Halbleiter, Dioden. wyrs, Halbleiter, 1

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1 Halbleiter, Dioden Halbleiter, 1

2 Inhaltsverzeichnis Aufbau & physikalische Eigenschaften von Halbleitern Veränderung der Eigenschaften mittels Dotierung Vorgänge am Übergang von dotierten Materialen Verhalten des pn-übergangs Ideale / reale Dioden Halbleiter, 2

3 Einleitung: spezifische Leitfähigkeit R = ρ l A = l κ A l: Länge des Materials A: Querschnittsfläche des Materials : Spezifischer Widerstand : Spezifische Leitfähigkeit Die spezifische Leitfähigkeit ist proportional zur Elementarladung q, zur Ladungsträgerdichte n und zur Beweglichkeit der Ladungsträger µ: κ = n q μ u. A. hängt die spezifische Leitfähigkeit von der Temperatur ab. Die Einheit von ist 1/ m oder S/m (S: Siemens). Bem.: Elektronenladung q: q= e-19 As Halbleiter, 3

4 Einleitung: spezifische Leitfähigkeit Nach der spezifischen Leitfähigkeit unterteilt man Stoffe in: a) Supraleiter Unterhalb einer materialabhängigen Temperatur sinkt der elektrische Widerstand auf null und die Leitfähigkeit strebt gegen. b) Leiter (z.b. alle Metalle) Typischerweise (bei 25 C): > 10 6 S/m. c) Halbleiter (z.b. Silizium, Germanium) Die spezifischen Leitfähigkeit liegt zwischen den Leitern und Nichtleitern. d) Isolatoren (z.b. die meisten Nichtmetalle) Typischerweise < 10 8 S/m. Halbleiter, 4

5 Einleitung: spezifische Leitfähigkeit Material Bezeichnung in S/m Silber Leiter Kupfer Leiter Gold Leiter Aluminium Leiter Zink Leiter Nickel Leiter Kobalt Leiter Messing Leiter Eisen Leiter Platin Leiter Zinn Leiter Stahl Leiter Chrom Leiter Blei Leiter Konstantan Leiter Quecksilber Leiter Germanium Halbleiter 2 Tellur Halbleiter Silizium (undotiert) Halbleiter Selen Halbleiter Glas Isolator Porzellan Isolator Quelle: wikipedia Halbleiter, 5

6 Eigenschaften Halbleiter Germanium und Silizium sind chemisch vierwertig. Halbleiter, 6

7 Eigenschaften Halbleiter: Gitterstruktur Germanium und Silizium sind chemisch vierwertig. Damit ergibt sich ein störungsfrei aufgebautes, symmetrisches Kristallgitter in Diamantgitterstruktur. Dreidimensional Zweidimensional Halbleiter, 7

8 Halbleiter: Silizium Siliziumgitter Halbleiter, 8

9 Halbleiter: Silizium Eine aufgebrochene kovalente Bindung (Elektronenpaar) produziert ein Elektron und ein Loch. Stromfluss ist möglich. Halbleiter, 9

10 Halbleiter: Slilzium Typ n Siliziumgitter dotiert mit 5-wertigem Atom ein Elektron ist frei verfügbar. kann mit Loch aus kovalenter Bindung kombinieren, dessen Elektron frei ist z.b. Phosphor Halbleiter, 10

11 Halbleiter: Silizium Typ p Siliziumgitter dotiert mit 3-wertigem Atom ein Loch ist frei verfügbar. kann mit Elektron aus kovalenter Bindung kombinieren, dessen Loch frei ist + z.b. Bor Halbleiter, 11

12 Halbleiter pn-übergang E Verhalten am pn-übergang: Die freien Ladungen in der Grenzzone pn (Raumladungszone) rekombinieren Zone verarmt (Depletion) an freier Ladung, d.h. Elektronen im n und Löcher im p Material verschwinden. Die gebundene Ladungen - + der Atome der Gegenseite stossen die hinteren freien Ladungen +, - von der Grenze weg. Das pn-übergang sperrt den Strom, über der Zone liegt ein elektrisches Feld. Halbleiter, 12

13 Sperrender Halbleiter E Zur Erinnerung: Elektronen fliessen von - nach +. Stromrichtung ist von + nach Bounded charges increase Bei Anregen mit einem Strom I in Sperrrichtung fliesst nur ein geringer Strom I S, der den winzigen Strom I D von diffundierenden Ladungsträgern aufwiegt. Mehr freie Elektronen bzw. Löcher in p- bzw. n- Zone vergrössern die Rekombination. Die Sperrschicht verbreitert sich, eine Spannung V R baut sich auf. Die Diode sperrt. Halbleiter, 13

14 Leitender Halbleiter E Bounded charges decrease Bei Anregen mit einem Strom I in Flussrichtung fliesst ein Strom I D, der Diffusion an Ladungsträgern verstärkt, d.h. viele freie Elektronen bzw. Löcher in n- bzw. p- Zone überschwemmen die Sperrschicht. Die Sperrschicht baut sich ab, eine kleine Flussspannung V entsteht. Die Diode leitet. Halbleiter, 14

15 Halbleiterbezeichnungen Löcher in der p-region und Elektronen in der n-region heissen Majoritätsträger Elektronen in der p-region und Löcher in der n-region heissen Minoritätsträger Durch den Abbau der Sperrspannung werden Minoritätsträger leichter über die ladungsfreie Zone diffundieren und dort mit den Majoritätsträgern rekombinieren. Ein dauerhafter Strom I D fliesst um das Ladungsgleichgewicht zu erhalten. Halbleiter, 15

16 Ideale Diode Halbleiter, 16

17 Ideale Diode: Analyse Analysemethode: 1. Feststellen ob positive Spannung über der pn-strecke liegt 2. Falls ja, Flussstrom I berechnen, falls nein I = 0 Tipp: manchmal muss man eine Hypothese machen und dann verifizieren. Halbleiter, 17

18 Bauformen von Dioden SOD80 SOT23 DO35 DO41 TO220 Dioden sind die einfachsten diskreten Halbleiterbauelemente. Sie werden als Gleichrichter und Spannungsreferenzen in Stromversorgungen, für diverse Signalverarbeitungsanwendungen (z.b. Signalpfadschalter) und zu Schutzzwecken (Überspannungsschutz) eingesetzt Halbleiter, 18

19 Die ideale Diode Durchlassbereich Sperrbereich Halbleiter, 19

20 Beispiele: ideale Diode a) 0V; 2mA b) 5V; 0A c) 5V; 0A d) 0V; 2mA e) 3V; 3mA f) 1V; 4mA +3V: Rot; -3V: Grün Halbleiter, 20

21 Aufgaben: ideale Diode Bestimmen Sie für beide Schaltungen jeweils I und V. Halbleiter, 22

22 Aufgaben: ideale Diode Bestimmen Sie für beide Schaltungen jeweils I und V. D 1 off, D 2 on, I = 0 ma, V = V D 1 on, D 2 on, I = 0.5 ma, V = 0 V Halbleiter, 22

23 Die reale Diode Die «reale» Diode wird in 3 Regionen unterteilt: - Flussbetrieb (Forward-Bias) - Sperrbetrieb (Reverse-Bias) - Zenerbetrieb (Breakdown) Halbleiter, 23

24 Beispiel: 1N914 Zenerbetrieb (Breakdown); Sperrbetrieb (Reverse-Bias); Flussbetrieb (Forward-Bias) Halbleiter, 24

25 Reale Diode: Forward(-Bias) Region Gleichung: i D v D I S exp 1 n VT mit V T Approximation (für i D >>I S ) und n=1: i D I S e v V D T kt q I S = Sättigungssperrstrom der Diode V T = Temperaturspannung n = Korrekturfaktor; 1 n 2 q = Ladung Elektron As k = Boltzmann Konstante J/K Typische Werte: I S = A V T = ca mv bei 20 C Folge von Temperaturabhängigkeit von I S und V T : Flussspannung v D nimmt um 2mV/ C ab bei wachsender Temperatur und konstant bleibendem Strom Halbleiter, 25

26 Reale Diode: Reverse(-Bias) Region Unter der Annahme, dass die Diodenspannung v D negativ ist und betragsmässig einiges grösser als V T, aber kleiner als die Breakdown-Spannung, dann können wir diese Region sehr grob approximieren mit: Darum auch die Bezeichnung Sättigungssperrstrom für I S. i D I S i D v D I S exp 1 n VT Reale Dioden können aber Sperrströme haben, die wesentlich grösser als I S sind. Eine Faustregel besagt, dass sich der Sperrstrom u.a. pro 10 K Temperaturzunahme verdoppelt. Halbleiter, 26

27 Die reale Diode: Vereinfachtes Model #1 Vereinfachte Kennlinie (blau) Ersatzbild im Schema Halbleiter, 28

28 Vergleich reale Diode und vereinfachte Modelle V rd I T D Halbleiter, 33

29 Einige Diodentypen & deren Eigenschaften Gleichrichterdiode z.b. 1N4004 Sperrspannung 400 V Flussspannung 1 V@ 1A Flussstrom (Peak) 30 A Schaltzeit 1 s Schaltdiode z.b. 1N4448 Sperrspannung 100 V Flussspannung 1 V@ 0.1A Flussstrom (Peak) 0.5 A Schaltzeit 10 ns Schottky Diode z.b. 1N5819 Sperrspannung 30 V Flussspannung 0.5 V@ 1A Flussstrom (Peak) 1A Schaltzeit 0 ns Halbleiter, 35

30 Limiter-Schaltungen: Beispiele jeweils Konstantspannungsmodell (v D =0.7V) Halbleiter, 36

31 Zusammenfassung Dioden sperren bei negativer Spannung Dioden leiteten bei positiver Spannung Analyse: Annahme v D ist in Flussrichtung bestimmen von i D. Ist i D in Flussrichtung stimmt Annahme sonst mit v D in Sperrrichtung weiterfahren. Jede Anwendung braucht die dafür optimierte Diode: Netzteil, Schnelle Logik, Signaldetektion Halbleiter, 40

32 Labor: Superdiode Messen Sie v O & v A für sinusförmige Eingangssignale mit 4Vpp (0V DC) für die Frequenzen f=10hz, 100Hz, 1kHz & 10kHz. Wählen Sie R=33k. (OP: 741 mit ±12V, Diode: z.b. 1N4148) Stellen Sie mit dem KO auch die Kennlinie v O /v I dar. Was stellen Sie fest? Woher kommt dieser Effekt? Halbleiter, 41

33 Labor: Diodenschaltungen Diodenschaltung 1 (V Quelle =5V pp, f=200 Hz, R i =50 ) a) Messen Sie die Spannung V out mit dem Voltmeter in DC-Stellung (Mittelwert). b) Messen Sie den Ripple V r in mv mit dem Oszilloskop für R L = 47k, 4k7, 470. c) Für R L = 470 erhöhe man f auf 2 khz und C auf 100 F. Quelle Diodenschaltung 2 (V Quelle =5V pp, f=1 khz, R i =50 ) Quelle a) Messen Sie die Spannung über C 1 und C 2 mit dem Voltmeter (DC-Stellung). b) Messen Sie die Spannungsverläufe am Generator, über D 1 und R L mit dem Oszilloskop c) Was macht diese Schaltung? Halbleiter, 46

34 Aufgaben: i D I S e v V D T V T = 25.3 mv bei 20 C Bestimmen Sie v D und i D einmal für das Konstantspannungsmodell und einmal für die vereinfachte Exponentialform. Nehmen Sie an, dass v D =0.7V, wenn der Strom i D =1mA. Konstantspannungsmodell: a) 0.7V; 1.72mA c) 5V; 0A b) 5V; 0A e) 2.3V; 2.3mA d) 0.7V; 1.72mA f) 1.7V; 3.3mA Vereinfachte Exponentialform: e) V; mA b) V; mA c) 5V; 0A b) 5V; 0A d) V; mA f) V; mA Halbleiter, 55