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1 Halbleiterphysik In der Elektrotechnik wird die elektrische Leitfähigkeit als Kriterium für die Einteilung der Festkörperstoffe verwendet. So erfolgte von Anfang an eine Einteilung der Werkstoffe aufgrund ihrer spezifischen Leitwerte in elektrische Leiter und Isolatoren. Als "halbleitend" werden heute jedoch diejenigen Werkstoffe bezeichnet, deren spezifischer Leitwert in zwischen dem von metallischen Leitern und dem echter Isolatoren liegt. Es ergibt sich ganz grob folgende Einteilung: Leiter: 1.5* 10E-6 _/cm (Silber ) bis ca. 5*10E-5O _/cm (Stahl) Halbleiter : 10E-5..1,0 _/cm (dotiertes Si) bis 2*10E5 _/cm (reines Si) Isolatoren: 10E8 _/cm (Holz) bis 10E20 _/cm (Bernstein) Dieser Einteilung entsprechend handelt es sich bei den Halbleitern um Elemente oder Verbindungen. die unter normalen Bedingungen nur wenig freie Elektronen besitzen. Die wichtigsten Halbleiterwekstoffe sind heute das Silizium und das Germanium. Diese beiden Halbleiter werden ausschliesslich als Einkristall für El. Bauelemente verwendet. Selen wird nur noch zur Herstellung kleiner Netzgleichrichter verwendet. Es wird in Polykristallstruktur für Bauelemente genutzt. Hinzu kommen jedoch noch als sogenannte "intermetallischen Verbindungen" Gallium-Arsid, Gallium-Phosphid und Indium-Arsenid. Die Kristallgemisch GaAs und GaP werden hauptsächlich zur Herstellung von Fotohalbleitern und InAs zur Herstellung von Hallgeneratoren verwendet. Das Periodensystem zeigt, dass Germanium und Silizium auf der,,äussersten Schale vier Elektonen haben. Wegen ihrer Valenzelektonenzahl werden sie als vierwertig bezeichnet. Herstellung Die Herstellung von Halbleiterbauelementen ist aufwendig und kompliziert. Zunächst muss das Ausgangsmaterial einen sehr hohen Reinheitsgrad habe. so hat das in einem Lichtbogenofen aus Quarzsand und Kohlenstoff hergestellte Rohsilizium nur einen Reinheitsgrad von etwa 98% =^ Aus diesem Rohsilizium werden dann in mehreren Reinigunsschritten polykristalline ( Kristalle, die aus mehreren Einzelkristallen aufgebaut sind) siliziumstäbe mit einem Reinheitsgrad von 99,9999 % gewonnen. In weiteren Bearbeitungsgängen, dem sogenannten Zonenziehen, entsteht monokristallines ( Einkristall ) Reinstsilizium, ebenfalls in Stabform. Dieses Reinstsilizium muss einen Reinheitsgrad von besitzen, d.h. auf SI-Atom darf höchstens noch ein Fremdatom kommen.

2 Die erzeugten Reinstsiliziumstäbe werden in sehr dünne Scheiben (Wafer) geschnitten, aus denen schliesslich in vielen weiteren Bearbeitunsgängen die unterschiedlichsten Halbleiterbauelemente und integrierten Schaltungen hergestellt werden. Die

3 Herstellungsverfahren für Bauelemente aus Silizium und Germanium ähneln sich weitgehend. Ausser Edelgasen haben alle Elemente das Bestreben, durch eingehen von Verbindungen mit anderen Elementen die Zahl der Elektronen auf der,,äussersten Schale so zu verändern. dass diese,,äusserste Schale voll besetzt ist. Um diesen Zustand zu erreichen, können die vierwertigen Si- oder Ge-Atome entweder ihre vier Valenzelektronen abgeben oder Valenzelektronen aufnehmen. (Wieder einen Mittelwert zwischen Metall und Nichtmetall. Metalle geben Elektronen ab, Nichmetalle nehmen Elektronen auf, bis die Edelgaskonfiguration erreicht ist.) Wegen des hohen Reinheitsgrades des Reinstsilizium haben die Atome keine Möglichkeit, Verbindungen mit benachbarten Fremdatomen einzugehen, um so ihre äussere Schale voll besetzt zu bekommen. Sie gehen daher untereinander Atombindungen ein, auch als kovalente Bindungen bezeichnet werden. Diese Bindungsart zwischen zwei Atomen ist folgend dargestellt. In der Prinzipdarstellung ist zu erkennen, dass die beiden Atomkerne auch jeweils von einem Valenzelektron des Nachbaratoms umkreist werden. Bei beiden Atomen ist daher für jeweils eine kurze Zeitdauer ein Elektron mehr vorhanden. Damit die vier auf der äussersten Schale fehlenden Elektronen besetzt werden, gehen die vierwertigen Si- oder Ge-Atome mit jeweils vier weiteren Atomen des gleichen Elementes eine kovalente Bindung ein. Fünf derartige Atome schliessen sich daher zusammen und bilden eine regelmässige Anordnung, wie sie folgend dargestellt ist. Die Kugeln symbolisieren die Atome, die Säulen die Bindungen zwischen den Valenzelektronen. Da sich jedes Atom in der Mitte eines Würfels befindet, wird eine derartige Anordnung als kubischraumzentriertes Kristallgitter bezeichnet. Jedes Atom der Würfelecke ist wieder wiederum Raummittelpunkt eines weiteren Würfels. Daher entsteht ein völlig

4 regelmässiger Aufbau des Kristallgitters entsprechend. Kristallstruktur eines Siliziumatoms räumlich dargestellt Eigenleitfähigkeit Bei einem Reinheitsgrad von bilden die Siliziumatome ein Kristallgitter, beidem alle vorhandenen Valenzelektronen der Halbleiteratome zum Aufbau benötigt werden. Bei einem solchen störungsfreien Kristallgitteraufbau befinden sich im absoluten Nullpunkt von 0 K (Kelvin) alle Atome im Ruhestand und die an der Kristallbindung beteiligten Valenzelektronen sind fest an die benachbarten Atome gebunden. Daher sind keine freien Ladungsträger vorhanden. Die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials ist und der genannten Bedingungen gleich Null, und damit ist das Material ein absoluter Nichtleiter. Wird einem solchen Halbleiterkristall jedoch Energie in Form von Wärme oder Licht zugefügt, so beginnen die Atome zu schwingen. Diese Schwingungen werden als thermisch Eigenbewegung der Atome bezeichnet. Durch die Schwingungen vergrössert sich der Abstand zwischen Atomkern und Valenzelektronen. Die Bindekraft zwischen Kern und Elektronen wird kleiner. Aus diesem Grund können einige Valenzelektronen aus der Kristallbindung herausspringen und werden damit zu freien Elektronen. Wird jetzt eine Spannung an den Kristall gelegt, so ist infolge des elektrischen Feldes ein Stromfluss im Kristall. An der Stelle, an der ein Valenzelektron aus seiner ursprünglichen Bindung herausgesprungen ist, fehlt jedoch eine negative Ladung. es bleibt daher im betreffenden

5 Atom eine positive Ladung zurück, die als "Defektstrom" oder kurz als "Loch" bezeichnet wird. Das Entstehen eines freien Elektrons und eines Loches wird als "Generation" oder "thermische Paarbildung" bezeichnet. Bei ständiger Energiezufuhr werden fortlaufend Elektronen frei. Sie wandern auf scheinbar regellosen Bahnen durch den Kristall, bis sie auf ein Loch treffen und dort wieder in einen festen Atomverband zurückspringen. Dieser Vorgang wird "Rekombination" genannt. Im nächsten Bild sind die Zusammenhänge bei der Paarbildung und Rekombination vereinfacht dargestellt. An der Stelle, an der ein Valenzelektron aus seiner ursprünglichen Bindung herausgesprungen ist, fehlt jedoch eine negative Ladung. es bleibt daher im betreffenden Atom eine positive Ladung zurück, die als "Defektstrom" oder kurz als "Loch" bezeichnet wird. Das Entstehen eines freien Elektrons und eines Loches wird als "Generation" oder "thermische Paarbildung" bezeichnet. Bei ständiger Energiezufuhr werden fortlaufend Elektronen frei. Sie wandern auf scheinbar regellosen Bahnen durch den Kristall, bis sie auf ein Loch treffen und dort wieder in einen festen Atomverband zurückspringen. Dieser Vorgang wird "Rekombination" genannt. Im nächsten Bild sind die Zusammenhänge bei der Paarbildung und Rekombination vereinfacht dargestellt. Paarbildung und Rekombination sind stehts im Gleichgewicht. Die Anzahl der verfügbaren Ladungsträger hängt aber von der Temperatur ab und werden mit steigender Temperatur grösser. Allerdings ist auch bei Raumtemperatur (20 Grad) von 10E9 Bindungen nur jeweils eine aufgerissen, d.h. es kommt auf eine Milliarde Atome nur ein Ladungsträgerpaar. Im Bereich der Raumtemperatur verdoppelt sich etwa die Anzahl der Ladungsträgerpaare, wenn eine Temperaturänderung um 10K vorgenommen wird.bei reinen Halbleitermaterialien werden also mit steigender Temperatur mehr Valenzelektronen frei. Dadurch nimmt ihre Leitfähigkeit zu. Umgekehrt ist es bei Metallen. Die Temperaturabhängigkeit bezüglich der Leitfähigkeit ist bei Halbleitern wesentlich grösser als bei Metallen.

6 Beim Anlegen einer Spannung entsteht im Halbleiterkristall ein elektrisches Feld. Dadurch werden die Elektronen, die aufgrund der thermischen Paarbildung frei geworden sind, zum Pluspol der Spannungsquelle gezogen. Sie springen auf ihrem Weg dahin immer von einem Loch zum anderen. Damit wandern die Löcher aber scheinbar vom Pluspol der Spannungsquelle zum Minuspol. Diese Vorgänge bei der Elektronen- und Löcherwanderung unter Einfluss eines elektrischen Feldes sind im vorherigen Bild gezeigt ist. Die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters, die allein aufgrund der thermischen Paarbildung entstanden ist, wird als "Eigenleitfähigkeit" oder "Intrinsicleitfähigkeit" (intrinsic = im Innern) bezeichnet. Dabei führen die freien Ladunsträger im Kristall thermisch bedingte Schwirrbewegungen aus. Durch das elektrisch Feld erhalten die freien Ladungsträger aber eine gleich Bewegungsrichtung. Diese Bewegunsrichtung wird als "Drift" bezeichnet. Sie ist der wärmebedingten Zick-Zack- oder Schwirrbewegung überlagert. Im nächsten Bild sind die Vorgänge veranschaulicht. In jedem Halbleitermaterial stehen also zum Ladungstransport sowohl Elektronen als auch Löcher zur Verfügung. Dieser bioplare Leitungsmechanismus ist im folgenden Bild

7 beschrieben. Dotierte Halbleiter Störstellenleitfähigkeit Die Leitfähigkeit eines reinen Halbleiters hängt von der Temperatur und dem Halbleitermaterial ab. Die kann aber auch unabhängig vom Temperatureinfluss durch den Einbau von Fremdatomen in das Kristallgitter stark verändert werden. Ein derartiger Einbau von Fremdatomen in das Kristallgitter von reinen Halbleitern wird als "Dotieren" oder "Dopen" bezeichnet. Zum Dotierten von Silizium- oder Germaniumkristallen sind Stoffe geeignet, die entweder ein Valenzelektron mehr oder ein Valenzelektron weniger besitzen. Da Si und Ge zur 4. Gruppe im Periodensystem gehören, kommen Elemente der 5. und 3. Gruppe in Frage. Die Leitfähigkeit eines Dotierten Halbleiters hängt vom Grad der Verunreinigung ab. Diese durch gezielte Verunreinigung eines reinen Halbleiterkristalls darf jedoch nicht beliebig stark vorgenommen werden. Sonst könnte der Fall eintreten, dass sich der gesamte Kristallaufbau nach den Fremdatomen mit ihren fünf oder drei Valenzelektronen ausrichtet. So darf die Störstellendichte nur etwa 1 : 10E6 betragen, d.h. auf 10E6 Si - oder Ge- maximal ein Fremdatom zulässig. n-halbleiter Beim Dotieren eines reinen Halbleitermaterials mit 5-wertigen Stoffen wie Phosphor, Arsen oder Antimon können vier der fünf Valenzelektronen eine wechselseitige Bindung mit den benachbarten Si- oder Ge- Atomen eingehen. Das fünfte Valenzelektron des Fremdatoms findet jedoch keinen Partner und lässt sich daher relativ leicht aus der Bindung mit dem eigenen Atom. Bei Raumtemperatur steht somit je eingebautem Fremdatom ein freies Elektron für den Ladungstransport zur Verfügung. Hat sich ein Elektron vom Donatora (Elektronenspender) gelöst, so bleibt in seinem Kern jedoch eine positive Ladung zurück. Sie versucht, wieder frei bewegliches Elektron einzufangen, damit im Atom wie ursprünglich gleich viele Elektronen wie Protonen vorhanden sind. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes wandern die freien Elektronen, von Loch zu Loch springend, in Richtung des Pluspoles der Spannungsquelle. Da der Ladungstransport in einem mit Donatoren dotierten Halbleitermaterial durch freie Elektronen erfolgt, wird ein derartiger Halbleiter als "n-leitendes Material" (= negativ leitend) bezeichnet. Die Leitfähigkeit eines n-halbleiters wird auch "Elektronenleitfähigkeit" genannt. p-halbleiter

8 Auch beim Dotieren eines reinen Halbleitermaterials mit einem 3wertigen Stoff wie Bor, Aluminium, Gallium oder Indium wird ein Halbleiteratom im Kristallaufbau durch ein Fremdatom ersetzt. Da dieses Fremdatom aber nur drei Valenzelektronen besitzt, fehlt jetzt in der Kristallbindung ein Elektron. Durch das Dotieren ist daher ein Loch oder Defektelektron entstanden. Dieses Primärloch wird jedoch durch ein bei der Thermischen Paarbildung freigewordenes Elektron eines Nachbaratoms aufgefüllt. Dadurch ist aber im Nachbaratom ein neues Loch, ein sogenanntes Sekundärloch, entstanden. Dieses ist wiederum von einem Elektron des Nachbaratom besetzt. Auf diese Weise wandern die Löcher als positive Elementarladungen unter dem Einfluss eines,,äusseren elektrischen Feldes zum negativen Pol der Spannunsquelle. Im folgend Bild ist dieser Vorgang dargestellt. In einem p-halbleiter übernehmen positive Elementarladungen den Ladungstransport. Dieses Halbleitermaterial wird daher als "p-leitend" und seine Leitfähigkeit als "Lochleitfähigkeit" bezeichnet. pn-übergang Herstellung eines pn-überganges Die meisten Halbleiterbauelemente besitzen Zonen sowohl aus reinem p-material als auch reinem n-material. Zwischen ihnen tritt zwangsläufig eine Übergangszone auf. Dieser pn-übergang ist für die Funktion der Bauelemente von besonderer Bedeutung. Um eine einwandfrei Arbeitsweise des pn-überganges zu erreichen, müssen das p-material und das n-material stossstellenfrei ineinander übergehen. Diese stossstellenfreiheit wird herstellungstechnisch durch Diffusionsvorgänge erreicht. Hierbei wird z.b. eine kleine Indiumpolle auf ein Stück n-silizium gesetzt und die so vorbereitete Scheibe in einem Ofen auf ca. 600 C aufgeheizt. Bei dieser Temperatur dringen Indiumatome in das n-silizium ein und überschwemmen es mit 3-wertigen

9 Fremdatomen. Dieser Vorgang wird als "Eindiffundieren" bezeichnet. Im folgenden Bild ist das Herstellungsprinzip dargestellt. Durch das Eindiffundieren der 3-wertigen Fremdatome in das n-silizium entsteht um die Indiumpille herum eine Zone, in der mehr Löcher als freie Elektronen vorhanden sind. Das ursprünglich in dieser Zone vorhandene n-silizium wird somit in p-silizium dotiert. Die Vorgänge laufen bei diesem Verfahren so ab, dass der Übergang zwischen dem p- und dem n- Material stossstellenfrei ist. pn-übergang ohne angelegte Spannung

10 Infolge der thermischen Eigenbewegungen der Atome werden bei einem pn-übergang die jeweils freien Ladungsträger auch über die Grenzfläche hinwegwandern. Auf diese Weise gelangen Elektronen aus dem n-dotierten Material in das p-gebiet sowie Löcher aus dem p-dotierten Material in das n-gebiet. Dieser Vorgang wird als "Diffusion" bezeichnet. Er ist im nächsten Bild dargestellt. Da die aus dem n- Gebiet kommenden Elektronen im p-gebiet genügend freie Löcher und die aus dem p-gebiet kommenden Löcher genügend freie Elektronen vorfinden, kommt es zu einer Neuzusammenstellung in Nähe der Grenzfläche. Es vereinigen sich die aus dem n-dotierten Kristall kommenden Elektronen mit den im p-kristall schon vorhanden Löchern und die aus dem p-kristall kommenden Löcher mit den im n-kristall bereits vorhandenen Elektronen. Als Folge dieser Diffusion entsteht somit zu beiden Seiten der Grenzfläche eine Zone, die praktisch frei von beweglichen Ladungsträgern ist. Sie hat wegen der fehlenden beweglichen Ladungsträger eine wesentlich schlechtere Leitfähigkeit als das jeweils angrenzende p- und n-material und wird daher als "Sperrschicht " bezeichnet. Diese Sperrschicht hat nur eine Dicke von ca. 1 bis 5 Mikrometer(SYMB). Alle beschriebenen Vorgänge von Diffusion, und die Ausbildung vollziehen sich bereits während des Herstellungsprozesses des pn-überganges. Reines n- und p- Halbleitermateral sind nach aussen hin elektrisch neutral, weil auch nach dem Einbringen von Fremdatomen in reines Halbleitermaterial in dem Kristallgitter noch immer die gleich Anzahl von Protonen und Elektronen vorhanden sind. Während des Diffusionsvorganges wandern aber negative Ladungsträger aus dem elektrisch neutralen n-dotierten Kristall in den vorher ebenfalls elektrisch neutralen p-dotierten Kristall. Somit fehlen in der Umgebung der Sperrschicht im n-material die von den eingebauten Fremdatomen stammenden Elektronen. In dieser Zone tritt daher eine positive Ladung auf. Die in den p-dotierten Teil der Sperrschicht eingewanderten Elektronen füllen dagegen die bei den dort vorhandenen, von den eingebauten Fremdatomen stammenden Löcher auf. Dadurch erhält diese Zone eine negative Ladung. Infolge dieser Vorgänge baut sich zu beiden Seiten der Grenzfläche eine Raumladung auf, die im n-dotierten positiv und im

11 p-dotierten Teil negativ ist. Die durch die Diffusionsvorgänge entstandene Raumladung kann aber nicht unbegrenzt wachsen. Je mehr Elektronen von der n-schicht in die p-schicht wandern, desto grösser wird die negative Raumladung in der p-schicht. Sie wirkt dem Eindringen weiter Elektronen entgegen. Ein entsprechender Vorgang tritt auch für die aus dem p-kristall kommenden Löcher infolge der immer grösser werdenden positiven Raumladung im n- Kristall auf. Sobald die Raumladungen einen bestimmten Wert erreicht haben, ist eine weitere Diffusion nicht mehr möglich. und es tritt Gleichgewichtszustand ein. Der Spannungswert, bei dem die Diffusion aufhört, wird als "Diffusionsspannung UD" bezeichnet. Sie müsste eigentlich Anti-Diffusionsspannung genannt werden, da sie der weiteren Diffusion entgegenwirkt. Weil die Diffusionsspannung nur unmittelbar an der Sperrschicht auftritt, kann sie von aussen nicht direkt gemessen werde. Die löst sich aber durch eine indirekte Messung ermitteln, indem die durch eine gleichgrosse, aber entgegengesetzte äussere Spannung kompensiert wird. Sie wird häufig "Schleusenspannung" genannt. Die Grösse der entstehenden Diffusionsspannung hängt im wesentlichen vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Germanium: U D WELLE 0.2 bis 0.4 V Silizium: U D WELLE 0.5 bis 0.8 V pn-übergang in Durchlassrichtung Im Bild 1.19 ist eine äussere Spannungsquelle so an einen Halbleiterkristall mit pn- Übergang angeschlossen, dass der Minuspol an dem n-dotierten Material und der Pluspol am p-dotierten Material liegt. Unter dem Einfluss des dann im Halbleiterkristall auftretenden elektrischen Feldes wandern sowohl die im n-halbleiter vorhandenen freien Elektronen als auch die im p-halbleiter vorhandenen freien Löcher in Richtung Sperrschicht. Sie dringen dabei in die durch Diffusion entstandene, vor anlegen der äusseren Spannung ladungsträgerfreie Zone ein. Dadurch wird die ursprüngliche Breite dieser Zone kleiner. Bei einer ausreichend grossen äusseren Spannung ist die Sperrschicht fast vollständig abgebaut. Dadurch ist auch der Widerstand dieser Zone klein, und es kann ein von der Spannungquelle getriebener Strom durch den Halbleiterkristall fliessen. Der pn-übergang wird als in Durchlasslichtung betrieben, wenn der negative Pol der äusseren Spannungsquelle am n-material liegt.

12 In diesem Bild ist auch zu erkennen, dass bei Durchlassbetrieb die angelegte Spannung der inneren Diffusionsspannung entgegengerichtet ist. Ein Strom kann daher erst durch den pn-übergang fliessen, wenn die Diffusionspannung durch die äussere Spannung überwunden wurde pn-übergang in Sperrichtung Im nächsten Bild liegt der Pluspol einer Spannungsquelle am n-material und der Minuspol am p-material eines Halbleiterkristalls mit pn-übergang. Infolge des auftretenden elektrischen Feldes im Kristall bewegen sich jetzt die freien Elektronen im n-halbleiter zum Pluspol und die Löcher im p-halbleiter zum Minuspol der Spannungsquelle. Die an der Grenzen des pn-überganges vorhandenen freien Ladungsträger wandern daher von der Grenzfläche weg. Dadurch wird die von Ladungsträgern freie Zone breiter. Ein Stromfluss durch den Kristall ist nicht möglich, weil die wegen fehlender Ladungsträger ohnehin mit einem grossen Widerstand behaftete Sperrschicht nur noch breiter wird. Ein pn-übergan wird also in Sperrichtung betriebe, wenn der positive Pol der Spannunsquelle am n-halbleiter liegt. In diesem Fall sind Diffusionsspannung und äussere Spannung gleichgerichtet. Infolge der thermisch bedingten Eigenschwingungen entstehen im gesamten Kristall ständig Elektronen-Löcher-Paare und damit auch bewegliche Löcher in der n-schicht sowie Elektronen in der p-schicht. Diese beweglichen Ladungsträger werden jeweils als Minorität- oder Minderheitsträger bezeichnet. Die Elektronen der p-schicht und die Löcher der n- Schicht wandern als Minoritätsträger aufgrund der angelegten Spannung auch durch die in Sperrichtung betriebene pn-grenzschicht und verursachen einen kleinen Strom, der als "Sperrstrom" IR" bezeichnet wird. Er ist stark temperaturabhängig und hat bei Raumtemperatur Werte von : I r GL 10 bis 500 _A für Germanium I r GL 5 bis 500 na für Silizium Die Spannung an einem in Sperrichtung betriebenen pn-übergang darf aber nicht beliebig gross werden. Wird ein bestimmter Wert überschritten, so wird die Kraftwirkung des elektrischen Feldes grösser als die Bindungskräfte der Valenzelektronen. Es fliesst dann schlagartig ein grosser Strom, der ohne Begrenzung zur Zerstörung des pn- Ueberganges führt.

13 Ein pn-übergang in Sperrichtung hat noch eine weiter Eigenschaft, die genutzt wird. Wegen der fehlenden Ladungsträger wirkt die Sperrschicht wie ein Dielektrikum, an das sich auf beiden Seiten gut leitendesmaterial anschliesst. Ein in Sperrichtung betriebener pn-übergang wirkt daher wie ein Kondensator. Dieser hat allerdings nur eine relativ kleine Kapazität, die als "Sperrschichtkapazität" bezeichnet wird. Ihre Grösse ist von der angelegten Sperrschichtspannung abhängig. Je grösser die Sperrspannung wird, desto breiter wird die Sperrschicht. Dies entspricht einer Vergrösserung des Plattenabstandes beim Kondensator. Die Sperrschichtkapazität wird also mit steigender Spannung kleiner. Diese spezielle Eigenschaft eines pn-überganges wird in der Kapazitätsdiode ausgenutzt. Im folgen Bild dargestellt. Gleichrichter- und Schaltdioden Bei den Gleichrichter- und Schaltdioden handelt es sich um eine einfache. praktische Anwendung der Halbleiterphysik. Dioden bestehen aus einem Halbleiterkristall mit einer p- und einer n- dotierten Schicht. Der pn-übergang (der Teil zwischen den beiden Schichten) lässt,wie vorher erklärt, den Strom nur in einer Richtung fliessen. Die Diode gehört demnach in die Gruppe der stromrichtungsabhängigen Bauelementen. Dioden werden in Durchlassrichtung betrieben, wenn das positive Spannungspotential an der p- dotierten Seite, und ein negatives Spannungspotental an der n-dotierten Seite anliegt. Ein Betrieb in Sperrrichtung liegt vor, wenn die Spannungen entgegengesetzt der Durchlassrichtung sind. Die Bezeichnungen von der Diode sind von Durchlassrichtung abgeleiteten. Der p-dotierte Pol heisst Anode (griech. = Eingang) und der n-dotierte Kristall wird Kathode (griech. = Hinabweg) bezeichnet. Das nächste Bild zeigt einen schematischen Aufbau und das genormte Schaltzeichen für Gleichrichterdiode. Das Verhalten von Dioden verschieden Betriebsspannungen wird in Form von Kennlinien dargestellt. Die folgende Kennlinie zeigt eine typischen Verlauf einer "Feld-Wald-Wiesen" Diode aus Silizium und Germanium. Im Durchlassbereich haben die X- und Y- Achsen die Bezeichnung U F und I F. Der Index "F" ist von der englischen Bezeichnung für "Forward directioin"= Vorwärtsrichtung = Durchlassrichtung abgeleitet. Für die Sperrichtung hingegen wird der Indes "R" verwendet, der auch aus der englischen Sprach "Reverse Direction" = Rückwärtsrichtung = Sperrichtung abgeleitet wurde.

14 Aus dem obigen Bild ist zu erkennen, dass im Durchlassbereich erst dann ein nennenswerter Stromfluss einsetzt, wenn die Durchlassspannung U F grösser als die Diffusionsspannung U D wird. Dieser Mindestwert der Durchlassspannung U F wird als Schleusenspannung U S bezeichnet. Der Übergang vom geringen zum grossen Stromfluss unterscheidet sich bei Ge- und Si- Dioden. So liegt bei Germaniumdioden die Schleusenspannung bei U S = ca. 0.3V und der Übergang vom kleinen zum grossen Stromfluss erfolgt allmählich. Bei Silizium-Dioden tritt nach überschreiten der Schleusenspannung von U S =ca. 0.7 V dagegen fast schlagartig ein grosser Stromfluss auf. Die Durchgangskennlinie der Si-Diode ist daher stark geknickt. Auch im Sperrbereich unterscheiden sich die Kennlinien von Si- und Ge- Dioden. Wird bei der Si-Diode die höchstzulässige Sperrspannung U RMAX überschritten, steigt der Sperrstrom IR= I REST plötzlich stark an, und es entsteht ein scharfer Kennlinienknick. Bei den Ge-Dioden gibt es keinen so ausgeprägten Kennlinienknick beim Übergang in den Durchbruchbereich. Die Sperrspannung R MAX darf bei beiden Dioden auf keinen Fall überschritten werden, da der pn-übergang und damit die Dioden zerstört werden. Die Maximal zulässige Sperrspannung U RMAX hängt vom Halbleitermaterial ab und beträgt U RMAX ca V bei Si V bei Ge Die Maximal zulässige Sperrspannung liegt also bei Si-Dioden wesentlich höher als bei Ge-Dioden. Dieser Unterschied ist auf den etwas andersartigen Atomaufbau von Germanium und Silizium zurückzuführen. Auch bei den kleinen Restströmen, also den Strömen, die bei Betrieb in Sperrichtung fliessen und auf die Eigenleitfähigkeit des Halbleiterkristalls zurückzuführen sind, gibt es wesentliche Unterschiede zwischen Ge- und Si-Dioden. So liegt die maximal zulässige Sperrspannung liegt also bei Si-Dioden wesentlich höher, als bei Germaniumdioden

15 Irest ca. 5 bis 500 na bei Si Dioden Irest ca. 10 bis 500 _A bei Ge Dioden Kennwerte Aus den Diodenkennlinien lassen sich viele wichtige Daten für den Einsatz und das Verhalten der einzelnen Diodentypen in elektronischen Schaltungen ermitteln. Dies ist oft sehr zeitaufwendig. Daher geben die Hersteller in den Datenblättern zur schnellen Information über bestimmte Eigenschaften eine Reihe von Kennwerten an. Diese Dioden- Kennwerte sind meisten getrennt nach Grenzdaten und Kenndaten. Grenzdaten sind Werte, die auf keinen Fall überschritten werden dürfen, weil das Bauelement sonst zerstört wird. Hierbei sind auch Schwankungen der Betriebsspannung und die Toleranzen anderer Bauelemente zu berücksichtigen. Als Kenndaten sind werte zu bezeichnen, deren Eigenschaften dem Halbleiterbauelement angeben, welches Verhalten sie unter Berücksichtigung verschiede Parameter zeigt. Die Kenndaten werden in statisch und dynamisch unterteilt. Statische Daten beschreiben das Gleichstromverhalten, dynamisch Kenndaten geben Aufschluss über ihr Verhalten im Wechselstrom bzw. Impulsbetrieb. Grenzdaten Eine Diode kann auf verschiedene Arten elektrisch überbeansprucht werden: Durch einen zu grossen Durchlassstrom I F Durch eine zu hohe Sperrspannung UR Durch eine zu grosse, in ihr umgesetzte Verlustleistung PV Durch eine zu hohe Umgebungstemperatur Die Hersteller geben daher für jede dieser Beanspruchungsarten Grenzwerte an, deren Formelzeichen gewöhnlich mit dem Indes M = maximal gekennzeichnet sind. Eine nennenswerte Überschreitung dieser Grenzwerte hat eine Verkürzung der Lebensdauer des Bauelementes zur Folge. Gebräuchlichste Gleichtrichterschaltungen Wie der Name einer Gleichrichterdiode bereits aussagt, werden mit ihnen wechselströme gleichgerichtet. Die einfachste, aber sehr häufig eingesetzte Art ist die sogenannte M1- Schaltung (auch Einweggleichrichterschaltung genannt). Wie in Handskizze angegeben ist die Dioden nur während der positiven Halbwelle des Eingangswechselstromes leiten. Daher fliesst auch nur in dieser Zeit ein Strom. Das Ausgangssignal ist gleich des Eingagnssignals ohne die negative Sinushalbwelle. Damit aber auch in dieser Zeit ein Stromfluss möglich ist, kann ein Kondensator parallel zum Ausgang zugeschaltet werden. Die negative Halbwelle, in der ja die Diode sperrt wird nun so überbrückt. Je nach Verhältnis des Lastwiderstandes und der Kondensatorgrösse ist der Spannunsabfall gegen Ende der negativen Halbwelle grösser oder kleiner. In der Handskizze ist neben der Schaltung auch das Zeitdiagramm mit den interessante Grössen zu finden. Die Schaltung mit dem Diagramm gibt einfach zu verstehen Auskunft über diese Schaltung. Eine etwas seltener anzutreffende, aber gleichwohl interessante ist die M2, oder anders genannt Zweiweggleichrichterschaltung. Für Ströme über 50 ma ist trotz eines grossen Ladekondensators die M1 Schaltung ungeeignet, da die Spannungsschwankung am Ausgang zu gross wird. Die M2-Schaltung ermöglicht ein gleichrichten mit zwei Dioden, bei dem die negative Halbelle in eine positive gesetzt wird. Sie stellt aber eine kleine Anforderung an den Eingang. Der Mittelwert als Bezugspunkt muss vorhanden sein. Beim Transformator ist das die Mitte der Sekundärwicklung. Zu jedem Zeitpunkt ist eine Halbwelle positiver als der Bezugspunkt. Somit können die beiden Wicklungsende über eine Diode zusammengeführt werden. Danach folgt der Lastwiderstand der am anderen Ende mit dem Bezugspunkt verbunden ist. Auch hier verschafft die Skizze Klarheit.

16 Die wohl gebräuchlichste Gleichrichterschaltung ist die Zweiimpuls-Brückenschaltung (B2). Das Ausgangssignal ist dasselbe wie bei der M2, ein Mittelabgriff der Sekungärspule aber nicht notwendig. Wie bei den vorherigen Schaltungen ersparen sich viele Worte mit einer Skizze. Z-Dioden Grundprinzip und Arbeitsweise Wird bei einer Siliziumdiode die Sperrspannung noch über die zulässige Spannung U RMAX hinaus weiter erhöht, so setzt nach Überschreiten eines bestimmten Spannungswertes plötzlich ein stark ansteigender Strom ein. Bei den Gleichrichter und Schaltungsdioden liegt diese Durchbruchsspannung je nach Dimension zwischen 80V und 1500V. Durch eine entsprechend höhere Dotierung kann die Sperrschicht so schmal gemacht werden, dass der Duchbruch bereits bei einer Spannung von wenigen Volt erfolgt, 1V bis 50V. Diese spezielle Ausführung von Si-Dioden werden als Z-Dioden bezeichnet. Ihr Name ist von dem Wissenschaftler C.Zener abgeleitet, der den charakteristischen Effekt dieser Diode entdeckte. Z-Dioden werden stets in Sperrichtung betrieben. Da ihr Arbeitspunkt im Bereich der Durchbruchspannung liegt, ist zur Strombegrenzung unbedingt ein Vorwiderstand notwendig. Der Maximalstrom darf nie überschritten werden, da die Diode sonst zerstört wird. Die Kenn und Grenzwerte müssen unbedingt bei der Dimensionierung der Vorwiderstände berücksichtigt werden. Wegen ihres charakteristischen Kennlinienverlaufes im Bereich der Durchbruchspannung, wird sie zur Stabilisierung oder Begrenzung kleiner Gleichspannungen eingesetzt. Die einfachste Schaltung zur Spannungsstabilisierung ist im folgenden Schema gezeigt. Die Durchbruchsspannung besagt, dass diese Spannung bei einem bestimmten Stromfluss über der Diode anliegt, meist 5mA. Dieser Wert liegt ein bisschen oberhalb der Spannung, bei der Durchbruch beginnt. Bei den Z-Dioden überlagern sich im Bereich der Durchbruchspannungen zwei unterschiedliche physikalische Effekte. So tritt bei Z-Dioden mit einer Z-Spannung von etwa Uz<5V eine innere Feldemission auf, die als Zener-Effekt bezeichnet wird. Bei Z- Dioden mit Zu>6V erfolgt dagegen der Durchbruch aufgrund des sogenannten Lawineneffektes ( auch als Avalancheeffekt bezeichnet). Dieser führt entsprechend dem vorigen Bild zu einem scharfen Abknicken der Kennlinien 3, 4 und 5, während die Kennlinien 1 und 2 mit einem ZU< 5V eher einen weichen Übergang haben.

17 Zener-Effekt und Lawineneffekt beruhen auf zwei grundsätzlich verschieden physikalischen Prinzipien. Ein Durchbruch aufgrund des Zener-Effektes erfolgt, weil beim Überschreiten einer Feldstärke von etwa 200 bis 500kV/cm beim Silizium Elektronen aus dem Gitterverband herausgelöst werden. Diese so entstandenen freien Elektronen vergrössern zusammen mit den dabei ebenfalls entstandenen Löchern die Zahl der frei beweglichen Ladungsträger und damit die Leitfähigkeit. Dadurch steigt der Sperrstrom, der hier als Z-Strom I Z bezeichnet wird, stark an. Bei Z-Dioden, mit Zu >6V wird der Lawinen-Effekt. Die Geschwindigkeit der vorhanden beweglichen Elektronen ist aufgrund der Feldstärke so hoch, dass sie beim Zusammenstoss mit den Atomen des Kristallgitters neue bewegliche Ladungsträger (Elektronen und Löcher) herausschlagen. Diese neu auftretenden Ladungsträger werden durch das anliegende elektrische Feld ebenfalls beschleunigt und schlagen nun weiter neue Ladungsträger aus dem Atomverband heraus. Weil der Strom dadurch sehr schnell anwächst, wird dieser Vorgang als Lawinen-Effekt oder Lawinendurchbruch bezeichnet. Wegen des seht starken Stromanstieges entsteht ein schärferer Linienknick beim Übergang vom normalen Sperrstrom zum Z-Strom als beim Zener-Effekt. Zwischen etwa 5V < Zu <6V. Diese Dioden sind temperaturabhängig. Die 5.6V Z-Diode gilt aus zwei Gründen als Referenzdiode. Einerseits kumulieren sie die beide physikalisch verschieden Durchbrüche, was einen schärferen Knick zur Folge hat. Andererseits ist diese Diode am wenigsten Temperaturabhängig. Für Gründe dafür sind die Eigenschaften, dass der Temperaturkoeffizient negativ beim Durchbruch aufgrund des Zener-Effektes ist. Bei höherer Durchbruchspannung, also beim Lawinen-Effekt ist der Temperaturkoeffizient positiv. Somit ist er in Nähe des Mittelwertes am geringsten. Siehe folgendes Bild. Differentieller Ausgangswiderstand.

18 Der differentielle Ausgangswiderstand beschreibt die Steilheit der nach dem Knick der Durchbruchskennlinie. Sie errechnet sich aus dem Verhältnis von einer Spannungsänderung und einer Stromänderung nach dem Durchbruch. Zur einfacheren Erklärung anhand einer Kennlinie folgend erklärt. Eine einfache, aber häufige Anwendung einer Stabilisierschaltung soll kurz beschrieben werden. Im Folgenden Bild ist die Instabile Eingagnsspannung über einen Vorwiderstand mit der Diode verbunden. Diese führt direkt zum anderen Eingangspol. Die Spannung über der Diode ist nun konstant. Die Leistung dieser Schaltung ist begrenzt und deshalb oft für Referenzspannungen eingesetzt.

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