VERSUCH 7: HALBLEITEREIGENSCHAFTEN UND DIODE

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1 VERSUCH 7: HALBLEITEREIGENSCHAFTEN UND DIODE 43 7 A Halbleitereigenschaften Das wichtigsten Halbleitermaterialien sind Silizium und Germanium. Sie besitzen die chemische Wertigkeit 4, d.h. es stehen in der äußeren Atomschale 4 Elektronen zu Bindungszwecken zur Verfügung. Im Kristall aus reinen Silizium (und Germanium) werden diese "Valenzelektronen" allesamt für kovalente Bindungen zu den 4 nächsten Nachbaratomen benutzt, die jedes Siliziumatom umgeben. In dieser kovalenten Bindung sind die Elektronen der äußeren Atomschale mit je einem Nachbaratom verkettet, so dass sie (wie die Innenelektronen) praktisch ortsgebunden sind. Geometrisch sind diese Nachbaratome in den Ecken eines Tetraeders angeordnet, in dessen Zentrum das betrachtete Siliziumatom sitzt. Die kovalenten Bindungen sind relativ stabil. Sie verhindern bei normalen Bedingungen, dass sich Elektronen im Kristall bewegen können. Der reine Halbleiter ist daher nahezu ein Isolator, wenn nicht durch besondere Umstände doch frei bewegliche Ladungsträger geschaffen werden (Licht, Temperatur, Fremdatome). Um ein Bindung aufzubrechen, benötigt man beim Silizium die Energie von E g =1,1eV. Der Unterschied zu Isolatoren besteht darin, dass die Bindungsenergie bei Isolatoren noch wesentlich größer ist (Diamant z.b. E g 7eV). Ganz wenige dieser Bindungen werden beim Silizium bei Zimmertemperatur aber durch thermische Anregung aufgelöst. Es entsteht dann je ein frei bewegliches Elektron. Ein Atom, das in dieser Weise von seinem Valenzelektron verlassen wurde, weist in seiner Bindung zu seinem Nachbarn eine Lücke auf, ein sog. Elektronen Loch (eine Bindung, der ein Elektron fehlt). Diese Lücke, die eine positive Ladung darstellt (das ursprüngliche Bindungselektron soll sich schon ein Stück von der Defektstelle entfernt haben), kann nun von einer Nachbarbindung wieder aufgefüllt werden, wodurch der Defekt zur Nachbarbindung wandert (s. Bild). Im Endeffekt entstehen also durch Aufbrechen einer Bindung zwei bewegliche Ladungsträger: ein bewegliches Elektron und eine beweglicher Defekt, der mit einer positiven Elementarladung verknüpft ist. Diesen Defekt nennt man auch Defektelektron Loch. Im elektrischen Feld laufen die freien Elektronen als negative Ladungsträger gegen die Feldrichtung, die Löcher dagegen in Feldrichtung, verhalten sich also wie positive Ladungsträger. Beide Ladungsträgerarten verleihen dem Halbleiter elektrische Leitfähigkeit, die sogenannte Eigenleitung, welche mit der Temperatur stark zunimmt. Man veranschaulicht sich die Vorgänge üblicherweise im sog. Bändermodell, das die Energie der Elektronen als Funktion des Ortes im Halbleiter angibt. Im reinen Halbleiterkristall besetzen die Elektronen der kovalenten Bindungen das

2 44 ganze Valenzband bis obenhin, so dass keinerlei Bewegungsfreiheit zwischen den besetzten Plätzen mehr besteht. Thermische auch optische Anregungen können die Elektronen über die Energielücke E g hinweg in das nahezu unbesetzte Leitungsband anheben, wo sie sich frei bewegen können. Dabei entsteht im Valenzband ein ebenfalls bewegliches Loch (s. Bild unten). Beide Ladungsträger tragen zur elektrischen Leitfähigkeit bei. Das große Anwendungspotential der Halbleiter besteht darin, dass durch Einbau von Fremdatomen die Dichte der beweglichen Ladungsträger gezielt erhöht werden kann. Dieser Vorgang heißt Dotierung. Er geschieht z.b. durch Diffusion aus der Gasphase bei hohen Temperaturen ( ca C). Dotiert man Silizium mit 5wertigem Arsen (As) ( mit 5wertigem Antimon Phosphor), so können diese 5wertigen Atome auf einigen Gitterplätzen ein Siliziumatom ersetzen. Da für die Kristallbindungen nur 4 Elektronen nötig sind, bleibt von vorne herein ein Elektron übrig, das sich nahezu frei im Kristall bewegen kann. Das As schenkt so zu sagen dem Kristall ein Elektron und wird dadurch zum Ion As +. Man bezeichnet es daher als Donator DonorAtom. Im Bänderschema befindet sich das überzählige Elektron des Donors knapp unterhalb des Leitungsbandes. Die energetische Anhebung durch thermische Anregung geschieht auf Grund der kleinen Energiedifferenz (54meV bei As) sehr leicht, so dass bei Zimmertemperatur praktisch alle Donoren ionisiert sind. Man spricht dann von n leitendem Silizium. Die Dotierungskonzentrationen liegen üblicherweise im Bereich bis 10 6 Dot.Atome/SiAtom. Die Leitfähigkeit steigt dabei drastisch an. Erst diese Dotierung macht die Halbleiter brauchbar für elektronische Anwendungen.

3 Entsprechend kann man auch mit 3wertigen Substanzen wie z.b. Bor (B) ( mit 3 wertigen Aluminium, Gallium, Indium) dotieren. Diese Fremdatome benötigen im Halbleitergitter ein Elektron zur Ausbildung der 4 Nachbarbindungen. Dieses fehlende Elektron entreißt das Bor sehr leicht den Atomen der Umgebung, wodurch dort ein beweglicher Elektronen Defekt Loch entsteht (daher der Name AkzeptorAtom). Im Bändermodell liegt das Energieniveau des fehlende Elektrons sehr nahe am Valenzband (Abstand bei B: 45meV) und kann daher sehr leicht aus dem Valenzband besetzt werden. Auch hier sind bei Zimmertemperatur praktisch alle B Atome zu B ionisiert. Der so behandelte Halbleiter wird pleitend genannt B Funktion des pn Übergangs als Diode Durch gleichförmige Dotierung entstehen noch nicht allzu interessante elektronische Bauteile. Trotzdem finden diese in der Sensortechnik (z.b. zur Temperaturmessung) schon ihre Anwendung. Größte Bedeutung haben dagegen Übergangsschichten zwischen p und n dotiertem Material, sog. pnübergänge. Technisch werden sie durch eine Aufeinanderfolge unterschiedlicher Diffusionsprozesse in einem Halbleiterkristall erzeugt. Am pnübergang stehen sich die unterschiedlichen Ladungsträger Elektronen und Löcher auf engstem Raum gegenüber. Sie können in dieser Zone sehr leicht wieder miteinander verbinden und sich so gegenseitig vernichten: die Elektronen füllen einfach die Defektelektronen (Elektronenlöcher) auf. Man kann sich auch vorstellen, dass die von den Donoren frei gewordenen Elektronen zur Ionisierung der Akzeptoren verwendet werden. Dieser Prozess pflanzt sich allerdings nicht durch den ganzen Halbleiter hindurch fort, sondern wird durch Raumladungsfelder gestoppt, die durch die ionisierten Donoren und Akzeptoren an der Grenzschicht entstehen. So verhindern z.b. die B Ionen auf der p Seite durch ihre elektrostatische Anziehungskraft auf die Löcher deren weiteres Diffundieren in die Grenzschicht. Im Endeffekt entsteht eine Zone mit geringer Konzentration von La

4 46 dungsträgern und hoher Raumladung (von den ionisierten Dotierungsatomen), die sog. Sperrschicht (s. Bild). Die Dicke dieser Schicht beträgt meist weniger als 1µm. Die Raumladung von den ionisierten Dotierungsatomen baut dabei eine Spannung auf, die Diffusionsspannung, die meist unter 1V liegt. Legt man nun an einen solchen pnübergang mit Hilfe von Elektroden eine äußere Spannung an, so zeigt sich je nach Polarität ein stark unterschiedliches Verhalten: Liegt an der pzone der negative Pol, so werden die Löcher der pzone noch weiter vom pnübergang weggezogen und die Dicke der Sperrschicht steigt. Da in der Sperrschicht keine Ladungsträger vorhanden sind, wirkt diese wie eine Isolationsschicht und verhindert nahezu vollständig jeglichen Stromfluss. Man sagt, der pnübergang ist in SperrRichtung gepolt. Liegt dagegen der positive Pol an der pzone, so treibt das äußere Feld die Löcher in die Sperrschicht. Auf der anderen Seite werden die Elektronen ebenfalls vom negativen Pol an der nzone in die Sperrschicht gezwungen und können dort mit den Löchern vereinigen. Dieser Prozess findet kontinuierlich statt, da ständig neue Ladungsträger von den Elektroden zur Verfügung gestellt werden. Es kommt also zu einem starken Stromfluss durch den pn Übergang, der nun in DurchlassRichtung gepolt ist. Dabei muss die angelegte Spannung größer als die Diffusionsspannung sein. Man hat damit eine Stromventil Diodenfunktion des pnüberganges erhalten. Je nach Polarität der angelegten Spannung sperrt die Diode wird sie stromdurchlässig. Das Schaltungssymbol der Diode zeigt das nebenstehende Bild. Der Pfeil zeigt von der p zur nzone. Positive Spannung in Pfeilrichtung bewirkt Stromdurchgang. Damit man beim Experimentieren die Anschlüsse der Dioden nicht verwechselt, sind diese üblicherweise wie angegeben gekennzeichnet. Ebenso sieht man im Bild eine typische Diodenkennlinie. Die Sperrströme liegen bei Si im na Bereich, bei Ge im µa Bereich und können nur mit hochempfindlichen Messgeräten nachgewiesen werden. In Durchlassrichtung steigt der Strom oberhalb der "Kniespannung" (ca. 0,6V bei Si) steil an. Diese Kniespannung ist gleich der Diffusionsspannung und ist zunächst notwendig, um die Dicke der Sperrschicht auf 0 zu reduzieren. Sie verursacht in Durchlassrichtung eine gewisse Verlustleistung, die je nach Bauart der Diode einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf (Diode = Gleichrichter, im Laborjargon ausgesprochen: gleich riecht er.).

5 7 C Leuchtdiode 47 Wird die Sperrschicht mit einer Spannung (größer als die Diffusionsspannung) in Durchlassrichtung verbunden, so fließt ein Strom aus Elektronen und Löchern. In der Sperrschicht kombinieren die Elektronen mit den Löchern (siehe Abbildung unten). LICHTEMITTIERENDE _ DIODE = LED nur bei Halbleitern mit direkter Bandlücke z. B. GaAs anderen IIIV Verbindungen U D PSchicht Halbleiter NSchicht Lichtteilchen= Photon= Lichtquant Energie W=hf λ = hc/w + D + Metall U /2 D U /2 D Metall I Sperrschicht = Raumladungsgebiet + U > U bei Lichtwirkung D Besteht die Diode aus einem Halbleiter mit direkter Bandlücke, z. B. GaAs einem anderen IIIV Verbindungs Halbleiter, so wird die dabei frei werdende Energie als Licht frei. Darauf beruht die lichtemittierende Diode, auch Leuchtdiode LED genannt. Da die Elektronen sich auf einem Energieniveau um die Bandlücke W D größer als die Energie der Löcher bewegen, wird beim Kombinieren diese Energie W D frei und in Licht umgesetzt. Die Umrechnung von Energie der Bandlücke in Lichtwellenlänge des ausgesandten Lichtes erfolgt mit der Formel: λ = h c /W D = 6, Js m/s /(W D 1, J/eV) = 1, m / (W D /ev) λ = 1,24 mm / (W D /ev) Die Bandlücke von GaAs ist 1,43 ev. Die Wellenlänge des ausgesandten Lichtes ist: λ = 1,24 µm/(1,43) = 0,867 µm = 867 nm Die Wellenlänge liegt somit an der Grenze zwischen sichtbarem und infrarotem Licht. Durch Beimengung von AlAs (Aluminiumarsenid) wird die Bandlücke vergrößert und es wird sichtbares rotes Licht erzeugt.

6 48 7 D Dioden als Gleichrichter Eine wichtige Anwendung von Dioden ist die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom z. B. in Rechner Stromversorgungen. Die einfachste dabei mögliche Schaltung ist die Einphasen Einwegschaltung (unten im Bild als Schaltbild dargestellt). Dabei wird eine Wechselspannung û über eine Diode an einen Widerstand R (=Verbraucher) angeschlossen. Während der einen Hälfte einer jeden Periode der Wechselspannung u = û sin(ωt) fließt durch R ein Strom i= u/r während der anderen Hälfte ist der Strom gesperrt. u, i und Spannung u R an R verlaufen gemäß Bild unten. Der zeitliche Mittelwert der Spannung u R ergibt sich aus _ der Integration von der Sinuswelle û sin(ωt) zu: u R = û / π Bei Wechselspannungen wird meist nicht der Scheitelwert û, sondern der Effektivwert u eff = û / 2, den das Voltmeter anzeigt, angegeben. Bei Einführung dieser Effektivwertes wird der Mittelwert der Spannung u R zu: (ohne Kondensator) u R = û / π = u eff 2 / π = 0,45 u eff In der Praxis wird zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom z. B. in Rechner Stromversorgungen meist die sogenannte Brückenschaltung aus 4 Dioden verwendet, um die zweite Halbwelle des Wechselstomes auch zu nutzen. Dadurch erhöht sich die erhaltene Gleichspannung um den Faktor 2 auf. _ u R =0,90 u eff In der Praxis ist der durch obige Schaltungen erhaltene Gleichstrom zu wellig und muss noch geglättet werden. Dies geschieht durch einen Kondensator größerer Kapazität, welcher dem Verbraucher R parallel geschaltet wird, siehe Schaltbild unten, als C dargestellt. Der Kondensator lädt sich auf, wenn die Quelle durch die Diode Strom liefert, und gibt Ladung in den Zeiten wo die Quelle wenig kein Strom liefert wieder an R ab. Bei geringer Stromentnahme durch den Verbraucher R wird dadurch der Strom in R fast eingeebnet (geglättet). Der Scheitelwert û= 2 u eff wird sozusagen gespeichert und bleibt über die Periode erhalten. Dieser Wert stellt sich bei Einsatz eines Kondensators ohne Strombelastung ein. Bei Stromentnahme zeigt sich wieder eine zunehmende Welligkeit (Mittelwert u ist dann etwa u R bei Brückenschaltung aus 4 Dioden ). > 1. Es wird die Strom Spannungs Kennlinie einer Diode (BAY 157, BAY 45, BAY 44, AA114, 1N4141 ähnlich, A= Germanium B= Silizium, 1N= Leistungsdiode) Leuchtdiode (LED = GaAs GaP Diode) bestimmt. 2. In einer Einphasen Einwegschaltung mit einer Diode (unten im Bild als Schaltbild dargestellt) wird das Verhältnis der Verbraucherspannung u R zu Wechselspannung u eff und û bei verschiedenen Stromentnahmen durch den Verbraucher (= Widerstand R) und verschiedenen Glättungen durch verschiedene Kondensatoren C gemessen.

7 49 3. Zur Einphasen Einwegschaltung werden mit Hilfe eines Oszilloskopes Skizzen zum Spannungsverlauf angefertigt. 1. Bauen Sie zunächst gemäß Schaltskizze die Anordnung zur Messung der Durchlassrichtung auf. Der Widerstand soll zu große Ströme bei Fehlbedienungen verhindern. Stellen Sie am Netzgerät die in der Tabelle angegebenen Ströme ein und messen Sie die zugehörige Durchlass Spannung. Diodentyp: Halbleitermaterial: I/mA 45, ,5 0,2 0,1 U / mv bei LED: leuchtet? Sperrichtung: Spannung: U= Strom I= Zur Messung der Sperrströme wird die Diode umgepolt und der Schutzwiderstand wird entsprechend Schaltskizze vergrößert. Die verwendeten Amperemeter besitzen eine Empfindlichkeitsgrenze von 1µA. Da die Sperrströme bei Si wesentlich niedriger liegen, können wir im Praktikum nur ihre praktisch verschwindende Größe qualitativ nachweisen.(spannung in SperrRichtung: 5V) * Netzteil, maximal 5 V * A, V Digital Messinstrumente, geeigneter Messbereich 2. Ein einfacher Einweg Gleichrichter mit verschiedenen Glättungs Kondensatoren entsprechend Schaltskizze wird aufgebaut und die Spannung u eff und der Wert der Verbraucherspannung u R gemessen. Zur Messung der Wechselspannung u eff (û) dient Messinstrument MX 112, sie darf 16V nicht überschreiten. Gleichstrom i und Gleichspannung U R werden mit Digitalinstrumenten M2011 auf entsprechende Gleichstrom Messbereichen gemessen.

8 50 Bei Dioden ist auf die richtige Durchlassrichtung zu achten. Die Schaltung darf nur vom Betreuer in Betrieb genommen werden. Zur Messung i=0 wird der Stecker beim Gleichstrom Digitalinstrumenten herausgezogen, zur Messung C=0 wird die Brücke bei C herausgezogen. Beim Anschluss der Kondensatoren C ist auf die richtige Polung (+, ) zu achten. Diodentyp:... Halbleitermaterial: u eff /V C/µF i/ma , , ,0 U R / V U R /u eff U R /u eff nach Formel * R: Reihenschaltung von 100 Ω ( 63 Ω) fest und in Reihe 1 kω Schiebewiderstand zum Einstellen des Stromes *û: Messinstrument MX 12 zur Messung der Wechselspannung u eff, maximal 16V * i, u Digital Messinstrumente, Gleichspannung, Gleichstrom

9 51 3. Zur Einphasen Einwegschaltung werden mit Hilfe eines Osszilloskopes Skizzen zum Spannungsverlauf angefertigt. Die jeweiligen Oszilloskop Bilder für den Wert C =100µF werden direkt auf durchsichtiges mm Papier abgepaust, und zwar 4 Bilder in ein Graph, (durchsichtiges mm Papier ist am Platz.) Die Graphen werden mit U und t Achsen und mit Maßstäben versehen. Auswertung: / \/ <=>? 1. Stellen Sie die Kennlinie der Diode I über U graphisch auf mm Papier im Maßstab 0,1V > 20mm und 1mA > 4 mm ( 5 mm) dar. 2. Die Tabelle zu 2 wird ergänzt und zwar die letzte beiden Zeilen. 3. Die Tabelle zu 2 wird mit U R /u eff nach den Formeln in Kapitel 7 D ergänzt.