Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position!

Transkript

1 FUNKTIONSWEISE Thema : HALBLEITERDIODEN Die Eigenschaften des PN-Überganges werden in Halbleiterdioden genutzt. Die p- und n- Schicht befinden sich einem verschlossenen Gehäuse mit zwei Anschlussbeinen. Das Bild unten zeigt den Prinzip-Aufbau, das Schaltzeichen und das Bauteil (achsial) mit Markierungsring(Kathode). Das Dreieck stellt die p-schicht dar. Der Balken die n-schicht. Die Dreiecksspitze zeigt die technische Stromrichtung in Durchlassrichtung an. Das Bauteil besitzt eine Ringmarkierung auf der Kathodenseite. Dadurch können die Seiten voneinander unterschieden werden. Die Diode wird mit dem Plus-Pol an der Anode in Durchlassrichtung betrieben. Die Diode wird mit dem Plus-Pol an der Kathode in Sperrichtung betrieben. ERMITTLUNG DER DIODENKENNLINIE Um die Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung eines elektronischen Bauelementes zu ermitteln wird eine Schaltung zur Aufnahme der Strom- und Spannungswerte aufgebaut. Diese Schaltung kann zum Beispiel auf die Halbleiterdiode angewendet werden. Die Messschaltung besteht aus einer Spannungsquelle, einen Vorwiderstand zur Strombegrenzung, ein Strommessgerät, ein Spannungsmessgerät und die Halbleiterdiode selber. U F = Durchlassspannung U R = Sperrspannung I F = Durchlassstrom I R = Sperrstrom MESSUNG Die Messwerte beziehen sich auf die Diode in Durchlassrichtung. Um die Durchlassspannung U F zu erhöhen, wird die Spannung U Ges des Netzgerätes erhöht. file:///d /Refs/_To%20Do/12_09_04/EDT-referat1.html (1 von 5) :20:05

2 U F / V 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,75 I F / MA 0 0,02 0,2 1, Ab einem bestimmten Durchlassspannungswert U F beginnt der Strom stark anzusteigen. Diesen Spannungswert nennt man Schwellspannung. Die Halbleiterdiode zeichnet sich durch diese Charakteristik als spannungsabhängiger Widerstand aus. Im Kennlinienfeld sind die Spannungs- und Stromverhaltensweisen einer Germanium-(Ge) und einer Silizium-Diode(Si) dargestellt. Der Durchlassbereich, in dem die Kennlinien der Dioden in Durchlassrichtung betrieben werden liegt rechts oben. Der Sperrbereich, in dem die Kennlinien der Dioden in Sperrrichtung betrieben werden, liegt links unten. Die beiden anderen Felder spielen bei der Kennlinienaufnahme keine Rolle. Die Kennlinie ergibt sich z.b. aus der Messung weiter oben. Dazu werden die Messwerte in die richtige Koordinate gesetzt. Die Punkte werden dann miteinander verbunden. Daraus ergibt sich eine grafische Darstellung der Messwerte: die Kennlinie. Alternativ gibt es die Möglichkeit die Kennlinie mit Hilfe eines Oszilloskopes darzustellen. Die Kennlinie kann z.b. dazu verwendet werden um die Schwellspannung oder den differentiellen Widerstand R F zu bestimmen. SCHWELLSPANNUNG ~ DIFFUSIONSSPANNUNG Es spielt keine Rolle, in welchem Spannungsbereich sich eine Diode befindet. Die Schwellspannung ist abhängig vom Halbleitermaterial und entspricht nur einem Circa - Wert. Ein paar Beispiele häufiger Halbleitermaterialien: Germanium ~ 0,3V Silizium ~ 0,7V Selen ~ 0,6V Kupferoxydal ~ 0,2V EIGENSCHAFTEN EINER HALBLEITERDIODE große Sperrspannung kleine Durchlassspannung großer Durchlassstrom file:///d /Refs/_To%20Do/12_09_04/EDT-referat1.html (2 von 5) :20:05

3 ANWENDUNGEN Spannungsbegrenzung auf ca. 0,7V (Silizium-Diode) Gleichrichtung von Wechselspannung TEMPERATURVERHALTEN VON HALBLEITERDIODEN Halbleiterbauelemente wie z.b. Dioden oder Transistoren ändern ihren Innenwiderstand bei Temperaturänderungen. Somit nimmt die Temperaturänderung Einfluss auf das Strom- Spannungsverhalten von Halbleitern. Die Ladungsträgerbeweglichkeit in einem Halbleitermaterial wird durch die Temperatur beeinflusst. Bei einer höheren Temperatur werden die Ladungsträger beweglicher. Die Eigenleitung des Halbleiters steigt. Das führt zu einem größeren Sperrstrom. Das Diagramm beschreibt die Abhängigkeit des Sperrstromes von der Sperrschichttemperatur bei einer Silizium-Diode. Bei steigender Temperatur nimmt der Durchlasswiderstand eines Halbleiters ab. Die Schwellspannung wird dadurch etwas herabgesetzt. Das Diagramm beschreibt die Abhängigkeit des Verlaufes der Durchlasskennlinie von der Sperrschichttemperatur der Diode. Das Temperaturverhalten einer Diode beeinflusst ihr Sperrverhalten. Das Durchlassverhalten bleibt davon nahzu unberührt. Die Durchlassspannung einer Diode ändert sich linear mit etwa -2mV pro Grad Celsius ( C). Je höher die Temperatur, umso niedriger die Durchlassspannung. ANWENDUNG: Durch das Verstärken dieser Spannungsänderung könnte ein einfaches Temperaturmessgerät realisierbar sein. PN - ÜBERGANG Baut man einen p-leiter und einen n-leiter zusammen, so ergibt sich am Grenzbereich eine Grenzschicht. Diese Grenzschicht nennt man PN-Übergang. Das elektronische Bauelement wird Halbleiterdiode genannt. Ohne äußere Einwirkung durch Spannung oder Strom bewegen sich die freien Ladungsträger nahe der Grenzbereiches von n- und p-schicht in die jeweils anders geladene Schicht. Dabei Rekombinieren die Elektronen und Löcher miteinander. file:///d /Refs/_To%20Do/12_09_04/EDT-referat1.html (3 von 5) :20:05

4 Am PN-Übergang entsteht eine an freien Ladungsträgern verarmte Sperrschicht oder auch Raumladungszone genannt. Diese Schicht ist schlecht leitend und in ihr herrscht ein sehr starkes elektrisches Feld. Durch die Ladungsträgerwanderung entsteht zwischen p- und n-schicht eine elektrische Spannung. Sie wird Diffusionsspannung U D genannt. Bestehen die Schichten aus Silizium beträgt die Diffusionsspannung ca 0,6 bis 0,7 V. PN ÜBERGANG MIT äußerer SPANNUNG Diode in Durchlassrichtung Wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben, so liegt die p-schicht am Plus-Pol und die n- Schicht am Minus-Pol. Die Löcher der p-schicht werden vom Plus-Pol abgestoßen, die Elektronen der n-schicht werden vom Minus-Pol abgestoßen. Die Grenzschicht wird nun mit freien Ladungsträgern überschwemmt. Über den PN-Übergang hinweg, fließt ein Strom durch die Diode. Diode in Sperrichtung Wird die Diode in Sperrichtung betrieben, so liegt die p-schicht am Minus-Pol und die n- Schicht am Plus-Pol. Die Löcher der p-schicht werden vom Minus-Pol angezogen, die Elektronen der n-schicht werden vom Plus-Pol angezogen. Dadurch vergrößert sich die Grenzschicht und es können keine Ladungsträger durch sie hindurch. DOTIERUNG Unter Dotierung versteht man das gezielte Verändern der Leitfähigkeit von Halbleitern, in dem man in den reinen Halbleiterwerkstoff (z.b. Silizium und Germanium) Fremdatome einbaut. file:///d /Refs/_To%20Do/12_09_04/EDT-referat1.html (4 von 5) :20:05

5 N-DOTIERUNG Wenn in reines Silizium Phosphor(P) eingebaut wird, stehen pro Phosphoratom ein freies Elektron zur Verfügung. Da es sich bei den freien Elektronen um negativ geladenen Ladungsträger handelt, spricht man von einem n-leiter. Schließt man eine Stromquelle an den n-leiter an, so entzieht der Plus-Pol dem n-leiter die Elektronen, und es entsteht ein Elektronenstrom von Minus nach Plus. P-DOTIERUNG Wenn in reines Silizium Aluminium(Al) eingebaut wird, fehlt pro Aluminiumatom ein Elektron. Es entstehen Defektelektronen oder auch Löcher genannt. Da es sich bei den Löchern um positive Ladungsträger handelt, spricht man von einem p-leiter. Schließt man eine Stromquelle an den p-leiter an, so fließen Elektronen vom Minus-Pol in den p-leiter und Rekombinieren mit den Löchern. Der Plus-Pol entzieht nun dem p-leiter die Elektronen und es fließt ein Löcherstrom von Plus nach Minus. file:///d /Refs/_To%20Do/12_09_04/EDT-referat1.html (5 von 5) :20:05