UniversitätPOsnabrück Vorlesung Elektronik Dr. W. Bodenberger 1. Photodioden und Photozellen (Photovoltaic Cell, Solarzelle)

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1 UniversitätPOsnabrück Vorlesung Elektronik Dr. W. Bodenberger 1 Photodioden und Photozellen (Photovoltaic Cell, Solarzelle) Bei einer Photodiode löst einfallendes Licht freie Elektronen und Löcher aus den Gitterbindungen. Diese bewegen sich in Richtung der Verarmungszone und vergrößern den Sperrstrom(Photostrom) proportional zur Lichintensität. Auch bei einer Polung in Durchlaßrichtung vergrößert eine höhere Lichtintensität den Photostrom. Da aber die Durchlaßkurve einer Diode bei kleinen Strömen stark nichtlinear ist erhält man auch keinen linearen Zusammenhang zwischen Lichtintensität und Strom. Bei Polung der Diode in Sperrichtung ergibt sich ein in weiten Bereichen linearer Zusammenhang zwischen Intensität und Sperrstrom, der linear mit der Intensität ansteigt. Auch schnelle Lichintensitätsschwankungen werden in schnelle Sperrstromänderungen umgesetzt. Bei Polung in Durchlaßrichtung der Diode kann der Diodenstrom schnellen Änderungen nicht folgen, da in Durchlaßrichtung der PN-Übergang auch eine große Kapazität besitzt. Anwendungen für Photodioden: Intensitätsmessungen in der Fotografie, Lichtschranken als Türöffner und zum Datenempfang. Photozellen Wie bei den Photodioden erzeugt auch einfallendes Licht bei Photozellen freie Ladungsträger. Jedoch wird bei Photozellen keine äußere Spannungsquelle an die Zelle angelegt. Wenn die Elektronen und Löcher, die ja paarweise entstehen, den PN-Übergang erreichenwerden sie durch das innere elektrische Feld in der Verarmungszone voneinder getrennt. Es entsteht am PN-Übergang eine Photospannung, die einen Stromfluß im äußeren Kreis bewirkt.die Lichtenergie wird in elektrische Energie umgewandelt.

2 UniversitätPOsnabrück Vorlesung Elektronik Dr. W. Bodenberger 2 Leuchtdioden (LED, Light emitting diode) LEDs wandeln elektrischen Strom in sichtbares oder infrarotes Licht um. LEDs zeigen einen inversen Effekt der Photodiode. Freie Elektronen und Löcher als Majoritätsträger rekombinbieren unter Aussendeung von Licht bei Polung des PN-Überganges in Durchlaßrichtung. Verschieden farbige LEDs LEDs sind sogen.iii-v Halbleiter, die Farbe des ausgesandten Lichtes hängt ab vom Halbleiterelement und seiner Dotierung. GaAs LEDs erzeugen infrarotes Licht. GaAsP erzeugt abhängig von der Konzentration des Phosphors rotes bis gelbes Licht. GaP mit Zn und O 2 Dotierung erzeugt rotes Licht. GaP mit mit N 2 Dotierung erzeugen grün bis gelbes Licht. Bipolar Integrierte Bauelemente Im folgenden Bild ist das Schaltbild und darunter die Ausführung auf dem Chip dargestellt. In dem integrierten Bereich des Schaltbildes sind Realisierungen von Transistoren, Kondensatoren und Widerständen dargestellt.

3 UniversitätPOsnabrück Vorlesung Elektronik Dr. W. Bodenberger 3 Bipolar Integrierte Digitale Schaltungen Digitale Schaltungen bei denen die Signale nur zwischen zwei Zuständen hin und her geschaltet werden. Die am weitesten Verbreitete Schaltkreis Familie sind TTL-Schaltungen (TTL steht dabei für Transistor - Transistor - Logik. Ein vereinfachtes Schaltbild eines TTL-Gatters zeigt die folgende Abbildung. Die Logikfuntionen werden bei TTL Schaltungen mit Multiemitter Transistoren realisiert. Die Verzögerungszeit liegt bei 10ns pro Gatter für TTL Gatter. Schottky TTL Schaltungen sind wesentlich schneller (3ns pro Gatter) ECL-Gatter (Emitter-Coupled-Logic) Für schnellste digitale Signalverarbeitung benutzt man ECL-Gatter.Gatterverzögerung 0,1ns pro Gatter. Low Power Schottky TTL Schaltungen Eine gelungene Entwicklung digitaler Schaltungen stellt die Low-Power Power Schottky Familie dar. Sie zeichnet sich aus durch hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit (niedrige Gatterlaufzeit von 0,3ns) und kleiner Verlustleistung (2,5mW pro Gatter) Erreicht wird die niedrige Verlustleistung durch Ionenimplantation hochohmiger ohmscher Widerstände. Mit epitaktischen Produktionsschritten lassen

4 UniversitätPOsnabrück Vorlesung Elektronik Dr. W. Bodenberger 4 sich nur verhältnismäßig kleine Widerstandswerte integrieren. Die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit wird erreicht, daß der Sättigungsstrom des durchgeschalteten Transistors durch eine parallelgeschaltete Schottky Diode zum E-B PN-Übergang gegrenzt wird. Wird der Durchgeschaltete im Sättigungsgebiet arbeitende Transistor gesperrt, so fließen die in der Basis-Zone gespeicherten Ladungen durch die Diode schneller ab, der Transistor erreicht schneller den Sperrzustand. Neueste Entwicklungen bei der Herstellung Integrierter Schaltungen Neuere Produktionsmethoden verbergen sich hinter der Abkürzung ESFI Technik Sie steht für Epitaxial Silicon Film on Insulator. Die Transistoren werden hergestellt in einer dünnen einkristallinen Silizium Schicht, die auf einem isolierdenden Substrat abgeschieden werden. Vorteile: Kleinere parasitäre Kapazitäten und bessere Isolation als bei CMOS -Schltungen. Augenblicklich werden als Substrate Aluminiumoxyd (Saphir) und Aluminium-Magnesium Oxyde (Spinell) benutzt. Die folgende Abbildung zeigt einen komplementären SOS Inverter Schaltkreis.

5 UniversitätPOsnabrück Vorlesung Elektronik Dr. W. Bodenberger 1 Thyristor (SCR) und Triac Der Thyristor oder SCR (Silicon Controlled Rectifier) funktioniert wie eine Diode mit einer Möglichkeit den Durchlaßstrom zu steuern. Der Thyristor ist ein bistabiler Schalter. Die Struktur und das Schaltsymbol sind in den folgenden Bildern dargestellt. Der SCR besteht aus vier Halbleiterschichten (pnpn) und besitzt damit drei PN-Übergänge und drei äußere Anschlüsse. Man bezeichnet den SCR auch als Vierschicht Diode ( Four layer triode). Sperrspannungszustand: Die Betriebszustände eines Thyristors Die Kathode ist Negativ, die Anode positiv. Damit sind die beiden PN-Übergänge A und C in Sperrichtung gepolt, damit fließt nur ein kleiner Sperrstrom, der nicht durch die Steuerelektrode beeinflussbar ist. Blockierzustand: Die Anode ist positiv, die Kathode negativ und die Steuerelektrode Null oder negativ gegen die Kathode, der PN - Übergang B ist in Sperrichtung gepolt, es fließt kein Strom von der Anode zur Kathode. Leitungszustand: Die Spannungen an der Anode und Kathode entsprechen denen im Blockiermodus. Legt man jedoch eine positive Spannung an die Steuerelektrode, so wird der PN- Übergang B mit Ladungsträgern

6 UniversitätPOsnabrück Vorlesung Elektronik Dr. W. Bodenberger 2 überschwemmt, es fließt ein Strom von der Anode zur Kathode. Schaltet man die Spannung an der Steuerelektrode ab, so fließt der Strom weiter, um den Thyristor wieder zu sperren, muß die Spannung an der Anode die sogenannte Threshold-Spannung kurzzeitig unterschreiten. Der Triac Schaltet man zwei Thyristoren auf einem Chip antiparallel zusammen, so erhält man einen Triac, der im Gegensatz zum SCR in beiden Richtungen leiten kann und durch die Steuerelektrode eingeschaltet und abgeschaltet werden kann. Das Schaltsymbol eines Triacs zeigt das folgende Bild: Die Anwendungen des SCR und des Triac bestehen im Steuern und Regeln von Wechselströmen. Diac: Ein Diac besteht aus zwei in Serie geschalteter Siliziumdioden nit entgegengesetzter Polarität. Wenn die angelegte Wechselspannung, die Durchbruchspannung der Dioden erreicht, entstehen zwei scharfe Spannungspulse. Diese Pulse kann man benutzen einen Triac zu triggern (zu zünden) d.h. den Triac in den leitfähigen Zustand zu versetzen, wobei der Diac den Triac bei beiden Halbwellen der angelegten Wechselspannung sicher durchschaltet. Das Schaltsymbol hat das Ausssehen eines Triacs ohne Gate Elektrode.