U D. qn I D l n. -qn AI. E max

Transkript

1 Der nübergang feststehende Dotieratome n qn D U D l n qn I D l n qn AI qnal l qn A x E max E n l n l x file:///c:/n_uebergang.html file:///c:/drift.html Diffusion.html l n l x n 1 Elektronik I Fünf Punkte Programm 1. a) Elektronen strömen aufgrund des Konzentrationsgefälles in das Gebiet. Zurück bleiben ortsfeste, ionisierte Donatoratome (os. geladen) b) Löcher strömen aufgrund des Konzentrationsgefälles in das ngebiet. Zurück bleiben ortsfeste ionisierte Akzetoratome (neg. geladen). Es fließen also die Diffusionsströme I Dn und I D 2. Es entsteht eine Raumladungszone RLZ: a) ositiv im ngebiet b) negativ im Gebiet 3. Die Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld E, dieses erzeugt einen Feldstrom. a) Elektronenstrom I Fn b) Löcherstrom I F 2 Elektronik I

2 Fünf Punkte Programm 4. Ohne äußere Sannung heben sich Feld und Diffusionsstrom gegenseitig auf 0, es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein. 5. Das bestehende elektrische Feld führt zu einer inneren Sannung, der sog. Diffusionssannung V D. 3 Elektronik I Der nübergang feststehende Dotieratome n 1. Raumladung: qn D l n U D qn I D l n qn AI qnal l qn A x 2. Feldstärke: E max E E x 1 3. Sannungsverlauf: n l n l n l l x x : ä, 0 0 8,86 10 n 4 Elektronik I

3 Diffusionssannung 1 2 n 1 =N D n 2 =n i2 /N A n n 1 n2 I Dn I Fn I D I F 0:, Gleichung für die Elektronen: I Fn =I Dn 1 ; 1 5 Elektronik I Diffusionssannung 1 2 n 1 =N D n 2 =n i2 /N A n n 1 n2 1 I Dn I Fn I D I F ln 1 2 ln 1 ln 2 =U T Elektronik I

4 nseite: n 1 = N D ; Seite: n 2 =n i2 /N A U D hängt also von den Dotierkonzentrationen und der Eigenleitungsdichte ab. tyische Werte: Si: 0,7V; Ge:0,3V 7 Elektronik I Serrschichtweite allgemein: nübergang mit unsymmetrischer Dotierung z. B: N D > N A qn D l n qnal Neutralitätsbedingung: Q = Q N D * q * A * l n = N A * q * A * l N D * l n = N A * l Die Serrschicht erstreckt sich vor allem in die niedrig dotierte Seite des nübergangs! 8 Elektronik I

5 Serrschichtweite lges = ln l =? qn D l n Feldstärke: qnal E x 1 : ä, 0 0 8,86 10 Neutralitätsbedingung: N D * l n = N A * l Sannungsverlauf: U D x 1 2 E max Elektronik I Serrschichtweite lges = ln l =? U D x 1 2 E max Merke: Technische Dioden haben fast immer eine unsymmetrische Dotierung. je höher die Dotierung desto kleiner die RLZ 10 Elektronik I

6 Verhalten mit äußerer Sannung a) U < 0 (Rückwärtsrichtung) U n Elektronen im ngebiet werden nach links gesaugt. Löcher im Gebiet werden nach rechts gesaugt. 1) RLZ verbreitert sich 2) RLZ ist nach wie vor (fast) ohne freie (bewegliche) Ladungsträger 3) Die ständige thermische generierten Minoritätsträger erzeugen einen kleinen Serrstrom (Feldstrom). 11 Elektronik I Verhalten mit äußerer Sannung b) U > 0 (Vorwärtsrichtung) U n Elektronen strömen von der linken Seite ins ngebiet. Löcher strömen von der rechten Seite ins Gebiet. Sie kommen bis zur RLZ und werden dort vom Feld abgedrängt: 1) RLZ wird schmaler 2) Bei steigender Sannung verschwindet die RLZ ganz; Strom beginnt zu fließen. Dieser Strom ist ein reiner Diffusionsstrom. 12 Elektronik I

7 Serrweite für U 0 U U D n Die insgesamt an der Raumladungszone anliegende Sannung ist jetzt: U ges = U D U 1. Bei Serrsannung (U<0) addieren sich U D und U. 2. Bei Sannungen in Durchlassrichtung (U>0) subtrahieren sich U und U D. Die Serrschichtweite hängt jetzt von U ges ab (Einsetzen von U ges = U D U anstelle U D ): U ges 13 Elektronik I Serrweite für U 0 U U D n U ges l ges 2ε q U D U 1 1 N A N D U D ln n i 2 U T D n μ n 14 Elektronik I

8 Ladungsträgerdichten U n Flussolung n=n D n=n i2 /N A =n 0 = N D n* U = 0,8 V n* U = 0,6 V Verlauf der Minoritäten im Fremdgebiet bei Flussolung n 0 L n x Ladungsträgerdichten n* n (x) = n* e x/l n (x) n(x) n* = n 0 e U/U T L n x

9 Ladungsträgerdichten Für U > 0: Elektronen strömen als Feldstrom von der Sannungsquelle durch das ngebiet in die RLZ. Die Dichte am rechten Rand der RLZ erhöht sich von n 0 auf n *. Die Elektronen diffundieren dann ins Gebiet wo sie mit den Löchern rekombinieren. Es ergibt sich ein exonentieller Abfall: n (x) = / (**) Näherung: n (x) = / mit L n : Diffusionslänge der Elektronen im Gebiet 17 Elektronik I Ladungsträgerdichten Nebenbei: Es gilt: Diffusionskonstante Minoritätsträgerlebensdauer Ty. Größen: Dicke der RLZ: l ges < 0,5µm L n = µm 18 Elektronik I

10 Zeichnen einer Funktion Beisiel: f(x) ,368 0,37 a x Ableitung: Steigung bei x=0: 0 19 Elektronik I Ladungsträgerdichten: Wie groß ist n*? Für U =0 kennen wir die Formel schon: ; Für U 0 wird U ges zu: U ges = U D U =n 0 U>0: Anhebung von n* U<0: Absenkung von n* 20 Elektronik I

11 Welcher Strom fließt? U > 0: Diffusionsstrom Bei Sannungen in Vorwärtsrichtung ergibt sich ein Diffusionsstrom der Elektronen auf der Seite. Gleichung (**): n (x) = / Wir wählen x=0: = = / Elektronik I Welcher Strom fließt? = = 1 = A q 1 A q 1 2 An der linken Seite der RLZ ergibt sich für die Löcher eine ähnliche Formel. Gesamtstrom: A q 1 I 0 : Sättigungsstrom 22 Elektronik I

12 Die Diodenkennlinie Die ShockleyGleichung: Für den nübergang ergibt sich folgende Gleichung (ShockleyGleichung): ä A q Elektronenstrom Löcherstrom Sonderfälle: U<0: 0 U>>0: 23 Elektronik I Gesamtstrom U n N D = 2 N A I Ges Strom I Elektronenstrom (Feldstrom) Löcherstrom (Feldstrom) Löcherstrom (Diffusionsstrom) Elektronenstrom (Diffusionsstrom)

13 Die Schleusensannung Die Diodenkennlinie hat beim Sannungswert U S scheinbar einen Knick, ab dem der Strom deutlich ansteigt U S nennt man Schleusensannung. Sie wird tyischerweise definiert als Sannung, bei der 1/10 des Maximalstroms fließt. Gleichzeitig ist U S die Sannung, die die am n Übergang vorhandene Diffusionssannung U D gerade komensiert: U S ist also die Sannung, bei der die RLZ ganz abgebaut ist. tyische Werte: Si: U S =0,7V Ge: U S =0,3V 25 Elektronik I Temeraturabhängigkeit der Diodenkennlinie 1. Fall: Serrolung μ ; A q μ stärkste Abhängigkeit von T Wir kennen: ² hysikalischer Grund: Es werden mehr Ladungsträgeraare erzeugt, die entstandenen Minoritätsträger führen zu stark steigendem Serrstrom. Faustregel bei Si: Serrstrom verdoelt sich alle 7 Kelvin 26 Elektronik I

14 Temeraturabhängigkeit der Diodenkennlinie 2. Fall: Durchlassolung: Bei Flussolung fließt vor allem ein Diffusionsstrom. Dieser steigt mit steigender Temeratur (allerdings nicht so stark wie der Serrstrom). Lässt man den Strom konstant, so sinkt die Diodensannung etwas. Faustregel: Pro Kelvin verringert sich U um 2mV.. 27 Elektronik I Dynamisches Verhalten, Kleinsignalverhalten Angenommen wir legen eine Gleichsannung an unsere Diode und überlagern dieser noch eine kleine Wechselsannung. In diesem Fall bezeichnet der Widerstand und die Kaazität, die diese Wechselsannung sieht, das Kleinsignalverhalten der Diode. Einfaches Ersatzschaltbild (ESB): : : ä : ä Die einzelnen Größen ändern sich je nach dem eingestellten Gleichstrom bzw. Arbeitsunkt. 28 Elektronik I

15 Differentieller Leitwert An jedem Punkt der Kennlinie ergibt sich ein anderer differentieller Leitwert. für gilt: 1 Arbeitsunkt Der differentielle Leitwert ist also direkt roortional zum Strom. 29 Elektronik I Serrschichtkaazität U n U=0V U<0V geseicherte Ladung Allgemeine Definition von Kaazität: Bei Anlegen einer Serrsannung verändert sich die Breite der RLZ Die geseicherte Ladung ändert sich es wirkt die Serrschichtkaazität. 30 Elektronik I

16 Andere Betrachtungsweise zur Serrschichtkaazität n Die vielen ositiven und negativen Ladungen wirken wie viele kleine Kaazitäten, die arallelgeschaltet sind. Wir vergleichen dies mit einem Plattenkondensator, der einen mittleren Plattenabstand hat. Wir setzen : Im Gegensatz zu einem normalen Plattenkondensator ist hier der Plattenabstand und damit auch die Kaazität eine Funktion der Sannung! 31 Elektronik I Andere Betrachtungsweise zur Serrschichtkaazität Von Folie 13 wissen wir: ~ In Kaazitätsdioden nutzt man diese Abhängigkeit aus. Falls man kennt, kann man daraus bestimmen: 1 ~ X X 1 X 32 Elektronik I

17 Diffusionskaazität Wird eine Diode in Durchlassrichtung betrieben, so strömen Majoritätsträger über den Übergang ins fremde Bahngebiet, wo sie Minoritätsladungsträger nach kurzer Zeit und Wegstrecke rekombinieren. Sie sind dort eine gewisse Zeit lang geseichert. Erhöht man die Sannung, so werden N D n n(x) U = 0,6 V U = 0,3 V mehr Ladungsträger geseichert: Formel für (ohne Herleitung): L: Diffusionslänge D: Diffusionskonstante : differentieller Leitwert x ~ ~ Die Diffusionskaazität wirkt faktisch nur bei Flussolung und ist i.a. größer als. 33 Elektronik I Diffusionskaazität n C Ges = C S C D N D n(x) U = 0,6 V C = f(u) U = 0,3 V C S C D x U S U

18 Ein / Ausschaltverhalten R u(t) i(t) U 1 u(t) Rechteck Generator t 1) Einschalten: Serrschicht wird abgebaut, und R bestimmen die Einschaltzeit (rise time). U 1 I max i(t) 2) Ausschaltzeit: Die freien Ladungsträger (Minoritäten) müssen ausgeräumt werden. und R bestimmen die Rückwärtshaltezeit (reverse recovery). 0,9 I max I max t r 0,1 I max t t rr Ersatzschaltbilder Je nach Anwendung benutzt man auch für das Großsignalverhalten unterschiedliche ESB: a) Ideale Diode (ideales Ventil) ideale Diode b) Ideale Diode mit Schleusensannung = ideale Diode 36 Elektronik I

19 Ersatzschaltbilder c) Linearisierte Diode = ideale Diode n Anode Kathode 37 Elektronik I Technische Dioden, verschiedene Arten Zenerdioden Durchbrucheffekte 1. Lawinendurchbruch (avalanche breakdown) Beim Lawinendurchbruch (LD) werden die wenigen freien Elektronen in der RLZ so stark beschleunigt, dass sie weitere Elektronen aus der Kristallbindung schlagen können und dabei selbst erhalten bleiben (Stoßionisation, Lawineneffekt). Die notwendige Feldstärke liegt bei etwa 200 KV/cm Quelle: htt:// 38 Elektronik I

20 Durchbrucheffekte Wird die Temeratur erhöht, stoßen die beschleunigten Elektronen öfter mit den stärker schwingenden Gitteratomen zusammen. In diesem Fall ist eine größere Feldstärke notwendig, um den Effekt auszulösen! 2. Zenerdurchbruch Wird eine Diode hochdotiert, so ergibt sich eine kleine Raumladungszone. Bei extrem kleiner RLZ reicht die Beschleunigungsstecke nicht mehr aus, um den LD auszulösen. Stattdessen tritt ab ca. 500 KV/cm der Zenerdurchbruch (ZD) auf. Bei steigender Temeratur sind die Kristallelektronen lockerer gebunden, somit reicht eine kleinere Feldstärke um sie aus den Bindungen zu reißen. 39 Elektronik I Durchbrucheffekte 3. Wärmedurchbruch (WD) Der Wärmedurchbruch kann sich LD und ZD überlagern. Durch die hohen Ströme erwärmt sich die Diode. Dies führt ggf. zum Einsetzen der Eigenleitung (ab ) und einem weiteren Stromanstieg. Im Gegensatz zu LD und ZD führt der WD leicht zur Zerstörung der Diode. 40 Elektronik I

21 Symbol und Zenersannung a) Schaltsymbol b) Zenersannung Die Zenersannung von Zenerdioden nach dem Zenereffekt liegt zwischen 0 und 6 V, die von solchen nach dem Lawineneffekt bei unter 6 V. 6 Lawineneffekt Zenereffekt 5 Definition: 5 41 Elektronik I Symbol und Zenersannung c) Ersatzschaltbild (gilt im Bereich der Serrkennlinie) = ideale Diode : Durchbruchsannung 5 42 Elektronik I

22 Reale Kennlinie a) Durchlassbereich: Die reale Kennlinie weicht von der idealisierten Diodenkennlinie ab (Rekombination in der RLZ). Angleichung durch Verwendung des Idealitätsfaktors m. z. B. für m=2 ideale reale SiDiode b) Serrbereich: Serrstrom ist (etwa 3 Größenordnungen) höher als : z.b. Si: 5 500; Ge: 5 500μ Gründe: Randeffekte, Generation in der Serrschicht 43 Elektronik I Bahnwiderstand Bei hohen Strömen ist der Bahnwiderstand nicht mehr vernachlässigbar. n Bahngebiete haben gewissen Widerstand 44 Elektronik I

23 Durchbruch bei hohen Serrsannungen SiDioden: Lawinendurchbruch bei V Serrsannung GeDioden: Wärmedurchbruch bei V Serrsannung ( (Ge) 80 ) nicht geeignet als Gleichrichtdiode Anwendung Einweggleichrichtung : Glättungskondensator siehe Übung Anforderungen an Gleichrichtdioden: möglichst groß möglichst groß möglichst klein möglichst klein 45 Elektronik I Kaazitätsdioden oder Bei Kaazitätsdioden nutzt man folgendes aus: Dotierung des niedrig dotierten Bereichs 46 Elektronik I

24 Kaazitätsdioden Kennlinie Anwendung: z.b. Frequenzeinstellung beim Fernsehtuner Schwingkreis 47 Elektronik I GeSitzendioden Verschweißen der Metallsitze mit GeKristall: Zone entsteht durch Dotierung sehr kleine Fläche der Serrschicht kleines Cs und Cd großes Rb Verwendung von Ge: kleines Us (0,3V) hohe Beweglichkeit (μ 3500 ) zum Vergleich Si: μ 1350 ; μ 480 Einsatz: Gleichrichtung von HFSannung [HFMischer] 48 Elektronik I

25 SchottkyDioden Schaltsymbol Funktionsweise: Eine SchottkyDiode (auch HotCarrierDiode) besteht aus einem MetallHLÜbergang: Damit sich eine Serrschicht ausbilden kann, müssen die Austrittsenergien von HL und Metall unterschiedlich sein. : Energie, die notwendig ist, um ein Elektron aus dem Kristall ins Unendliche zu bringen (nach ). Ist, so entsteht im Energiediagramm eine Stufe. 49 Elektronik I Aufbau und Banddiagramm (getrennte Kristalle) (verbundene Kristalle) W Fermi : Die Energie, die die Elektronen im Mittel haben 50 Elektronik I

26 SchottkyDioden Elektronen strömen von der HLSeite zum Metall, um einen niedrigeren Energiezustand zu erhalten. Zurück bleiben ionisierte Donatoratome. Auf der Metallseite bildet sich eine negative Oberflächenladung. [Elektronenaffinität z.b. Al 4,1eV, nsi 4,05eV] 1. Fall: U>0 (Minus an nseite) Elektronen strömen von rechts zum Übergang und bauen die RLZ ab. Strom fließt, 0,3 2. Fall U<0: Die Stufe kann nicht überwunden werden. Diode serrt. 51 Elektronik I Vergleich der Diodenkennlinien und werte Parameter SiDiode GeDiode SchottkyDiode Schleusensannung U S 0,7 0,8 V 0,3 0,4 V 0,3 0,4 V Serrstrom I R nabereich ABereich ABereich Durchbruchsannung U Rmax V V V Rückwärtserholzeit t rr 100 ns 10 ns 0,1 ns 52 Elektronik I

27 Praxiswissen Bauformen Je nach Anwendung werden verschiedene Bauarten von HL Dioden verwendet. a) Flächendioden: tyischerweise SiDioden (normale Bauart) Aufbau als Planardiode: b) Sitzendiode (hatten wir schon) c) Leistungsdioden (Gleichrichter) meist aus Si, ist allerdings emfindlich gegen Überströme sonst Selen (Se) 53 Elektronik I Bauformen von Dioden SiPlanardiode GeSitzendiode 54 Elektronik I

28 Bauformen von Dioden Schottkydiode Leistungsdiode 55 Elektronik I DiodenBezeichnungsschema nach PRO ELECTRON Die Tyenbezeichnung besteht aus zwei Buchstaben und einem laufenden Kennzeichen. z.b.: A A 119 B A Y93 Material Funktion Kennzeichen Material: A Germanium B Silizium C GaAs oder InP R Photoleitermaterial Funktion: A Schalt, Universaldiode B Kaazitätsdiode E Tunneldiode P Photodiode X Varaktordiode Y Leistungsdiode Z ZDiode Kennzeichen: 3 Ziffern bei Konsumertyen 1 Buchstabe 2 Ziffern bei Industrietyen 56 Elektronik I

29 DiodenBezeichnungsschema nach PRO ELECTRON Da die Bauteile meist zu klein zum Aufdrucken einer Kennung sind, wird vielfach eine Ringkodierung verwendet: Kathode zwei breite Ringe zwei schmale Ringe 1. Ring: 2. Ring: Schmale Ringe: Braun: Rot: AA BA Weiß: Z Grau: Y Schw.: X Blau: W Grün: V Gelb: T Orange: S Schw.: 0 Braun: 1 Rot: 2 Orange: 3 Gelb: 4 Grün: 5 Blau: 6 Violett: 7 Grau: 8 Weiß: 9 (Codierung wie bei Widerständen) 57 Elektronik I DiodenBezeichnungsschema nach PRO ELECTRON Bei Industrietyen gibt es auch folgende Abwandlung der Kennzeichnung: Gehäusefarbe breiter Ring schmaler Ring Kathode Gehäusefarbe: Breiter Ring: Schmale Ringe: Hellgrün: Hellblau: Schwarz: BAV BAW BAX Codierung wie bei Widerständen Codierung wie bei Widerständen 58 Elektronik I

30 DiodenBezeichnungsschema nach JEDEC Die Tyenbezeichnung besteht aus 1N und einer Kennung aus vier Buchstaben. z.b.: 1N PNÜbergang Kennzeichen ein breiter Ring drei schmale Ringe Kathode Codierung wie bei Widerständen: Schw.: 0 Braun: 1 Rot: 2 Orange: 3 Gelb: 4 Grün: 5 Blau: 6 Violett: 7 Grau: 8 Weiß: 9 59 Elektronik I Bezeichnungsschema für ZDioden Neben der Kennzeichnung von Material und Funktion wird noch die Zenersannung samt Toleranz codiert: Material: Si Funktion: ZDiode Industriety Seriennr. Toleranzangabe A=1%, B=2%,C=5%, D=10%, E=15% ZNennsannung z.b.: B Z X 97 C 5 V 6 Kommastelle für ZSannung Diese Codierung wird meist bei ZDioden kleiner Leistung angewendet. 60 Elektronik I

31 Bezeichnungsschema für ZDioden LeistungsZenerdioden heißen z.b. ZX3,9 Diode mit Zenersannung 3,9 V; 12,5 W; Toleranz /5 % ZPU120 Diode mit Zenersannung 120 V; 1,3 W; Toleranz /10 % 61 Elektronik I Exemlarische Datenblätter 62 Elektronik I

32 63 Elektronik I 64 Elektronik I

33 65 Elektronik I 66 Elektronik I

34 67 Elektronik I 68 Elektronik I