2 Dioden 2.1 Der PN-Übergang Der PN-Übergang ohne äußere Spannung

Transkript

1 2 Dioden 2.1 Der PN-Übergang Der PN-Übergang ohne äußere Spannung Ein PN-Übergang entsteht immer dann, wenn P- und N-Material direkt in Berührung kommen, z. B. also dann, wenn ein Halbleitermaterial auf der einen Seite mit Akzeptoren und auf der anderen mit Donatoren dotiert wird. Dazu bringt man in das Kristallgitter des Siliziums andere Atome ein, die nicht vier, sondern entweder 5 Valenzelektronen haben (für n-dotierung, z.b. Phosphor oder Arsen) oder nur drei (für p-dotierung, in der Regel Bor). n-dotierung Das fünfte Valenzelektron wird nicht für eine Bindung gebraucht, es bleibt nur locker an das remdatom gebunden. Aus dieser Bindung kann es mit geringem Energieaufwand herausgerissen und frei im Silizium beweglich werden. p-dotierung Die ungesättigte Bindung nimmt begierig jedes zufällig vorbeikommende freie Elektron auf. Die folgende Skizze zeigt die Vorgänge bei der Herausbildung einer Raumladungszone an einem PN- Übergang. Die thermischen Bewegungen der freien Elektronen und Löcher ermöglichen diese Wanderung, die als Diffusion bezeichnet wird. In der mgebung des PN-Übergangs entsteht daher eine Schicht, in der praktisch keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Dieser Bereich, der im P-Material durch die negativen Ionen negativ, im N-Material durch die positiven Ionen positiv geladen ist, wird als Raumladungszone bezeichnet. Die entstehende Diffusionsspannung kann von außen nicht direkt gemessen werden. Sie beträgt je nach dem verwendeten Halbleitermaterial, der Stärke der Dotierung und der herrschenden Temperatur zwischen 0,1 und über 2 V.

2 2.1.2 PN-Übergang in Durchlassrichtung Liegt Plus am P- und Minus am N-Material, so ist ein PN-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt. Die angelegte äußere Spannung, bei der der PN-Übergang niederohmig wird, heißt Schwellspannung, Schleusenspannung oder lussspannung. Sie hat ungefähr den gleichen Wert wie die Diffusionsspannung. Mit steigender Temperatur sinkt die Schwellspannung (die Diffusionsspannung steigt). Der Temperaturkoeffizient der Schleusenspannung beträgt -2 mv/k PN-Übergang in Sperrrichtung Liegt Plus am N-Material und Minus am P- Material, so ist ein PN-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt. Über einen gesperrten PN-Übergang fließt nur der sehr kleine Sperrstrom. Bei zu hohen Sperrspannungen bricht der PN- Übergang durch und kann in diesem Bereich zerstört werden. Mögliche Durchbrucharten: Wärmedurchbruch: Durch ansteigende Verlustleistung und unzureichende Strombegrenzung. Avalanche-(Lawinen-)Durchbruch (bei Spannungen meist größer als 6V): Je größer die Sperrspannung ist, desto stärker werden die in der Raumladungszone entstehenden freien Elektronen beschleunigt. Ab einer bestimmten Größe der Sperrspannung reicht ihre Bewegungsenergie aus, um beim Anstoßen an ein Atom aus diesem weitere freie Elektronen herauszuschlagen. Diese werden durch die äußere Spannung wieder so stark beschleunigt, dass sie aus den Atomen, gegen die sie stoßen, wieder freie Elektronen herausschlagen. Dadurch entstehen in der Raumladungszone plötzlich sehr viele freie Ladungsträger, so dass der PN-Übergang niederohmig wird. Zener-(eld-)Durchbruch (bei Spannungen meist unter 6V): Bei sehr starker Dotierung am PN-Übergang entsteht wegen der großen Raumladungsdichte eine sehr schmale Raumladungszone. Dadurch besteht in der Raumladungszone eine sehr große elektrische eldstärke, die beim Anlegen einer Sperrspannung noch erhöht wird. Übersteigt die eldstärke den Wert von ca. 20 kv/mm, so werden durch sie Elektronen der äußeren Schale aus den Atomen gerissen. Dadurch steigt die Zahl der Ladungsträger wiederum stark an.

3 Die Kennliniengleichung des PN-Übergangs kann man mit der Gleichung m I I T 1 S e 1 m 2 Steigungsfaktor beschreiben. Der Steigungsfaktor gibt eine Kennlinienkorrektur für Hochstrominjektion an. Der Sättigungsstrom kann aus Bauelementeparametern berechnet werden und liegt in der 15 Größenordnung von ca A. ( ) ür den Durchlassbereich ( T T e 1) gilt I I e I. R I S S und für den Sperrbereich ist Die Thermospannung T lässt sich wie folgt ermitteln: k T 23 Ws 19 T k 1, e 1, As e K ( T Thermospannung, k Boltzmannkonstante, T absolute Temperatur in K, e Elementarladung) ür den praktischen Gebrauch kann man für die lussspannung I ln 1 T I S davon ausgehen, dass bei konstant gehaltenem Durchlassstrom I die Durchlassspannung pro Grad Temperaturerhöhung um ca. 2 mv abnimmt (TK=- 2 mv/k).

4 Sperrschichtkapazität Die Sperrschicht besteht aus einer Verarmungszone der Dicke x p + x n =x ges. Wenn man alle Randeffekte vernachlässigt, ergibt sich die Sperrschichtkapazität zu A A Cs d x oder mit dem Ausdruck für die Sperrschichtweite C s ges ges e N A n (Größenordnung im p-bereich) 2 Die Abbildung zeigt den Verlauf der Sperrschichtkapazität über der angelegten Spannung. Weil sie eine über die Sperrspannung elektrisch steuerbare Kapazität ist, wird sie gerne dann benutzt, wenn eine einstellbare Kapazität erforderlich ist, z.b. für den Senderabgleich in Empfängerschaltungen. Die dafür speziell gebauten Kapazitätsdioden (Varicaps) sind weit verbreitete Bauelemente. In Durchlassrichtung steigt die Sperrschichtkapazität zwar auf hohe Werte an, ist aber wegen des parallel geschalteten pn-übergangs nahezu kurzgeschlossen und daher technisch nicht brauchbar. Der bei D erreichte Kapazitätswert liegt etwa bei dem Vierfachen der Nullkapazität C so. Diffusionsspeicherladung An der Sperrschicht lässt sich auch in Durchlassrichtung ein Speichereffekt beobachten. Die Diffusionskapazität bestimmt Grenzfrequenz und Schaltgeschwindigkeit der Bauelemente, bei denen die Minoritätsträgerinjektion an Sperrschichten der wesentliche unktionsträger ist, also bei Dioden mit pn-übergang und bei bipolaren Transistoren.

5 ür den pn-übergang bedeutet dies, dass das mschalten von Durchlass- auf die Sperrrichtung verzögert erfolgt, weil die Diffusionskapazität erst entladen werden muss. Die gespeicherten Ladungsträger diffundieren jetzt auf die Sperrschicht zu und fließen als stark erhöhter Sperrstrom ab. Die dadurch entstehende Verzögerungszeit heißt Rückwärtserholungszeit (reverse recovery time) oder Sperrverzögerungszeit. Die Abbildung zeigt den Verlauf des Stromes durch den pn-übergang nach mschalten der Spannung von Durchlass- auf Sperrrichtung. Die schraffierte läche entspricht der Diffusionsspeicherladung. 2.2 Diodenschaltungen Elektrisches Verhalten der Diode Wechselspannung ist groß gegen die Durchlassspannung Die Durchlassspannung der Diode ist bei vernachlässigtem ohmschen Spannungsabfall: I T ln I S Diese Spannung ändert sich nur logarithmisch, d.h. sehr wenig mit dem Durchlassstrom. Eine kurze Beispielsrechnung zeigt, dass sich die Durchlassspannung im Bereich der technisch interessanten Ströme nur von ca. 0,4V bis maximal 0,9V ändert, obwohl der Strom über viele Zehnerpotenzen variiert wird. Betreibt man eine Diodenschaltung beispielsweise an der üblichen Netzwechselspannung von 230V, so ist die Voraussetzung (0,4...0,9) V sicherlich gut erfüllt. Zeichnet man die Diodenkennlinie in ein Diagramm für große Spannungen und Ströme, so lassen sich Durchlassspannung und Sperrstrom nicht mehr erkennen und die Diode wird zum idealen Gleichrichter. In der folgenden Schaltung ist der Durchlassstrom RL uˆ sin t uˆ sin t I R R R L L L

6 2.2.2 Gleichrichterschaltungen Einweggleichrichter mit Ladekondensator Die Ausgangsspannung des Einweggleichrichters der zuvor besprochenen Schaltung ähnelt einer Gleichspannung nur wenig. Baut man aber einen Ladekondensator ein, unterdrückt man also die verbliebenen Wechselkomponenten, so erhält man eine Ausgangsspannung, die einer Gleichspannung ähnlicher ist. Die Spannung am Lastwiderstand ist einer Gleichspannung ähnlicher geworden. Der Ladekondensator wird periodisch auf die Spitzenspannung aufgeladen und entlädt sich während des größeren Teils der Periode über den Lastwiderstand.

7 Zweiweggleichrichter Zweiweggleichrichter nutzen beide Halbschwingungen der Wechselspannung aus. Man unterscheidet zwei Arten: Die Mittelpunktsschalt ung erfordert eine symmetrische Wechselspannungsq uelle, die z.b. ein Transformator mit Mittelanzapfung sein kann. Den Spannungsverlauf am Lastwiderstand zeigt das folgende Bild. Die Brückenschaltung (Graetz-Schaltung) nach folgendem Bild erfordert keine symmetrische Spannung, aber 4 Dioden. Viele Hersteller bieten für diesen Zweck 4 Dioden in einem gemeinsamen Gehäuse an. Während der positiven Halbschwingung leiten die Dioden 1 und 3, während der negativen die Dioden 2 und 4. Der Spannungsverlauf am Lastwiderstand gleicht dem der Mittelpunktsschaltung. Spannungsvervielfacher Der Einweggleichrichter mit Ladekondensator lässt sich zu spannungsvervielfachenden Gleichrichterschaltungen erweitern. Die nächste Abbildung zeigt die Greinacher-Schaltung zur Spannungsverdopplung. Sie besteht aus zwei Einweggleichrichterschaltungen mit Ladekondensator, deren Ausgangsspannungen in Serie geschaltet sind. Die Ausgangsspannung der Schaltung ist RL 2 uˆ.

8 Will man noch höhere Gleichspannungen erreichen, so kann man Vervielfacherkaskaden des nächsten Bildes einsetzen.! D3 falsch gepolt!!!! An den gezeichneten Stellen lassen sich die Gleichspannungen uˆ, 2 uˆusw. bis n uˆabnehmen, die durch fortgesetzte Addition der Teilspannungen der einzelnen Gleichrichter gewonnen werden Stabilisierungsschaltung Mit Dioden lassen sich Stabilisierungsschaltungen aufbauen, wenn man sie im Bereich kleinen differentiellen Widerstandes betreibt. Dies kann auch der Durchlassbereich sein. Meistens werden Stabilisierungsschaltungen aber mit Z-Dioden aufgebaut, das sind Dioden, die im Bereich des Spannungsdurchbruchs betrieben werden, in dem die Diode einen kleinen differentiellen Widerstand hat. m auf kleine Durchbruchsspannungen zu kommen, müssen diese Dioden vergleichsweise hoch dotiert sein. ür jede gewünschte Durchbruchsspannung ist eine andere Dotierung erforderlich. Die Abbildung zeigt die Kennlinie der Z-Diode im Durchbruchsgebiet, im Teilbild b) sieht man das einfache Ersatzschaltbild und Schaltzeichen. Die Betriebsschaltung zur Spannungsstabilisierung enthält neben der Z-Diode noch einen Vorwiderstand RV. Die zu stabilisierende Spannung e ist im Allgemeinen eine gleichgerichtete Spannung, die um den Mittelwert e0 herum um den Betrag e schwanken kann. Die Schaltung liefert die Ausgangsspannung a0, deren Schwankungsbreite auf a reduziert wurde.

9 Diese Schaltung liefert eine Ausgangsspannung, die gleich der Summe aus Z-Spannung Z0 und der Spannung ist, die der Spannungsteiler aus Vorwiderstand RV und differentiellem Widerstand rz liefert. Die Ausgangsspannung enthält einen konstanten Anteil a0 und den Anteil a, der die Schwankungen beinhaltet. Somit gilt für die Schwankungen r a e Z RV rz Die Schwankung der Ausgangsspannung ist um den Glättungsfaktor r G a Z e RV rz kleiner geworden, die Ausgangsspannung wurde also stabilisiert. Der Kehrwert des Glättungsfaktors ist der Stabilisierungsfaktor S 1 R r S V Z G rz Der Stabilisierungsfaktor wird umso größer, je kleiner rz und je größer RV ist. Man kann RV jedoch nicht beliebig vergrößern, da dann die Belastbarkeit der Schaltung sinkt. Beispielswerte: rz liegt in der Größenordnung von etwa 1 bis 100, und erreichbare Stabilisierungsfaktoren liegen unter 50. Das Verhältnis der Absolutwerte der Schwankungen a/e ist der Stabilisierungfaktor. Oft wird auch ein relativer Stabilisierungsfaktor angegeben: / R r S rel a a 0 V Z e 0 e / e 0 rz a0 2.3 Photodioden und Solarzellen Photodioden Der Strom über eine Sperrschicht kann bei Bestrahlung einen zusätzlichen Anteil, den Photostrom Iphot erhalten. Dieser Strom entsteht dadurch, dass innerhalb der Sperrschichtzone der Sperrschichtweite xges durch Zufuhr von Strahlungsenergie Paare beweglicher Ladungsträger freigesetzt werden. Diese beweglichen Ladungsträger werden von dem elektrischen eld innerhalb der Sperrschichtzone getrennt und bilden den Photostrom. Mit einer eingestrahlten Lichtleistung P lassen sich im Idealfall aus n Photonen n Trägerpaare erzeugen. Der Photostrom ist dann dn e I phot e P P h..plancksches Wirkungsquantum= 6, Js dt h c Der Photostrom ist der Lichtleistung in einem viele Zehnerpotenzen umfassenden Bereich proportional. Der Proportionalitätsfaktor hängt von der Lichtwellenlänge und der Lichtgeschwindigkeit c ab und hat bei = 600 nm etwa den Wert 0,48A/W. In der Realität setzen nicht alle Photonen ein Ladungsträgerpaar frei. Sie können z.b. in den Bahngebieten der Diode absorbiert werden. Ebenso tragen nicht alle in der Sperrschichtzone erzeugten Ladungsträgerpaare zum Photostrom bei, denn einige rekombinieren bereits in dieser Zone. Deshalb führt man einen Korrekturfaktor ein, den Quantenwirkungsgrad. Damit wird der reale Photostrom

10 I phot P Der Quantenwirkungsgrad kann Werte über 0,7 erreichen. Bei guten Photodioden muss man darauf achten, dass möglichst viele Photonen in der felderfüllten Sperrschichtzone mit dem Halbleiter wechselwirken. Daher soll die Sperrschichtweite möglichst groß sein. Dies erreicht man dadurch, dass man die eine Seite der Sperrschicht sehr schwach dotiert oder dadurch, dass man eine extrem schwach dotierte zusätzliche Zone, eine sog. intrinsische Zone, hinzufügt. Auf diese Weise kommt man zu einer PIN-Diode (nachfolgendes Bild). Die Kennliniengleichung der Diode unter Bestrahlung hat die orm m I I S e T 1 I phot Die Kennlinie ist um den Photostrom nach unten verschoben. Die Leerlaufspannung 0 der bestrahlten Diode erhält man, wenn man in der obenstehenden Gleichung den Gesamtstrom I zu Null setzt: I phot 0 T ln 1 IS Der Kurzschlußstrom IK hat den Betrag des Photostromes: I K I phot Weil der Photostrom in weiten Grenzen proportional zur eingestrahlten Lichtleistung ist, kann man die Photodiode zur Lichtmessung oder zum Empfang optischer Signale benutzen, z.b. bei der Übertragung von Signalen über Lichtwellenleiter. Man benutzt die Diode überwiegend im Kurzschlussbetrieb, um den vollen Photostrom auszunutzen (Stromanpassung). Dazu muss der Lastwiderstand RL idealerweise gegen Null gehen, wodurch die Ausgangsspannung jedoch sehr klein wird. Das Bild zeigt die Prinzipschaltung und eine Schaltung mit einem Operationsverstärker, der als Transimpedanzverstärker geschaltet ist und daher den Eingangswiderstand Null hat.

11 (! + und des OV-Eingangs tauschen!!!) Die Signalausgangsspannung der Prinzipschaltung ist a I phot RL Die Ausgangsspannung der Anwendungsschaltung mit dem als Transimpedanzverstärker benutzten Operationsverstärker ergibt sich mit der Knotengleichung u I phot a 0 zu u a I phot R R Der Vorteil des Transimpedanzverstärkers ist der, dass sein Eingangswiderstand, der ja der Lastwiderstand für die Photodiode ist, den Wert Null hat, so dass die Photodiode im idealen Kurzschluss betrieben wird. Der Widerstand R kann unabhängig davon große Werte erhalten, so dass auch die Ausgangsspannung groß wird. Solarzellen Jede Photodiode ist auch eine Solarzelle, wenn sie im Generatorbetrieb arbeitet. Das ist im vierten Quadranten der Kennlinie der all. Im Generatorbetrieb erhält der Strom eine andere Zählpfeilrichtung, so dass das Bild wie folgt aussieht: Die bei einem gegebenen Lastwiderstand RL entnehmbare Leistung ist als graues Rechteck eingezeichnet. Bei optimal gewähltem Lastwiderstand erreicht diese Leistung ihr Maximum Nmax.. Damit kann man den üllfaktor definieren: N max IK L

12 Die Leistungsdichte der Sonnenstrahlung, die sog Solarkonstante, beträgt außerhalb der Erdatmosphäre (bei Air Mass Zero oder AM0) 135mW/cm². Bei einfacher Atmosphärendicke und senkrechtem Sonnenstand gilt für Meereshöhe AM1 = 95mW/cm². Gearbeitet wird mit einkristallinem, polykristallinem, bisweilen sogar mit amorphem, aufgedampftem Silizium oder anderen Halbleiterwerkstoffen. Beim Leistungsumsatz spielen auch parasitäre Widerstände eine Rolle. m insbesondere den Bahnwiderstand klein zu halten, müsste man die Solarzelle möglichst großflächig anschließen. Weil die Anschlüsse aber den Lichteinfall abdecken, muss man auch hier einen Kompromiss finden, der darin besteht, dass man viele dünne Streifenkontakte auf der Oberfläche verteilt. Die Abbildung zeigt den Querschnitt einer typischen einkristallinen Sperrschicht-Solarzelle. 2.4 Lichtemitterdioden (LED) LEDs (Light Emitting Diodes), wandeln elektrische Energie (Gleich- oder Wechselstrom) in Lichtenergie um. Beim Betrieb eines PN-Übergangs in lussrichtung gelangen Majoritäts-Ladungsträger in das jeweils entgegengesetzt dotierte Gebiet und rekombinieren dort. Die dabei freiwerdende Rekombinationsenergie kann in verschiedener orm emittiert werden, nämlich als Wärme, sichtbares Licht und V-Licht. Hierbei ist der Bandabstand ΔW zwischen Valenz- und Leitungsband maßgebend dafür, um welche Art von Energie es sich handelt. Sichtbares Licht ( nm) wird von Halbleitern mit Bandabständen zwischen 1,7 3,4 ev emittiert. Man nennt diesen Vorgang Elektro-Lumineszenz. Er ist zum inneren Photoeffekt reziprok, das heißt die für das Lichtquant h v benötigte Energie ist gleich dem Bandabstand ΔW. Die Rekombinationsenergie kann jedoch auch aufgeteilt werden in zwei Anteile, nämlich in Wärme und in ein Photon mit bestimmter Wellenlänge. Das geschieht in Materialien mit eingebauten Störstellen. Die Emission von Photonen folgt statistischen Gesetzen; LEDs werden deshalb auch als spontane Emitter bezeichnet im Gegensatz zu den Laser-Dioden. Die Größe der Energielücke bestimmt die arbe des ausgesandten Lichts. Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) rot und infrarot, bis 1000 nm Wellenlänge Galliumaluminiumarsenid (GaAlAs) z. B. 665 nm, rot, LWL bis 1000 nm Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) rot, orange und gelb Galliumphosphid (GaP) grün Siliciumcarbid (SiC) erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz Zinkselenid ZnSe - blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) V, blau und grün

13 Kupferplumbid (CuPb) - Emitter im nahen Infrarot (NIR) Weiße LEDs sind meist blaue LEDs mit einer Phosphorschicht, die als LumineszenzKonverter wirkt (siehe Abschnitt Weiße LED) Blaue LED in Phosphor-Wanne zur Erzeugung von weißem Licht Betrieb mit Vorwiderstand [ Eine Möglichkeit der Versorgung einer LED an einer ixspannungsquelle 0 besteht mit Hilfe eines Reihenwiderstands R. Der Nachteil dieser Schaltung ist die Spannungsabhängigkeit des benötigten Wertes des Widerstands R. Ist D der Spannungsabfall an der Diode im Betrieb, dann gilt: Beispiel: Betrieb mit Konstantstromquelle [ Je nach Einsatzzweck kann es vorteilhaft sein, Leuchtdioden an einer Konstantstromquelle zu betreiben. Damit entfällt das Problem unterschiedlicher Vorwiderstände, welche in ihrem benötigten Wert von der Versorgungsspannung abhängen. Die LED kann dann über einen sehr weiten Spannungsbereich mit einem konstanten Strom sicher betrieben werden.