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2 Inhalt Abstrahlfläche Aussteuerbereich ents APD, avalanche photo diode Diac, diode alternating current switch Diode Fotodiode Gunn-Diode Halbleiter Kapazitätsdiode Laserdiode, LD Leuchtdiode, LED PIN-Diode PLED, polymere light emitting diode Power-LED RCLED, resonant cavity LED Schottky-Diode SOLED, stacked OLED SOT, small outline transistor Thyristor Tunneldiode Zenerdiode Impressum: Herausgeber: Klaus Lipinski Dioden Copyrigt 2008 DATACOM-Buchverlag GmbH Dietersburg Alle Rechte vorbehalten. Keine Haftung für die angegebenen Informationen. Produziert von Media-Schmid 2

3 Abstrahlfläche emitting area Aussteuerbereich dynamic range Aussteuerbereich eines aktiven Bauelements APD avalanche photo diode Lawinenfotodiode 3 Halbleiterstrahlungsquellen, die Licht in Lichtwellenleiter abgeben sollen, haben zu diesem Zweck eine Abstrahlfläche. Für die im Infrarotbereich verwendeten Strahlungsquellen, wie Leuchtdioden (LED) und Laserdioden (LD), ist der Durchmesser dieser Abstrahlflächen 50 bis 100 µm bei der LED und ca. 5 µm bei der Laserdiode. In der elektronischen Schaltungstechnik können bestimmte passive aber vor allem aktive elektronische Bauelemente wie Dioden, Thyristoren und Transistoren nur mit einer bestimmten maximal zulässigen Spannung resp. Strom gesteuert werden. Übersteigt die Steuerspannung den linearen Aussteuerbereich, dann arbeitet das entsprechende Bauelement oder der Vierpol im nichtlinearen Bereich, was zu Verzerrungen der Signalform führt. Innerhalb des Aussteuerbereichs liegt der Arbeitspunkt, der sich auf einer Kennlinie oder Kennlinienschar befindet. Eine Avalanche-Fotodiode (APD) ist eine Fotodiode für die Umwandlung von Lichtsignalen in elektrische Signale, wie sie in den Detektoren von optischen Netzen eingesetzt werden. Bei der APD-Diode wird durch Lawinen-Trägervervielfachung (Avalanche-Effekt) eine höhere Empfindlichkeit erzielt als bei anderen Fotodioden oder PIN-Dioden. Lawinenfotodioden haben ihre spektrale Empfindlichkeit bis zu Wellenlängen von nm.

4 Diac diode alternating current switch Schaltzeichen und Kennlinie des Diac Diode 4 Der Diac ist ein bidirektionaler Halbleiter-Schalter zum Schalten von niedrigen Strömen. Es handelt sich um eine dreischichtige Diode, üblicherweise PNP, mit einem PNund einem NP-Übergang. Einer der beiden PN/NP-Übergänge wird immer in Durchlassrichtung betrieben, der andere in Sperrrichtung. Dadurch ist der Diac im nichtgeschalteten Zustand hochohmig, im geschalteten niederohmig. Der Diac arbeitet bidirektional; gleichermaßen in beiden Richtungen. Das Schalten wird durch Anlegen einer Spannung ausgelöst. Überschreitet die angelegte Spannung einen bestimmten Wert, die Durchbruchspannung, dann schaltet der in Sperrrichtung betriebene Übergang in seinen niederohmigen Zustand, wodurch beide Übergänge leitend sind. Wird die angelegte Spannung reduziert und unterschreitet die Haltespannung, dann kippt eine der beiden Schichten in den Sperrzustand und der Diac ist hochohmig. Dioden sind Halbleiterbauelemente, die Strom nur in einer Richtung durchlassen. Sie bestehen aus den zwei Elektroden Anode und Kathode und lassen nur dann einen Stromfluss zu, wenn die Anode positiver ist als die Kathode. Liegt beispielsweise an der Anode eine sinusförmige Wechselspannung mit wechselnder Polarität, dann fließt nur während der positiven Halbwellen Strom durch die Diode. Die negativen

5 Schaltzeichen und Kennlinie der Silizium-Diode Fotodiode photo diode 5 Halbwellen werden gesperrt und am Arbeitswiderstand entstehen Spannungsänderungen, die der positiven Halbwelle der Sinusschwingung entsprechen. Die Diode erfüllt damit die Funktion eines Gleichrichters aber ebenso die eines elektronischen Schalters, der in DRL-Logiken und DTL- Logiken eingesetzt wird. Historisch betrachtet hat sich die Diode aus der Röhrendiode und der Spitzendiode, auch bekannt als Detektor, entwickelt. Bei der Halbleiterdiode tritt an die Stelle eines spitzen Leiters der einen Kristall kontaktiert, eine PN-Schicht, die aus P-Material und N-Material gebildet wird. Der Transportmechanismus des Stromflusses entspricht dem eines Halbleiters mit Elektronen und Löchern. Die Kennlinie der Diode weist einen Sperrbereich und einen Durchlassbereich aus. Der Durchlassbereich ist abhängig vom Halbleitermaterial und zeigt bei Silizium (Si) eine Kennlinie, die bei 0,7 V beginnt, bei Germanium (Ge) bei 0,3 V. Der Sperrbereich kann bis zu 100 Volt betragen. Neben der normalen Halbleiterdiode gibt es speziell dotierte Dioden wie die Zenerdiode, die Tunneldiode, die Gunn-Diode oder die Schottky-Diode. Darüber hinaus sind die lichtemittierenden Dioden wie die Laserdiode und die Leuchtdiode und die lichtsensitiven Fotodioden sowie die Lawinenfotodiode und die Kapazitätsdioden zu nennen. Fotodioden sind Sensoren die Licht in elektrische Energie umwandeln. Es handelt sich um Germanium- oder Siliziumdioden, die in Sperrrichtung betrieben werden und

6 Infrarot-Fotodiode, Foto: Osram Gunn-Diode gunn diode 6 bei denen sich zwischen den beiden dotierten Halbleiterschichten (P und N) ein undotierter Bereich befindet. Aus diesem undotierten Bereich werden bei Lichteinfall durch den lichtelektrischen Effekt freie Elektronen aus der atomaren Struktur herausgerissen, deren Anzahl von der Lichtintensität abhängt. Beispiele für Fotodioden sind die kostengünstigen PIN-Dioden und die empfindlichere APD-Dioden. Im Gegensatz zum Fotowiderstand haben Fotodioden eine wesentlich geringere Trägheit und können Signale im Nano- und Mikrosekunden-Bereich schalten. Je nach Halbleitermaterial liegt die höchste spektrale Empfindlichkeit bei Silizium bei 800 nm und bei Germanium bei nm, also bei Infrarot. Daher werden diese Bauelemente speziell in der Infrarottechnik eingesetzt. Fotodioden finden ihren Einsatz in Lichtschranken, Fernbedienungen und in der Lichtmessung, und in optischen Übertragungssystemen. Bei Halbleitern gibt es bestimmte Effekte, die schaltungstechnisch genutzt werden. Bei der Gunndiode ist es der Gunn-Effekt, der den Namen von seinem Entdecker J. B. Gunn hat. Dieser hat im Jahre 1963 festgestellt, dass Halbleiter, die identisch aber unterschiedlich stark dotiert sind, einen negativen Widerstand haben. Der Gunn-Effekt basiert darauf, dass Elektronen in N-dotierten Halbleitern, die unterschiedlich stark dotierte Halbleiterbereiche haben, bei Zuführen von Energie, von

7 Schaltzeichen und Kennlinie der Gunn-Diode Halbleiter semiconductor 7 einem Energieband in ein höheres Energieband springen können. In den höheren Energiebändern sind die Elektronen weniger beweglich, was sich in einer größeren Feldstärke bei geringerem Strom bemerkbar macht. Das bedeutet, dass der Gunn-Effekt bei niedrigerer Spannung einen höheren und bei höherer Spannung einen geringeren Strom benötigt. Der Widerstand ist in diesem Bereich also negativ. Dieser Gunn-Effekt wird mit der Gunn-Diode für hochfrequente Oszillatoren genutzt. Gunn-Diode können im Frequenzbereich zwischen 1 GHz bis hin zu 100 GHz für die Schwingungserzeugung eingesetzt werden. Vom Aufbau her bestehen Gunn-Dioden aus einem N-dotierten Halbleitermaterial, mit drei verschieden starken N-Bereichen: dem oberen, mittleren und unteren Bereich. Der obere Bereich ist relativ stark N-dotiert, der mittlere Bereich ist die aktive Zone. Sie hat eine Breite von etwa 10 µm, die sich allerdings ändert und den Frequenz bestimmenden Bereich darstellt. Diese Zone ist weniger stark dotiert. Die Gunn-Diode hat keinen PN-Übergang. Die Leistung, die mit Gunn-Oszillatoren erreicht werden kann, kann bei 100 mw bis 300 mw liegen. In der Elektronik unterscheidet man zwischen Materialien, die elektrischen Strom leiten, die so genannten Leiter, und andere, die keinen elektrischen Strom leiten, die Nichtleiter (Isolator), und wieder andere, die wegen ihrer kristallinen Struktur zwischen Leiter und Nichtleiter einzuordnen sind, die Halbleiter. Hierunter fallen u.a. die chemische Elemente Bor, Schwefel, Selen (Se) und Tellur. In der Mikroelektronik werden hauptsächlich Germanium (Ge), Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs) und auch Kohlenstoffverbindungen eingesetzt. In Halbleitern stehen nur wenige oder gar keine freie Elektronen für den

8 Silizium positiv dotiert mit Gallium Silizium negativ dotiert mit Arsen 8 Stromtransport zur Verfügung. Bei 0 Kelvin hat ein Halbleiter die Eigenschaften eines Isolators, da im Leitungsband keine Elektronen vorhanden sind. Im Falle von Silizium, das 14 Elektronen in drei Elektronenschalen hat, hat das Valenzband 4 Elektronen. Diese sind in reinem Silizium mit jeweils vier Valenzelektronen der Nachbar-Atome paarweise verbunden, sodass kein freies Elektron für den Stromtransport zur Verfügung steht. Bei erhöhter Energiezufuhr durch Wärme oder Licht können sich die Elektronen in den Valenzbändern lösen und als freie Elektronen im Leitungsband den Stromtransport übernehmen. Der Halbleiter wird dadurch leitfähiger und ist in seinen Eigenschaften vergleichbar einem Leiter. Löst sich ein gebundenes Elektron aus dem Verbund, hinterlässt es in der Valenzschale eine Elektronenlücke, die als Loch bezeichnet wird. Der Stromtransport in einem Halbleiter erfolgt daher auf zweierlei Art: auf dem Elektronentransport und auf dem Transport von Löchern, respektive von fehlenden Elektronen. Durch gezielte Verunreinigung, die Dotierung, des Halbleitermaterials beispielsweise mit Arsen (As), das fünf Valenzelektronen besitzt, erhält das Halbleitermaterial einen

9 Elektronenüberschuss, es wird daher als N-Material bezeichnet. Als P-Material wird Halbleitermaterial mit einem Elektronendefizit oder einem Löcherüberschuss bezeichnet. Halbleiterbauelemente wie Dioden, Transistoren, Thyristoren u.v.m. bestehen immer aus zwei oder mehreren N- und P-Schichten in denen der Stromfluss durch Anlegen von Versorgungs- und/oder Steuerspannungen gesteuert werden kann. Kapazitätsdiode capacity diode Kennlinie und Schaltzeichen der Kapazitätsdiode Laserdiode, LD laser diode 9 Eine Kapazitäts- oder Varaktordiode ist eine Diode, die die Funktion eines veränderbaren Kondensators erfüllt. Als Kapazität wirkt die PN-Schicht, die in Sperrrichtung betrieben und deren Raumladungszone gesteuert wird. Bei Anlegen einer Spannung baut sich in der Sperrschicht ein elektrisches Feld auf, das sich bei Spannungserhöhung vergrößert. Dadurch vergrößert sich ebenfalls die Breite der ladungsfreien Zone, wodurch die Kapazität sinkt. Die Kapazitätsänderung liegt bei etwa 5 pf/v bis 10 pf/v. Kapazitätsdioden werden als steuerbare Kapazitäten in Schwingkreisen und spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO) eingesetzt und ersetzen die mechanischen Drehkondensatoren in Funkempfängern. Laserdioden (LD), auch Halbleiterlaser genannt, sind elektronische Bauelemente für die optische Übertragungstechnik. Sie bestehen aus dotierten Halbleiterschichten und dienen der Erzeugung von Lichtsignalen, die in den Lichtwellenleitern die Übertragung übernehmen. In Laserdioden wird die stimulierte Emission zur Lichtverstärkung eingesetzt. Sie modulieren das Lichtsignal in der Intensität und Form einer Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulation, mit denen Übertragungsfrequenzen von etwa 10 GHz erreicht werden. Laserdioden haben gegenüber Leuchtdioden (LED) eine wesentlich höhere

10 Spektralverteilung von Laser- und Leuchtdiode Leuchtdiode, LED light emitting diode 10 Ausgangsleistung, die über 5 mw liegt, und sind daher für lange Übertragungsstrecken besser geeignet. Sie erzeugen ein kohärentes Licht mit einer spektralen Breite von nur 1 nm, im Falle des DFB-Lasers beträgt die spektrale Breite sogar nur 0,1 nm. Die Abstrahlfläche von 5 µm und der geringe Abstrahlwinkel sind ideal für den Einsatz in Verbindung mit Monomodefasern. Die Modulationsfrequenzen können 10 GHz betragen, die Anstiegszeit liegt bei 10 ps, die Lebensdauer ist mit Stunden wesentlich geringer als die von LEDs. Nachteilig sind der höhere Schaltungsaufwand gegenüber LEDs sowie die Temperaturabhängigkeit und die Empfindlichkeit gegenüber Rückstreuungen. Für das optische Fenster bei 850 nm werden VCSEL-Laser eingesetzt, bei nm kommen FPL-Laser zum Einsatz. Leuchtdioden (LED) verwenden Halbleiterkristalle um elektrische Signale in Lichtsignale zu wandeln. Dabei wird die Grenzschicht zwischen positiv und negativ dotierten Halbleitern mit freien Ladungsträgern überschwemmt, die bei der Rekombination ihre Energie in Form von Licht abgeben. Leuchtdioden erzeugen das Licht direkt bei der Rekombination von Ladungsträgern in einem Halbleiter. Für diese Photonen-Emission werden Halbleiter aus der 3. und 5. Gruppe des Periodensystems benutzt: Nitrate wie Galliumnitrid (GaN) oder Indiumnitrid (InN), Phosphide wie Galliumphosphid (GaP) oder auch Arsenide wie Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumarsenid (InAs). Diese Halbleiter oder Kombinationen daraus bestimmen die Farbe der Lichtemission. Da kein Halbleiter ein weißes Licht emittiert, haben weiß leuchtende LEDs haben eine blaue Lichtemission, die eine darüber liegende Phosphorschicht wiederum zur Lichtemission anregt. Daher ist das Licht der weiß leuchtenden LEDs blaustichig. Die

11 Farben von Standard- Leuchtdioden Kennlinie einer roten LED 11 Farbtemperatur liegt bei etwa Kelvin. Es gibt auch Leuchtdioden-Arrays mit einstellbarer Farbtemperatur, die das Tageslicht von Kelvin erzeugen können. Leuchtdioden werden ebenso wie Laserdioden in der Kommunikation als Lichtquelle für die Übertragung in optischen Medien benutzt, darüber hinaus als Statusanzeigen, in LED-Displays oder inzwischen auch in der Beleuchtungstechnik. Bei den in der optischen Übertragungstechnik eingesetzten LEDs liegt die Abstrahlfläche zwischen 50 µm und 100 µm. Sie werden daher primär in Multimodefasern eingesetzt. LEDs auf der Halbleiterbasis Gallium-Arsenid strahlen auf einer Wellenlänge von 850 nm. Es gibt sie aber auch in anderen Dotierungen für die Wellenlängen bei nm und nm. Die typischen Ausgangsleistungen liegen bei 1 mw, die Koppelverluste bei -17 db. Leuchtdioden erzeugen diffuses (inkohärentes) Licht, das in einem relativ großen Winkel abgestrahlt wird. Dieser liegt zwischen 40 und 90 Grad. Die spektrale Fensterbreite beträgt 70 nm und kann mit Modulationsfrequenzen von bis zu ca. 250 MHz moduliert werden. Die generierbaren Impulsanstiegszeiten liegen bei 1 ns, wodurch der Einsatz bei Übertragungsraten von 1 Gbit/s

12 begrenzt ist. Je nach Einkopplung unterscheidet man bei den LEDs zwischen Flächenemitter-LEDs und Kantenemitter-LEDs. Leuchtdioden werden auch für die Hintergrundbeleuchtung von LCD-Displays entwickelt und als Power-LEDs zunehmend in der Raumbeleuchtung und der Automotive-Technik in Form von LED-Lampen und LED-Scheinwerfern eingesetzt. Die bereits zur Verfügung stehenden lichtstarken Leuchtdioden haben einen Lichtstrom von 200 Lumen und mehr, der von der Helligkeit her bereits im Bereich einer 20-W- Halogenlampe liegt und einen CRI-Wert für die Farbwiedergabe von 95. Als Weiterentwicklungen sind die OLED und die PLED zu nennen. PIN-Diode PIN, positive intrinsic negative Aufbau der PIN-Diode 12 Die PIN-Diode kann ein optische Detektor sein, also eine Fotodiode, sie kann aber auch als steuerbarer frequenzabhängiger Widerstand arbeitet; je nachdem ob sie in Sperr- oder Durchlassrichtung betrieben wird. Als Fotodiode arbeitet die PIN-Diode in Sperrrichtung und wandelt Lichtsignale in elektrische Signale um. Wie aus der Bezeichnung erkennbar, besteht die PIN-Diode aus drei Schichten: einer positiv dotierten P-Schicht, einer negativ dotierten N-Schicht und der zwischen beiden liegende Intrinsic-Bereich, in dem sich nur wenige freie Ladungsträger befinden. Der Intrinsic-Bereich hat eine Breite von etwa 500 nm bis nm, wogegen die P- und N-Schicht nur etwa 10 nm bis 30 nm breit sind. Fällt Licht auf den Intrinsic-Bereich werden Elektronen aus dem atomaren Verbund gerissen und stehen für den Ladungstransport zur Verfügung. Je höher die Lichtstärke, desto mehr freie Elektronen stehen zur Verfügung. Neben der PIN-Diode werden in E/O- Wandlern auch die empfindlicheren APD-Dioden oder Fototransistoren eingesetzt. Die PIN-Diode ist unempfindlicher als die APD, dafür aber temperaturstabiler und kostengünstiger. Spitzenwerte für

13 die Empfindlichkeit liegen zwischen -40 dbm (25 Mbit/s) und -55 db (2 Mbit/s) bei 850 nm Wellenlänge. Wird die PIN-Diode in Durchlassrichtung betrieben, dann kann man die Raumladungszone in der Breite steuern und erhält damit die Funktion eines kapazitiven Widerstandes. In dieser Funktion wird die PIN-Diode in HF-Schaltungen, so beispielsweise in HF-Dämpfungsgliedern. PLED polymere light emitting diode Selbstleuchtendes PLED- Display, Foto: Electronic Assembly Power-LED Lichtstrom der verschiedenen Lichtquellen bezogen auf die Leistung 13 Polymere Light Emitting Diode (PLED) sind wie OLEDs Neuentwicklungen von farbig leuchtenden Komponenten für Displays. Die polymere Technik unterscheidet sich gegenüber normalen LEDs und OLEDs durch den Aufbau. Die PLEDs benutzen undotierte Polymere, die zwischen zwei Elektroden angebracht sind. Die Vorteile dieser Technik gegenüber LEDs sind der geringe Energieverbrauch, die extreme Flachheit und die Biegsamkeit des Displays sowie die hervorragenden Leuchteigenschaften. Die rasante Entwicklung der Leuchtdioden hat lichtstarke Power-LEDs hervorgebracht, die mehrere Watt an elektrischer Leistung verbrauchen. Diese Power- LEDs, die man auch zu LED-Arrays kombiniert, werden dank ihrer Lichtstärke für die Beleuchtung in Gebäuden, in LED-Projektoren und LED-Scheinwerfern, in der Verkehrsund Signaltechnik eingesetzt werden. Hochleistungs-LEDs arbeiten mit Ströme von 1 A und darüber, die von den Treiberschaltungen erbracht

14 Power-LED mit 30 lm/w von Cotco RCLED resonant cavity LED Schottky-Diode 14 werden müssen. Die Vorteile der Power-LEDs gegenüber herkömmlichen Leuchtmitteln liegen in platzsparenden Bauweise und der enormen Lichtausbeute, die bei über 100 lm/w liegt. Die Helligkeit erreicht Werte von über 200 Lumen (lm) bei einer Farbtemperatur von K. Im Vergleich dazu hat eine Leuchtstoffröhre 50 lm/w bis 80 lm/w, eine Energiesparlampe etwa 30 lm/w und eine Glühlampe etwa 10 lm/w. Außerdem ist die Lebensdauer mit über Betriebsstunden wesentlich höher als die von Glühlampen oder Leuchtstoffröhren. Dazu ist allerdings anzumerken, dass die Lebensdauer der Power-LEDs sehr stark von der Sperrschichttemperatur abhängt und die Lebensdauerangaben der verschiedenen Hersteller recht unterschiedlich sind. So geben einige Hersteller als Lebensdauer die Zeit an, bei der die Helligkeit auf 70 % der Anfangshelligkeit gefallen ist, andere geben den 50%-Wert an. Die Resonant Cavity LED (RCLED) ist eine Leuchtdiode, die mit einem Resonanzkörper arbeitet und sich gegenüber der normalen Leuchtdiode durch eine geringere spektrale Bandbreite auszeichnet. Die RCLED leuchtet bei 650 nm mit einer spektralen Breite von 10 nm. Die übertragbare Datenrate beträgt 600 Mbit/s, der Sendepegel liegt bei -2 dbm bis -6 dbm. Die Schottky-Diode ist eine Diode, die sich im Aufbau von der zweischichtigen Halbleiterdiode unterscheidet. Bei der Schottky-Diode tritt anstelle der P-Schicht eine kapazitätsarme Metallelektrode. Bedingt durch die geringe Kapazität des Übergangs zwischen dem N-basierten Silizium und der Metallelektrode, zeichnet sich die Schottky-Diode durch extrem kurze Schaltzeiten aus. Diese liegen im unteren Nanosekunden-Bereich bei 1 ns bis 3 ns. Das Einsatzgebiet liegt demgemäß in schnellen elektronischen Schaltern und Logiken. So in speziellen Schottky-TTL-Logiken. Die Kennlinie von Schottky-Dioden ist wesentlich steiler als die von Germanium-Dioden, dir Durchlassspannung liegt bei 0,4 V, die Sperrspannung bei etwa -50 V.

15 Schaltzeichen und Kennlinie der Schottky-Diode SOLED stacked OLED Aufbau eines SOLED-Displays 15 Da Schottky-Dioden eine höhere Leistungsaufnahme haben als andere Halbleiterdioden, gibt es neben der Schottky-TTL- Logik, S-TTL, spezielle Versionen mit verringerter Leistungsaufnahme wie Low Power Schottky TTL (LS-TTL) und die Advanced Schottky-TTL (AS- TTL). Letztere hat eine Schaltzeit von 1,7 ns bei einer Leistungsaufnahme von 8,5 mw. Benannt ist der Schottky-Effekt nach dem deutschen Physiker Walter Schottky ( ). Die SOLED-Technologie ist eine Display-Technik, die sich von der Anordnung der Organic Light Emitting Diodes (OLED), gegenüber anderen Diplays unterscheidet. Bei der Stacked-OLED-Technologie sind die lichtemittierenden Elektroden und das lichtemittierende Material der OLEDs transparent. Es handelt sich um so genannte Transparent OLEDs (TOLED). Da sie lichtdurchlässig sind, können die drei Toleds für die Primärfarben Rot, Grün und Blau übereinander angeordnet werden, was zu der Bezeichnung Stacked OLED (SOLED) geführt hat. Jede der drei Toleds wird einzeln angesteuert und kann über den zugeführten Strom in der Helligkeit variiert werden. Werden alle drei Toleds mit dem gleichen Strom angesteuert, dann leuchtet das entsprechende Pixel unbunt, zwischen weiß, grau und schwarz. Bei Erhöhung der Lichtstärke verändert sich der

16 Grauwert hin zu Weiß. Da die Toleds übereinander angeordnet sind, besteht ein Pixel nicht aus einem Farbtripel, sondern aus einem einzelnen in der Farbe und der Helligkeit steuerbaren Bildpunkt. SOT small outline transistor Thyristor SCR, silicon controlled rectifier 16 Das SOT- oder SO-Gehäuse (Small Outline Transistor) ist das Standardgehäuse für Dioden und Transistoren. Es wurde bereits in den 70er Jahren für die SMT-Technik entwickelt und in Konsumergeräten eingesetzt. Unter der Bezeichnung Small Outline Integrated Circuit (SOIC) wird die SOT- Bauweise auch für integrierte Schaltungen (IC) benutzt. Über die Jahre wurde der Bedarf nach kleineren IC- und Transistorgehäusen immer dringlicher, daher gibt es das SOT-Gehäuse auch in miniaturisierter Bauweise als SOT-23. Das SOT-23-Gehäuses, das von der JEDEC in TO-236 umbenannt wurde, ist nur 1,3 mm breit, 3,0 mm lang und 1,0 mm dick. Der Abstand der Pins liegt bei 1,9 mm. Die in dem SOT-23-Gehäuse enthaltenen Dice haben eine Fläche von 0,75 qmm. Ein solcher SOT-23 kann eine Leistung von 200 mw ableiten. Die kleinsten SOT-Gehäuse sind nur 0,8 mm breit, 1,6 mm lang und 0,7 mm dick, der Pinabstand liegt bei 1,0 mm. Die SOT-23-Gehäuse sind ideal für Kleinsignal-Transistoren, können auch analoge Schaltungen für Spannungsstabilisierungen, Leitungstreiber, Empfänger und Receiver, LED-Treiber, Thermostaten usw. enthalten. SOT-Gehäuse gibt es in den verschiedensten Größen, die kleinsten haben 3, 5, 6 und 8 Pins. Der Thyristor (SCR), auch Vierschichtdiode, Thyristordiode oder Silicon Controlled Rectifier (SCR) genannt, ist ein Halbleiterbauelement, das als elektronischer Schalter eingesetzt wird. Der Thyristor kennt zwei Zustände: den leitenden und den nichtleitenden, die durch eine Steuerelektrode ausgelöst werden können. Er ist ähnlich aufgebaut wie eine Reihenschaltung aus mehreren Dioden, bestehend aus vier Schichten, daher auch die Bezeichnung Vierschichtdiode, mit wechselnder P- N-P-N-Dotierung. Der Thyristor hat drei Elektroden, neben der Kathode und der

17 Ersatzschaltbild, Schaltzeichen und Kennlinien des Thyristors Anode noch den Steueranschluss (G). Der Steueranschluss kann n- oder p-gesteuert sein, d.h. er setzt funktional an der Anode (n-gesteuert) oder der Kathode (pgesteuert) an. Bei dem p-gesteuerten Thyristor ist der Steuerimpuls positiv. Dieser Impuls schaltet den Thyristor in den niederohmigen, leitenden Zustand, wodurch der Widerstandswert in den Milliohm-Bereich fällt. Erst wenn der Haltestrom unterschritten wird, werden die Halbleiterstrecken hochohmig und nichtleitend. Der hochohmige Zustand ist dann gegeben, wenn an der Anode eine negative Spannung anliegt. Im niederohmigen Zustand liegt an der Anode eine positive Spannung, die erst bei Überschreiten eines bestimmten Potentials zwischen Anode und Kathode den Thyristor in den leitenden Zustand schaltet. Eingesetzt werden Thyristoren als kontaktlose Schalter und steuerbare Gleichrichter in Schaltnetzteilen, in Dimmern und Impulsschaltungen. Die Zündspannung arbeitet mit etwa 3 V, die Schaltströme reichen bis über A bei Sperrspannungen von V und mehr. Als GTO-Thyristoren gibt es spezielle Schaltthyristoren, die in der IGBT-Technik eingesetzt werden. 17

18 Tunneldiode tunnel diode Schaltzeichen und Kennlinie der Tunneldiode Zenerdiode zener diode 18 Die Tunneldiode hat in Sperrrichtung eine Kennlinie, die in einem bestimmten Bereich einen negativen Widerstand repräsentiert. Sie wird nach ihrem Erfinder auch Esaki-Diode genannt. Die Bezeichnung Tunneldiode hängt mit dem Tunnel zusammen, der sich in Sperrrichtung durch die hohe Dotierung bildet. Dazu trägt die kleine Germaniumschicht aus N-Material bei, die mit Indium legiert ist. Eine vergleichbare Sperrfunktion wie bei anderen Dioden gibt es nicht. Die Kennliniencharakteristik zeigt in einem bestimmten Bereich mit steigender Spannung eine Verringerung des Stromflusses, was einen negativen Widerstandswert entspricht. Oberhalb und unterhalb von diesem Bereich zeigt die Tunneldiode positive Widerstandswerte. In Durchlassrichtung hat die Tunneldiode die gleichen Eigenschaften wie normale Dioden. Tunneldioden werden u.a. in Oszillatoren für die Generierung hoher Frequenzen eingesetzt. Die Zenerdiode oder Z-Diode ist eine normale Diode aus Halbleitermaterial, die allerdings in Sperrrichtung betrieben wird. In der Sperrrichtung hat die Zenerdiode bei einer bestimmten Spannung, genannt die Zenerspannung, eine sprunghafte Änderung ihrer Widerstandswertes, der bei dieser Spannung gegen null geht. Der Zener-Effekt wird durch gezielte Dotierung des Halbleitermaterials erzielt und liegt bei Spannungen von weinigen Volt bis hin zu einigen hundert Volt. Beim Zener-Effekt werden Ladungsträger aus dem Silizium herausgelöst. Durch die

19 Schaltzeichen und Kennlinie der Zenerdiode sich aufbauenden elektrischen Felder werden diese Elektronen stark beschleunigt und lösen lawinenartig weitere Elektronen aus dem Halbleiter. Daher spricht man beim Zener-Effekt auch vom Lawineneffekt. Speziell entwickelte Zenerdioden werden für Spannungsstabilisierungen eingesetzt, als Überspannungsschutz und zur Glättung von Spannungsspitzen in Überspannungsbegrenzern. Sie zeichnen sich durch extrem kurze Ansprechzeiten im Picosekundenbereich hohe Sperrbelastbarkeit aus. 19