Elektronik. Für Studenten des FB WI Prof. M. Hoffmann FB ET/IT. Handout 4 Halbleiterdioden

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1 Elektronik ür Studenten des B WI Prof. M. Hoffmann B ET/IT Handout 4 Halbleiterdioden Definition und unktion pn-übergang mit äußerer Spannung Kennlinien und Parameter Ersatzschaltbild Anwendungsbeispiele Hinweis: Bei den Handouts handelt es sich um ausgewählte Schlüsselfolien und Zusammenfassungen. Die Handouts repräsentieren nicht den vollständigen Inhalt der Vorlesung. 1

2 Halbleiterdiode Halbleiterdiode (Diode): passives zweipoliges-halbleiterbauelement mit asymetrischer Stromstärke- Spannungscharakteristik p-halbleiter n-halbleiter Übergang oder Halbleiter Metall Übergang Schaltzeichen: DIN EN unktion Stromventil: im lussbereich großer Strom bei kleiner Spannung im Sperrbereich kleiner Strom bei großer Spannung Diodentypen: - Gleichrichterdiode: Gleichrichtung von Wechselspannungen - reilaufdioden / Suppressordioden: Schutz vor Überspannungen - Kapazitätsdiode: Spannungsgesteuerter Kondensator - Signaldiode: nichtlineare Signalumformung - Temperaturdiode: Temperaturüberwachung - Zehnerdiode: Spannungsstabilisierung - Tunneldiode: Hochfrequenz-Verstärker,-Schalter, -Oszillatoren - Leuchtdiode: Leuchtanzeige, Signalübertragung, Leuchtmittel - Laserdiode: Datenübertragung, Materialbearbeitung, monochr. Lichtquelle - Leistungsdiode: Anwendungen bei hohen Strömen oder Spannungen 2

3 Halbleiterdiode pn-übergang MIT äußerer Spannung pn-übergang in Sperrrichtung pn-übergang in lussrichtung

4 Diode in Durchlassrichtung / lussrichtung I lussstrom: Diodenstrom in lussrichtung U lussspannung: Diodenspannung in lussrichtung Kennwerte: U S Schleusenspannung; Schwellspannung Spannungswert an der Schnittstelle der einer Geraden angenäherten Stromstärke- Spannungscharakteristik und der Spannungsachse in Durchlassrichtung R = U I Gleichstromwiderstand im AP R B = ΔU ΔI r = d U d I P V = U I Bahnwiderstand für U > U S differentieller Widerstand im AP Verlustleistung im AP AP Grenzwerte: I, max, U, max, P V, max U S 4

5 Diode in Sperrrichtung I R Sperrstrom: negativer Diodenstrom in Sperrrichtung U R Sperrspannung: negative Diodenspannung in Sperrrichtung Kennwerte: I S Sättigungssperrstrom Eigenleitung durch Minoritätsladungsträger I S = I R für U R << U BR Si-Dioden: I S typ. einige 10 pa Ge- Dioden: I S typ. einige 100 na U BR Durchbruchspannung Spannung in Sperrrichtung, bei der ein steiler Stromanstieg erfolgt AP I S R R = U R I R Gleichstromwiderstand im AP P V = U R I R Verlustleistung im AP Grenzwerte: I R, max, U BR =U R, max, P V, max 5

6 Z-Diode Z-Diode für den Dauerbetrieb im Durchbruchbereich ausgelegt sehr steiler Stromanstieg im Durchbruchbereich Kennlinie in lussrichtung ist identisch mit Kennlinien einer gewöhnlichen Siliziumdiode Betrieb in Sperrrichtung 0-A: Sperrbereich A-B: Knickbereich B-C: Durchbruchbereich I Z U Z Diodenstrom im Durchbruchbereich Diodenspannung im Durchbruchbereich A 0 R R = U R I R R Z = ΔU Z ΔI Z Gleichstromwiderstand im Sperrbereich Bahnwiderstand im Durchbruchbereich B r z = du Z di Z ΔU Z ΔI Z differentieller Widerstand im Durchbruchbereich C U Z0 : Durchbruchspannnung extrapoliert für I R = 0mA U ZN : Nennspannnung der Z-Diode I ZT : Messstrom (z.b. 5 ma) 6

7 Diode Ersatzschaltbild Ersatzschaltung idealisierte Kennlinie D I U I = R B r U D I D U U R mit R U S Schleusenspannung I U lussspannung = U R D I lussstrom = I D U R Sperrspannung = -U D I Sperrstrom = -I D R Gleichstromwiderstand in lussrichtung = U / I R B Bahnwiderstand in lussrichtung = ΔU / Δ I r differentieller Widerstand in lussrichtung = du / di R R Gleichstromwiderstand in Sperrrichtung = U R / I R R Z Bahnwiderstand im Durchbruchbereich r z differentieller Widerstand im Durchbruchbereich U BR Durchbruchspannung = R r Z Z I R D U U 7

8 Diode als Schalter Widerstands-Dioden-Logik (RDL) Beispielaufgabe: Welche logische Verknüpfung wird durch diese Schaltung realisiert? Hinweis: betrachten Sie die Dioden als ideale Dioden es handelt sich um eine positive Logik für die Zuordnung der Spannungen zu den Logikpegeln gilt: logisch 0: 0V bis 1,3V logisch 1: größer 2V E1 E2 D1 D2 U R E1 U E2 U y Y Schritt 1: Aufstellen der Arbeitstabelle U E1 U E2 U Y < 1,3V < 1,3V < 1,3V < 1,3V > 2V > 2V > 2V < 1,3V > 2V > 2V > 2V > 2V Schritt 2: Aufstellen der Wahrheitstabelle E1 E2 Y Ergebnis: ODER Verknüpfung 8

9 Diode als Gleichrichter Einweg-Gleichrichtung Mittelpunkts-Zweiweg-Gleichrichtung Brücken-Zweiweg-Gleichrichtung Beispielaufgabe: Bestimmen Sie die maximal über der Diode abfallende Sperrspannung U R und den maximal auftretenden Dioden lussstrom I für die gegebenen Schaltungen. Einweggleichrichtung ohne Glättungskondensator D Einweggleichrichtung mit Glättungskondensator R D W =10Ω 230 V AC 50 Hz 12 V AC 50 Hz R L =100Ω 230 V AC 50 Hz C R L =100Ω Lösung U = Uˆ = 2 U 17V I R max max eff Uˆ 17V = = 0,17A R 100Ω L U 2 Uˆ = 2 2 U 34V I Lösung R max max eff Uˆ 17V = 1, 7A R 10Ω W 9

10 Diode zur Amplitudenbegrenzung U S,D2 U S,D1 Prinzip: pos. HW (D 1 ): gesperrt hochohmig pos. HW (D 2 ): geöffnet niederohmig U A = U,D2 und U A,max = U S,D2 neg. HW (D 1 ): geöffnet niederohmig U A = U,D21 und U A,max = U S,D1 neg. HW (D 2 ): gesperrt hochohmig Z-Diode zur Amplitudenbegrenzung U Z,D1 +U,D2 Prinzip: U Z,D2 +U,D1 pos. HW (D 1 ): U A U E für U E < U Z,D1 + U,D2 U A U Z für U E > U Z,D2 + U,D1 neg. HW (D 2 ): analog pos. HW 10

11 Z-Diode zur Spannungsstabilisierung + U AA << U EE R v - Eingangsspannung: U E = UU EE ± U E typ. U E 2 UU Z Ausgangsspannung: U A = UU AA ± U A U A =UU ZZ Vorwiderstand: R v für Strombegrenzung auf I Z < I Z,max Lastwiderstand: R L I Z Glättungsfaktor: G = UEE UAA = 1 + R VV r ZZ typ. r Z 2 20Ω 11