zeichnen Sie jeweils ein Schaltzeichen für einen stromgesteuerten und einen spannungsgesteuerten Transistor.
-    * Wie ist die Reihenfolge der Dotierung der gezeichneten Transistoren?
-  * Welche zwei grundlegenden Typen von Transistoren gibt es?
-  * MOSFET
-    * Welche Vorteile hat ein MOSFET gegenüber einem Bipolartransistor?
-    * Wie ist ein MOSFET aufgebaut? (Schichtstruktur, Anschlüsse)
-  * H-Brücke
-    * Zeichnen Sie eine H-Brücke mit Schaltern (idealer Schalter), einer ohmsch/induktiven Last und einer externen Spannungsquelle mit V+ und GND.
-    * Wie können die verschiedenen Schalter angesteuert werden, um eine beliebige Spannung zwischen V+ und V- an der Last anliegen zu haben? Was ist der Fachausdruck für die Ansteuerungsart?
-  * Zeichnen Sie das notwendige PWM-Signal, um bei einer Vollbrücke eine sinusförmige Ausgabe zu generieren.
-  * Verwendungsmöglichkeiten für Transistoren
-    * Welche Verwendungsmöglichkeiten gibt es für Transistoren?
-    * Zeichnen Sie einen Spannungsverdoppler.
-    * Was ist ein Pegelwandler?
-    * Warum werden heutzutage bevorzugt Feldeffekt-Transistoren und nicht Bipolartransistoren verwendet?
-=== mit Antworten ===
-{{elektronische_schaltungstechnik:transistor_frage.png}}
+=== for self-study ===
+  * Describe the function of a transistor.
+    * Sketch the layered structure of a bipolar junction transistor. Explain the switching through of a PNP bipolar junction transistor with the help of the sketch drawn.
+    * Draw the simplified diode equivalent circuit of an NPN transistor and describe the working.
+  * Explain the difference between a PNP and NPN transistor.
+    * Draw a circuit each with the respective switch connected to $U+ = 5~\rm V$ and ground in such a way that switching through is possible with a voltage between U+ and ground at the base.
+    * Name the respective connections of the transistors in the drawing.
+    * What voltage must be applied to the base in each case for the transistor to switch through?
+    * How should the sign of the control current be chosen in each case?
+    * In what size range is a typical current gain?
+  * Current-controlled and voltage-controlled transistors
+    * Explain the difference between a current-controlled transistor and a voltage-controlled transistor.
+    * Which type of transistor is current-controlled and which is voltage controlled?
+    * Draw a circuit diagram each for a current-controlled transistor and a voltage-controlled transistor.
+    * What is the doping order of the transistors drawn?
+  * What are the two basic types of transistors?
+  * MOSFET
+    * What are the advantages of a MOSFET over a bipolar junction transistor?
+    * How is a MOSFET constructed? (layer structure, connections)
+  * H-bridge
+    * Draw an H-bridge with switches (ideal switch), a resistive/inductive load, and an external voltage source with V+ and GND.
+    * How can the various switches be controlled to have any voltage between V+ and V- applied to the load? What is the technical term for the method of control?
+  * Draw the PWM signal necessary to generate a sinusoidal output when a full bridge is used.
+  * What are the uses for transistors
+    * What are some uses for transistors?
+    * Draw a voltage doubler.
+    * What is a level converter?
+    * Why is it preferred to use field-effect transistors rather than bipolar junction transistors nowadays?
-<quizlib id="quiz" rightanswers="[['a2'],['a1','a2'], ['a1']]" submit="Antworten überprüfen">
+=== with answers ===
-<question title="Welche der folgenden Aussage(n) ist/sind mit Blick auf das Bild oben richtig?" type="checkbox">
+{{electronic_circuitry:transistor_question.png}}
-Der Transistor hat intern eine npn-Struktur|
-Der Kollektoranschluss ist unten|
+<quizlib id="quiz" rightanswers="[['a2'],['a1','a2'], ['a0', 'a1']]" submit="Check answers">
-Es handelt sich um einen Bipolartransistor|
-Um I_C fließen zu lassen, muss die  Spannung U_BE positiv werden
+<question title="Looking at the picture above, which of the following statement(s) is/are correct?" type="checkbox">
+The transistor has an NPN structure internally.|
+The collector terminal is at the bottom.|
+It is a bipolar junction transistor.|
+To make $I_\rm C$ flow, the voltage $U_{\rm BE}$ must become positive.
 </question>
-<question title="Welche Aussage(n) zur Bipolartransistoren ist/sind korrekt?" type="checkbox">
+<question title="Which statement(s) about bipolar junction transistors is/are correct?" type="checkbox">
-Der Strom I_C bzw. die Spannung  U_BC regelt den Stromfluss I_B|
+The current $I_\rm C$ or the voltage $U_{\rm BC}$ controls the current flow $I_\rm B$.|
-Die Eingangskennlinie eines Bipolartransistors entpricht der einer Diode.|
+The input characteristic of a bipolar junction transistor corresponds to that of a diode.|
-Nachteil des Bipolartransistors ist der kontinuierlich notwendige Stromfluss, im leitfähigen Zustand.|
+The disadvantage of the bipolar junction transistor is the continuous current flow required in the conductive state.|
-VCC steht für Voltage Common Connector
+VCC stands for Voltage Common Connector.
 </question>
-<question title="Welche Aussage(n) zur MOSFETs ist/sind korrekt?" type="checkbox">
+<question title="Which statement(s) about MOSFETs is/are correct?" type="checkbox">
-MOSFET steht für den Aufbau des Feldeffekttransistors aus Metalloxid und Halbleiter |
+MOSFET stands for the structure of the field-effect transistor made of metal oxide and semiconductor.|
-Durch die Bodydiode wirkt der MOSFET in eine Richtung wie eine Diode|
+Due to the body diode, the MOSFET acts in one direction like a diode.|
-Anreicherungstyp MOSFET sind mit $U_{GS} =0V$ leitfähig|
+Enrichment type MOSFET are conductive with $U_{\rm GS} =0 ~\rm V$.|
-Bei n-Kanal MOSFETs sind Löcher die Strom-führenden Ladungsträger
+In N-channel MOSFETs, holes are the current-carrying charge carriers.
 </question>
 </quizlib>
-====== Bildreferenzen ======
+====== Further reading ======
---> Referenzen zu den genutzten Medien #
+  * a nice clip about the background why the [[https://youtu.be/bHwl8TdEI6k | MOSFET is probably the most significant invention of the 20th Century]].
-^ Element                                                       ^ Lizenz                                                                     ^ Link                                                                       ^
+====== Image references ======
-| Video: Stromkreiselemente - Dioden und Transistoren - Teil 4  | [[https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/legalcode|CC-BY (Youtube)]]  | https://www.youtube.com/watch?v=KjyHta5p9WE                                |
-| <imgref picJ>: Funktion des npn-Bipolartransistors  | (c) Open Music Lab, mit Genehmigung der Weiterverwendung   | Quelle: Mail des Illustrators                               |
+--> References to the media used #
-| <imgref picP>: Funktion des MOSFETs  | (c) Open Music Lab, mit Genehmigung der Weiterverwendung   | [[https://www.crowdsupply.com/open-music-labs/mosfet-girl|CrowdSupply]]                               |
+^ Element ^ License ^ Link ^
+| Video: Circuit Elements - Diodes and Transistors - Part 4 | [[https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/legalcode|CC-BY (Youtube)]]  | https://www.youtube.com/watch?v=KjyHta5p9WE |
+| <imgref picJ>: Function of the NPN bipolar junction transistor | (c) Open Music Lab, with permission for further use | Source: Mail of the illustrator |
+| <imgref picP>: function of the MOSFET | (c) Open Music Lab, with permission to reuse | [[https://www.crowdsupply.com/open-music-labs/mosfet-girl|CrowdSupply]]                               |
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