Dies ist die Zone beim p- n- Übergang wo sich auf der p- Seite ionisierte Akzeptoren und auf der n- Seite ionisierte Donatoren befinden.

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1 Elektronik Allgemein n-halbleiter Beim n- dotierten Halbleiter ist ein Elektron nicht in eine Bindung eingegangen. Dieses Valenzelektron ist somit das energiereichste von allen. Die Elektronen sind Majoritätsträger und die Löcher sind Minoritätsträger. Fremdatome, die Elektronen abgeben heissen Donatoren. p- Halbleiter Beim p- Halbleiter ist ein Elektron zu wenig vorhanden also entsteht ein Loch. Die Löcher sind Majoritätsträger und die Elektronen sind Minoritätsträger. Fremdatome die unter onenbildung Elektronen an sich ziehen nennt man Akzeptoren. Driftstrom Legt man an einen Leiter eine Spannung, so fliesst ein Strom. Die beweglichen Ladungen erfahren eine antreibende Kraft, welche bestimmt ist durch das lokale elektrische Feld und wandern je nach ihrer Polarität in Richtung des Pluspols (Elektronen) oder des Minuspols (Löcher) der Spannungsquelle. Es handelt sich dabei um einen Driftstrom. Den Weg, den die Ladungen beschreiben, darf man sich nicht geradlinig vorstellen. Viel eher gleicht dieser einem Zick- Zack- Kurs. Dieser Zick- Zack- Weg rührt daher, dass einerseits die durchschnittliche Geschwindigkeit der geladenen Teilchen infolge des Feldes klein ist. Anderseits stossen sie ständig an den Gitteratomen des Festkörpers an und werden abgelenkt. Der Strom, den man messtechnisch erfasst, ist nur der Mittelwert des Ladungsträgerflusses, hervorgerufen durch die Löcher- und Elektronenbewegung. Diffusionsstrom Dieser Strom fliesst beim Ausgleich einer ungleichmässigen Verteilung von freien Teilchen in einem beliebigen Medium. Dabei müssen die Teilchen nicht unbedingt eine Ladung haben. n Gasen zum Beispiel führt eine vergrösserte Teilchendichte an einem Ort zu einem Überdruck. Der Diffusionsstrom beim Ausgleich ist ein Strom neutraler Atome. Raumladungszone Dies ist die Zone beim p- n- Übergang wo sich auf der p- Seite ionisierte Akzeptoren und auf der n- Seite ionisierte Donatoren befinden. onen positives on Wird einem Atom ein Elektron entfernt, dann hat das Atom eine positive Überschussladung. negatives on by Egon Pfammatter 1 /

2 Wird einem Atom ein zusätzliches Elektron angebunden, dann hat das Atom eine negative Überschussladung. Ladungen entgegengesetzter Polarität bewirken ein elektrisches Feld. Elektrische Felder haben Potentialdifferenzen (Spannungen) zur Folge. Das heisst auf der n- Seite ist ein höheres Potential als auf der p- Seite. p- n- Übergang ohne Spannung Da die freien beweglichen Elektronen die Löcher auf der p- Seite füllen wollen und die Löcher, Elektronen auf der n- Seite suchen entsteht eine Ladungsverschiebung. Es fliesst ein Diffusionsstrom am p- n- Übergang. Ein vollständiger Ladungsausgleich kann nicht statt finden weil: Mit jedem Elektron das von der n- Seite wechselt, wird die p- Seite um eine Elementarladung negativer als die n- Seite. Die Diffusion der Löcher von der p- zur n- Seite macht die n- Seite positiver gegenüber der p- Seite. Der Diffusionsstrom baut ein elektrisches Feld über dem Übergang auf, das diesem Strom entgegenwirkt. Die abstossende Kraft der onen ist dann gross genug, um eine weitere Diffusion der Majoritätsträger zu verhindern. Das elektrische Feld verursacht also einen Driftstrom in entgegengesetzter Richtung. Der Ausgleichsvorgang kommt genau dann zum Stillstand, wenn Drift- und Diffusionsstrom gleich gross sind und sich aufheben. p- n- Übergang (unter Spannung) Es werden zwei Fälle für den Halbleiteranschluss unterschieden. Leitender p- n- Übergang Durch eine kleine externe Spannung mit dem Pluspol am p- Material und dem Minuspol am n- Material wird die interne Potentialdifferenz verringert. Die Stärke des Sperrfeldes wird entsprechend reduziert. Der Diffusionsstrom der Majoritätsträger am p- n- Übergang ist stärker als der Driftstrom. Sperrender p- n- Übergang Die freien Elektronen im n- Material werden vom Pluspol und die Löcher im p- Material vom Minuspol angezogen. Die Majoritätsträger werden somit vom p-n- Übergang weggezogen und die interne Potentialdifferenz wird um den Betrag der angelegten, externen Spannung erhöht. Der sperrende p-n- Übergang weist eine interessante Eigenschaft auf. Die Weite der Raumladungszone ändert sich mit der angelegten Sperrspannung. Mit grösserer Sperrspannung wird ihre Weite ebenfalls grösser. Das Mass der Weitenänderungen hängt allerdings von den Dotierungsdichten des Halbleiters ab. Auf die Nutzung dieses Effektes wird bei der Behandlung der FET- Transistoren erläutert. by Egon Pfammatter 2 /

3 Die Diode Die schmale Grenzschicht beim Übergang vom p- zum n- dotierten Gebiet gibt dem Halbleiterelement Diode die Charakteristik eines Stromventils. = s [ e u e k T 1] T = k T e = s T [ exp T 1] e: Elementarladung; e= [C ] T: Temperatur in K (Kelvin) k: Boltzmannkonstante; k= J K ] : Spannung zwischen Anode und Kathode S : Sperrstrom T : Temperaturspannung; T 25 mv Mit dem Anlegen einer positiven Spannung, d.h. die Anode hat gegenüber der Kathode ein höheres Potential, befindet sich die Diode in Durchlass- oder Vorwärtsrichtung, im Durchlassgebiet. Ein wesentlicher Vorwärtsstrom fliesst erst, wenn über der Diode eine Minimalspannung F liegt. Diese Durchlassspannung (auch Fluss-, Knick- Schwellen- oder Schleusenspannung genannt) ist eine charakteristische Grösse der Halbleiterdiode. Sie ist zur Überwindung der internen Potentialdifferenz nötig. Je nach Kristallmaterial findet,an unterschiedliche Werte für F0. S- Dioden: GE- Dioden: F = V F = V Der Gleichstromwiderstand einer Diode wird berechnet: by Egon Pfammatter 3 /

4 T R = ln + 1 S Der differenzielle Widerstand: r d = by Egon Pfammatter 4 /

5 Passive und aktive Elemente Passive Elemente: z.b. Widerstand, Spulen, Kondensator, Diode Diese Elemente erhalten nur eine Signalgrösse wobei meistens mit einer Spannung ein entsprechender Strom erzeugt wird oder umgekehrt. aktive Elemente: z.b. Transistor, Thyristor, Cs Diese Elemente erhalten eine Signalgrösse und eine Hilfsenergie (Stromversorgung) wobei die Signalgrösse am Eingang jenen Anteil der Hilfsenergie steuert, der zum Ausgang fliesst. Aktive Bauelemente können deshalb verstärken und Schwingen. Grenzdaten einer Diode Die Grenzdaten sind absolute Grenzwerte und dürfen auf keinen Fall überschritten werden. Auch nur ein einmaliges Überschreiten z.b. der maximal zulässigen Sperrspannung kann die Diode zerstören. Die Sicherheitsreserve ist somit durch den Anwender einzubauen. Beim Überschreiten der maximal zulässigen Sperrspannung kann ein steiler Stromanstieg in negativer Richtung erfolgen. Der Sperrspannungswert der zu diesem Verhalten führt, wird als Durchbruchspannung bezeichnet. Der Spannungsdurchbruch kann folgendermassen erklärt werden: Aus dem Wert für die Durchbruchspannung V (VB)R schliesst man, dass eine relativ hohe Sperrspannung für einen Durchbruch notwendig ist. Der Durchbruchmechanismus der Sperrschicht ist recht kompliziert und hängt von diversen Parametern ab, Man kennt drei, von einander unterscheidbare rsachen für Diodendurchbrüche. Thermische nstabilität m Sperrgebiet der Diode fliesst ein geringer Strom R ( S ). Über dem p- n- Übergang liegt dabei eine Sperrspannung R (V R ), die durch die angeschaltete Quelle gegeben ist. Dabei erwärmt sich der Kristall in der Grenzschicht entsprechend der Verlustleistung: P = R R Zur Erinnerung: Löcher- und Elektronendichte sind abhängig von der Kristalltemperatur. Höhere Temperaturen begünstigen die Generationsrate von Löcher und Elektronen aus Bindungen des Grundkristalls. Demnach ist also im Sperrbetrieb eine leichte Zunahme der Trägergeneration in der Übergangszone zu erwarten. Die zusätzlich frei werdenden Löcher und Elektronen werden durch das Sperrfeld getrennt und tragen so zu einem erhöhten Sperrstrom R bei. Eine Anhebung von R bedeutet aber seinerseits eine noch stärkere Erwärmung der Grenzschicht. Die Diode wird durch grosse Wärmeentwicklung schliesslich zerstört. Für p- n- Dioden mit relativ grossem Sperrstrom (z.b. GE- Dioden) ist dieser Vorgang, der als thermische nstabilität bekannt ist, schon bei Raumtemperatur von Bedeutung. Zener- Effekt Der Zener- Effekt tritt praktisch nur an p- n- Übergängen hoher Dotierungs-Konzentration auf. Bei Sperrschichtfeldstärken E von ca V/cm beginnen Kristallbindungen aufzubrechen. Die freiwerdenden Elektronen bilden den Durchbruchstrom. Avalanche- Effekt Der Avalanche- Effekt ist die häufigste rsache für den Spannungsdurchbruch in gewöhnlichen S- Dioden. by Egon Pfammatter 5 /

6 Die Minoritätsträger, welche im Sperrbetrieb der Diode die p- n- Grenzzonenschichten durchwandern, nehmen in diesem Fall, bedingt durch das starke Sperrfeld, Bewegungsenergie auf. Sie werden zu schnellen Teilchen. Beim Zusammenstossen mit Gitterstellen ist ihre Energie im Durchschnitt ausreichend, eine Bindung zu zerstören, d.h. den Bindungselektronen genügend Energie für den Sprung ins Valenzband abzugeben. Diese freigesetzten Elektronen werden ebenfalls beschleunigt durch das Feld und schlagen ihrerseits auch Bindungselektronen des Kristallgitters aus. n der p- n- Zone findet ein Lawineneffekt, eine Trägervervielfachung statt (engl.: Avalanche- Multiplikation). Beide Effekte, Zener- und Avalanche- Durchbruch, sind für viele Anwendungen der p- n- Diode unerwünschte Erscheinungen. Normale Dioden dürfen nicht in diesem Durchbruchsbereich betrieben werden. Man kann jedoch die Phänomene auch im positiven Sinn nutzen: Der Arbeitsweise von Zener- und Avalanchedioden liegen die gleichnamigen Effekte zugrunde. Maximaler Vorwärtsstrom ( F ) Jede Diode ist mit einem ohmschen Widerstand behaftet. Bei einem Stromfluss tritt in diesem Widerstand eine Verlustleistung auf, die in Wärme umgewandelt wird. Der maximale Durchlassstrom wird durch die maximale Verlustleistung der Diode bestimmt. m eine thermische Zerstörung der Diode zu vermeiden, darf die Kristalltemperatur einen bestimmten Wert nicht überschreiten. Der Hersteller spezifiziert aus diesem Grunde die maximale Sperrschichttemperatur T j, dazu noch den maximalen Durchlassstrom F und die maximale Verlustleistung P tot. Die Sperrschichttemperatur ist in den wenigsten Fällen direkt kontrollierbar. Hingegen sind die letzteren zwei Grössen in der Praxis bequem überprüfbar und können in eine Schaltungsberechnung gut einbezogen werden. P tot T j T = R thj a amb T j : T amb : R th j-a : Sperrschichttemperatur mgebungstemperatur spez. Wärmewiderstand Statische Kenndaten Durchlassspannung ( F ) = f( F, T j ) Die Durchlassspannung F (V F ) wird bei einem definierten Durchlassstrom F als Mittelwert oder Grenzwert spezifiziert. Auch die Durchlassspannung F ist temperaturabhängig (durch umstellen der folgenden Formel: = ( ) S T exp 1 T Sperrstrom ( R ) = f( R, T j ) Der Sperrstrom R wird bei einer definierten Sperrspannung R (V R ) und Sperrschichttemperatur T j spezifiziert. Bei konstanter Sperrspannung gilt als Faustregel: Der Sperrstrom verdoppelt sich pro 10 C Temperaturerhöhung. by Egon Pfammatter 6 /

7 Dynamische Kenndaten Die Diode hat die Eigenschaft, Ladungen in der Raumladungszone zu speichern. Dies äussert sich in der Praxis darin, dass die Diode nicht beliebig schnell vom leitenden in den sperrenden Betrieb wechseln kann und dass sie sich bei hohen Frequenzen anders verhält als bei tiefen. Die Diodenkapazität C d und die Schaltzeit t rr der Diode sind begründet in der Eigenschaft des p- n- Übergangs, Ladungen zu speichern. Ohne eine externe Spannung wird die p- Schicht und die n- Schicht unterschiedlich aufgeladen. Da kein Ladungsaustausch stattfinden kann, bleiben die Ladungen in der Diode gespeichert. Die Schaltzeit t rr hat dieselbe physikalische Grundlage, da es eine gewisse Zeit dauert bis eine Diode vom sperrenden zum leitenden Zustand wechseln kann, entsteht ein Zeitverzögerung, die Schaltzeit t rr. Man darf festhalten, dass t rr und C d geschwindigkeitsbegrenzende Faktoren darstellen. Sie beschränken den nutzbaren Frequenzbereich. Grosse Werte für t rr und C d machen die Diode ungeeignet für Hochfrequenz- und Mikrowellen- Anwendungen. Es gibt noch zwei andere Kapazitäten, nämlich die Diffusionskapazität und die Sperrschichtkapazität. Der Diodenwiderstand R = F F = S exp T 1 m Gegensatz zum ohmschen Widerstand als Bauelement ist der Widerstand der Diode nicht eine konstant Grösse, sondern vom Betriebszustand abhängig. Der Gleichstromwiderstand Der Widerstand in obiger Beziehung wird Gleichstromwiderstand genannt. Man erhält den Gleichstromwiderstand, indem man oder der Diodengleichung durch die Definitionsgleichung des ohmschen Widerstandes ersetzt. Somit ergibt als zweites Resultat: R = ln S + 1 T Den Widerstand R kann man auch graphisch 0 aus der Diodenkennlinie bestimmen: R =. 0 Der Gleichstromwiderstand ist bei kleinen Betriebsströmen gross und nimmt mit wachsendem Strom ab. by Egon Pfammatter 7 /

8 Der differentielle Widerstand r d = der differentielle Widerstand r d ist der Widerstand einer Diode gemessen in einer Schaltung mit einem Anteil von Wechselspannung/ Wechselstrom. Der Bahnwiderstand Die Gleichung der Diodenkennlinie beschreibt das Strom- Spannungsverhalten des p- n- Überganges. Der daraus abgeleitete Diodenwiderstand charakterisiert lediglich das Widerstandsverhalten der Sperrschicht. Die Diode als Bauelement weist in Serie dazu noch weitere Widerstandsgebiete auf. Es sind dies die metallischen Anschlussdrähte, die zwei Metall- Halbleiter- Kontakte und die beiden Bahngebiete. Während die beiden ersten Komponenten keine nennenswerten Widerstandsbeiträge liefern, kann der Einfluss der Bahngebiete auf den totalen Diodenwiderstand nicht ganz vernachlässigt werden. Der Diodenwiderstand setzt sich also genau genommen zusammen aus dem Widerstand des p- n- Überganges und einem seriellen Bahnwiderstand R B. Typische Werte für R B liegen zwischen Ω und 15 Ω. Anwendungsbeispiele für Dioden AM- Demodulator Mit dem Kristalldetektor konnten bereits in der Anfangszeit der Funktelegrafie die elektromagnetischen Schwingungen, welche damals mit Funkeninduktoren erzeugt wurden, im Hörer zu vernehmbaren Tönen umgewandelt werden. Bei der Nachrichtenübertragung wird das Analog- Signal (z.b. Ton oder Bild) einem hochfrequenten Trägersignal aufmoduliert. Der Modulationsträger kann in Amplitude, Frequenz oder Phase variiert werden. Dementsprechend werden die drei Modulationsverfahren: Amplitudenmodulation (AM). Frequenzmodulation (FM) und Phasenmodulation (PM) genannt. Die Amplitudenmodulation ist die einfachste Modulationsmethode. Sie ist schaltungstechnisch einfach und kostengünstig zu realisieren. Auf der Seite des Empfängers wird das AM- Signal verstärkt und demoduliert. Als AM- Demodulation bezeichnet man die Rückgewinnung des niederfrequenten Nutzsignals aus dem AM- Signal. Die AM- Demodulation erfordert dank der Diode einen sehr geringen Schaltungsaufwand. Die hochfrequenten Schwingungen sind nur für die Übertragung selbst von Bedeutung und werden deshalb beim Empfänger wieder eliminiert. Am Eingang des Demodulators liegt eine modulierte Trägerspannung u 1 (t) an. Bei jeder positiver Halbwelle lädt sich der Kondensator auf. Bei der negativen Halbwelle sperrt die Diode, und der Kondensator entlädt sich ein wenig über den Widerstand R. Durch eine optimale Dimensionierung von C und R wird erreicht, dass die Ausgangsspannung u 2 (t) der Enveloppe u 1 (t) folgt. Die Spannung u 2 (t) hat ungefähr den Verlauf des ursprünglichen niederfrequenten Signals. Durch weitere Filterung kann das ursprüngliche niederfrequente Signal wieder rekonstruiert werden. by Egon Pfammatter 8 /

9 Gleichrichterschaltungen Die Schalt- Charakteristik von Dioden macht man sich beim Bau von Netzgräten für elektronische Schaltungen zunutze. Die elektrische Energie bezieht das Netzgerät aus dem 230 V Wechselstromnetz und liefert am Ausgang eine Gleichspannung 0 von einigen Volt. Es werden diverse Gleichrichterschaltungen unterschieden: Einweg- Gleichrichter Zweiweg Gleichrichter Grätz- Gleichrichtung Funkenlöschung bei einem Relais Wenn der Speisestrom bei Schaltungen mit nduktivitäten abrupt unterbrochen wird, entstehen Überspannungen, die Störungen oder Defekte in der Schaltung hervorrufen können. Aus diesem Grund sucht man eine Möglichkeit diese Überspannungen zu vermeiden. Eine Möglichkeit ist, eine Diode parallel in Sperrrichtung zum Relais zu Schalten. Da die nduktionsspannung der Relaisspule in Gegenrichtung der Speisespannung gepolt ist, wird die Diode beim Ausschalten der Speisespannung leitend, der Strom der daraus entsteht kann somit über die Diode wieder zurück zu Relais fliessen, die nduktionsspannung sinkt somit, und die Schaltung wird somit vor Überspannungen geschützt. Logische Schaltungen mit Dioden n der Digitaltechnik werden Dioden als Schaltelemente zur Realisierung von logischen Verknüpfungen eingesetzt. Die Schaltung, die die nformationen verknüpft nennt man kombinatorische oder logische Schaltung. Ein Merkmal von Logik- Schaltungen sind die diskreten Signalniveaus. Moderne nformationsverarbeitungs- Schaltungen, zu welchen z.b. Computer zählen, kennen nur zwei Signalzustände: die (logische) Null 0 und die logische Eins 1. n der praktischen Realisierung entsprechen 0 und 1 je zwei spezifizierten Spannungsbereichen (z.b. Binärwert 0: -3 V bis +5 V und Binärwert 1: +13 V bis +30 V). by Egon Pfammatter 9 /