5 Dioden. 5.1 Grundlagen Bandstruktur und Dotierung Dotierung

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1 Dioden sind die wichtigsten passiven nichtlinearen Bauelemente. Sie sind asymmetrische Zweipole, d.h. ihr Widerstand hängt von der Polarität der angelegten Spannung ab. 5.1 Grundlagen Bandstruktur und Dotierung Abbildung 5.1: Bandlücke eines Halbleiters. Dioden bestehen aus 2 Arten von unterschiedlich dotierten Halbleitern. Beim Halbleitermaterial verwendet man meist Silizium. Alternativen sind Germanium oder binäre Halbleiter aus Elementen der dritten und fünften Gruppe (/V) Halbleiter, wie z.b. GaAs. m Rahmen dieser Vorlesung beschränken wir uns auf Silizium, mit Hinweisen auf Germanium und GaAs. Die wichtigsten Parameter dieser Materialien sind in Tabelle 5.1 zusammengestellt. Bei einem intrinsischen Halbleiter werden durch thermische Anregung einige Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband angeregt. Dadurch werden in gleicher Zahl bewegliche Elektronen und Löcher als Ladungsträger erzeugt Dotierung Das große Potenzial der Halbleiter liegt darin, dass ihre Eigenschaften durch das Einbringen von Dotieratomen gezielt modifiziert werden können. Bringt man 5-wertige Atome, wie z.b. P, As, Sb in Si ein, Vorlesung "ELEKTRONK" Prof. Dr. Klaus Wille Bei höheren Temperaturen ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein Zustand mit der Energie W besetzt ist Abb. 5.3 Elektronendichte in der Bandstruktur eines Halbleiters 1 f ( W ) =, (5.7) " W! W % F 1 + exp$ ' # k T & wie es auch in Abb. 5.2 zu sehen ist. Diese Energieverteilung der Elektronen stellt sich auch im Festkörper ein, wenn die möglichen Energiebereiche durch verbotene Zonen getrennt sind. Die Fermi- Energie liegt dann in der verbotenen Zone zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband (Abb. 5.3). Bei T = 0 K gibt es kein Elektron im Leitungsband und daher kann kein elektrischer Strom fließen. Bei höheren Temperaturen gibt es aber nach (5.7) eine von Null verschiedene Wahrscheinlichkeit, daß Elektronen in das Leitungsband gelangen können. Deren Zahl nimmt mit der Temperatur zu. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters ist also temperaturabhängig. Diese sogenannte Eigenleitung in reinen, ungestörten Halbleitern ist allerdings in der Regel sehr klein. Sie kann erheblich vergrößert werden, wenn in den Kristall kontrolliert Fremdatome eingebaut werden. Diesen Vorgang nennt man Dotierung. f(e) Abbildung 5.2: Ladungsträgerdichte m Valenz- und Die wichtigsten elementaren Halbleitermaterialien sind Silizium (Si) und Germanium (Ge). Diese vierwertigen Elemente bilden ein regelmäßiges Kristallgitter. Leitungsband. 5.2 Störstellenleitung Abb. 5.4 a Silizium-Kristallgitter mit einem fünfwertigen Fremdatom Abb. 5.4 b Bandstruktur eines Halbleiters mit fünfwertigen Fremdatomen ( Donatoren ) Abbildung 5.3: Donatoren in einem Halbleiter. Ersetzt man in dem Halbleiterkristall einige der regulären Gitteratome durch fünfwertige Fremdatome (z.b. Sb, As und P), so kann das fünfte Valenzelektron des Fremdatoms keine Bindung mit den Kristallatomen eingehen und ist daher nur lose gebunden (Abb. 5.4 a). Seine Energie liegt daher nur geringfügig unter dem Leitungsband (Abb. 5.4 b). Es genügt daher eine entsprechend geringe so liegen deren Energien- 80 leicht - unterhalb der Bandkante des Leitungsbandes. Der Abstand beträgt wenige 10 mev, so dass die meisten dieser Donatoren ionisiert werden, d.h. sie geben ein Elektron n = p = ans np Leitungsband n i = n i ; ab und erhöhen dort die Ladungsträgerdichte um viele Größenordnungen. σ i m n m p EF Ganz analog kann man in den Kristall auch dreiwertige Fremdatome einbauen, wie z.b. B, Al Ga und n. Dadurch werden Fehlstellen erzeugt, die von Elektronen des Valenzbandes aufgefüllt werden. m Valenzband bleiben daher Löcher zurück, die sich im Elektronengas wie positive Ladungsträger verhalten. Dioden enthalten eine Grenzschicht zwischen einem n-(negativ) dotierten Teil und einem p-(positiv) do- 45

2 Vorlesung "ELEKTRONK" Ge Si GaAs Bandlücke 0,66 1,12 1,4 ev Eigenleitungsdichte n i 2, , , cm 3 Elektronenbeweglichkeit µ n cm 2 /Vs Prof. Dr. Klaus Wille Löcherbeweglichkeit µ p cm 2 /Vs thermische Energie, um dieses Elektron in das Leitungsband zu befördern. Diese Fremdatome bezeichnet man daher auch als Donatoren. Durch die Dotierung mit einem fünfwertigen Fremdatom wird daher die Elektronenkonzentration im Leitungsband und damit die Leitfähigkeit wesentlich erhöht. Dadurch verschiebt sich auch die Fermi-Energie nach oben. Da an der Leitfähigkeit negative Elektronen beteiligt sind, spricht man von Elektronenleitung und nenn diesen so dotierten Halbleiter N-Leiter. Tabelle 5.1: Parameter für die wichtigsten Halbleitermaterialien im Gleichgewicht mit den extrinsischen Ladungsträgern: n e n p = n 2 i. Abb. 5.5 a Silizium-Kristallgitter mit einem dreiwertigen Fremdatom Abb. 5.5 b Bandstruktur eines Halbleiters mit dreiwertigen Fremdatomen ( Acceptoren ) Abbildung 5.4: Akzeptoren in einem Halbleiter. Ganz analog kann man in den Kristall auch dreiwertige Fremdatome einbauen, wie z.b. B, Al Ga und n. Dadurch werden Fehlstellen erzeugt, die von Elektronen des Valenzbandes aufgefüllt werden. m Valenzband bleiben daher Löcher zurück, die sich im Elektronengas wie positive Ladungsträger verhalten (Abb. 5.5 a und b). Wird ein Loch von einem Elektron aufgefüllt, entsteht an der vorigen Position des Elektrons ein neues Loch. Das Loch ist also genau in entgegengesetzter Richtung des Elektrons gewandert. Diese Wanderung der Löcher bewirkt also auch einen elektrischen Strom. n diesem Falle spricht man von Löcherleitung und bezeichnet den so dotierten Halbleiter als P- Leiter, da sich die Löcher wie positive Ladungen verhalten. Die dreiwertigen Fremdatome halten Elektronen aus dem Valenzband fest, so daß sie nicht mehr durch den Kristall diffundieren können. Man nennt sie daher auch Acceptoren. hre Energie liegt knapp oberhalb des Valenzbandes (Abb. 5.5 b). Durch die Erzeugung der Löcher verschiebt sich die Fermi-Energie bei P-Leitern nach unten. tierten Teil. 5.3 Der PN-Übergang von Halbleitern: die Diode Eine für die Elektronik wichtigste Anordnung entsteht, wenn man einen N- und einen P-Leiter in einer gemeinsamen Fläche zusammenbringt und dadurch einen sogenannten PN-Übergang" schafft. (Abb. 5.6). Zunächst sind beide Kristalle elektrisch neutral. Bringt man sie in engen Kontakt, können die von den Donatoren gelieferten frei beweglichen Elektronen mit Energiegewinn in die Löcher des P-Leiters gelangen und diese Diode. auffüllen. Dabei erhält in diesem Bereich der P-Leiter eine negative Ladung, die mit zunehmender Stärke der weiteren Bewegung der Elektronen zum P-Leiter entgegenwirkt. Entsprechendes gilt für die Löcher. Es stellt sich nach kurzer Zeit ein Gleichgewicht ein, bei dem der Energiegewinn der Elektronen und Löcher beim Übergang vom einen Leitertyp auf den anderen durch das entstandene Gegenfeld kompensiert wird. Dieses Gegenfeld, man spricht auch von einer Diffusionsspannung, bewirkt eine Potentialverschiebung, durch die die Fermi- Energie WF auf beiden Seiten gleich wird. Abbildung 5.5: Symbolische Darstellung einer n elektronischen Schaltungen werden Dioden allgemein mit dem in Abb. 5.5 gezeigten Symbol dargestellt. Die Anode ist die p-dotierte Zone, die Kathode die n-dotierte Zone Ladungsträgerdichte und Temperaturabhängigkeit n einem intrinsischen Halbleiter ist die Zahl der positiven und negativen (beweglichen) Ladungsträger gleich. Wird das Material negativ dotiert, so steigt die Anzahl der freien Elektronen, diejenige der Löcher sinkt, n p 1/n e. ntrinsisches Material enthält Ladungsträger auf Grund der thermisch angeregten Übergänge zwischen Valenz- und Leitungsband; wir bezeichnen die Dichte dieser Ladungsträger mit n i. Sie stehen Da das Material insgesamt neutral sein muss, ist die Summe der positiven Ladungsträger gleich der Summe der negativen Ladungsträger, N D + n p = N A + n e. Hier stellt N D die Dichte der positive geladenen Donatorenrümpfe, N A die Dichte der negativ geladenen Akzeptoren dar. n einem n-dotierten Material ist N D n e n p. Zusammen mit dem Massenwirkungsgesetz folgt daraus n p n2 i N D. Typische Zahlenwerte für n-si sind n i cm 3, N D cm 3 und damit n p 10 5 cm 3. ln n Stör- stellen- Reserve n i Störstellen- Erschöpfung Eigenleitung dominiert n ges ionisierte Störstellen T/K Abbildung 5.6: Abhängigkeit der Ladungsträgerdichte von der Temperatur. Die onisierung von Donatoren und Akzeptoren ist thermisch aktiviert, genau wie die Erzeugung von intrinsischen Ladungsträgern. Aufgrund der relativ 46

3 niedrigen onisierungsenergie ist diese ab einer Temperatur von ca. 100 K praktisch vollständig. Dadurch bleibt die Ladungsträgerdichte über einen relativ breiten Temperaturbereich relativ konstant und nimmt erst bei hohen Temperaturen wieder zu, wenn die intrinsischen Ladungsträger über die extrinsischen dominieren. Die Grenze zwischen dem Erschöpfungsbereich und dem Bereich, in dem die Eigenleitung dominiert, hängt von der Dotierung ab p-n Übergang Da die ionisierten Rümpfe zurückbleiben, entsteht im n-dotierten Bereich eine Zone positiver Raumladungen, auf der p-dotierten Seite ein Bereich negativer Raumladungen. Dies erzeugt ein elektrisches Feld in der Richtung vom n- zum p-dotierten Bereich. Die Stärke des Feldes ist bestimmt durch die Dichte der Raumladung, dive = ρ ε 0 ε oder, in einer Dimension, E x x = ρ ε 0 ε. Die zugehörige Potenzialdifferenz entspricht dem ntegral Φ(x)= E x (x)dx. Dieses elektrische Feld, resp. das Potenzial, wirkt der Diffusion entgegen, so dass sich ein Gleichgewicht bildet. Abbildung 5.7: p-n Übergang. An der Grenzfläche zwischen 2 entgegengesetzt dotierten Bereichen spielt die Diffusion der Ladungsträger eine wichtige Rolle. Dadurch treffen Elektronen und Löcher aufeinander, rekombinieren und erzeugen so eine Verarmungszone. Abbildung 5.8: Ladungsdichte, elektrisches Feld und Potenzial im Bereich des Übergangs. Abbildung 5.9: Bandverbiegung auf Grund der Diffusion im Bereich der Grenzfläche: Links die Bänder ohne elektrischen Kontakt, rechts nach Diffusion und Erzeugung einer Verarmungszone. Das Ferminiveau liegt im p-dotierten Bereich knapp oberhalb der Valenzbandkante, im n-dotierten Bereich knapp unterhalb der Leitungsbandkante. m Gleichgewicht beträgt die Diffusionsspannung für ein kastenförmiges Potenzial U D = k BT e ln N AN D n 2. i Der erste Faktor, das Verhältnis aus thermischer Energie und Elementarladung ist die Temperaturspannung U T = k BT e = 1, J 1, C 26mV 47

4 (bei Raumtemperatur). Typische Werte von U D für Si sind in der Größenordnung von V. Der Wert ist temperaturabhängig: 5 Dioden Ladungsträger mehr. Dieser Bereich verhält sich wie ein solator. Man spricht daher auch von einer Sperrschicht. Wichtig ist das Verhalten des PN-Übergangs beim Anlegen einer äußeren Spannung. Dadurch wird das Potential in der Sperrschicht verändert und damit auch die Elektronen- bzw. Löcherleitung durch die Grenzfläche. U D T 2mV K. Die Breite d 0 der Verarmungszone liegt im Bereich von µm und ist abhängig vom Dotierungsprofil. Da sich hier zwei Bereiche entgegengesetzter Ladung in geringer Entfernung befinden, wirkt eine Diode immer auch als Kondensator. Die entsprechende Kapazität wird als Sperrschichtkapazität bezeichnet. Abb. 5.7 PN-Übergang im Durchlaßbereich durch Anlegen einer äußeren Spannung n Abb. 5.7 ist der Fall skizziert, in dem an den P-Leiter eine positive und den N-Leiter Abbildung negative Spannung 5.11: angelegt Sperrschicht wird. Bei dieser Polarität wird bei die Diffusionsspannung Anlegenannähernd einer kompensiert. Die Elektronen werden vom N-Leiter und die Löcher vom P-Leiter in die Sperrschicht getrieben und können sich dabei Spannung gegenseitig aufheben. indie Vorwärtsrichtung. Sperrschicht wird dabei sehr schmal und erlaubt den Elektronen und Löchern, durch sie zu diffundieren. Es fließt dabei ein von der Höhe der anliegenden Spannung abhängiger permanenter Strom. Diesen Zustand bezeichnet man daher als Durchlaßbereich durchqueren und rekombinieren, so dass hier ein Strom fließt. Man spricht deshalb vom Durchlassbereich Einfluss einer Spannung Wir betrachten nun das Verhalten der Diode, wenn eine Spannung angelegt wird. Zunächst wird am p- Leiter eine negative Spannung angelegt, am n-leiter eine positive. Dadurch werden die Ladungsträger in Richtung auf die Elektroden verschoben. Die Sperrschicht wird dadurch breiter, die Raumladungszone Vorlesung "ELEKTRONK" Prof. Dr. Klaus Wille wird größer und damit der Abstand zwischen den Dreht man die Polarität an dem PN-Übergang um, werden Elektronen und Löcher weiter aus der Energien Sperrschicht verdrängt, der die Bänder Sperrschicht auf wird breiter beiden (Abb. 5.8). Seiten. Durch das hohe Gegenfeld in der Sperrschicht ist eine Stromleitung praktisch nicht mehr möglich Diodenkennlinie Sperrstrom Silizium: s = 10 pa Germanium: s = 0.1 μa A K U K nick Flusspolung GaAs U K ~ 1.3 V A K Abbildung 5.12: Strom-Spannungskennlinie typischen Diode. einer Abb. 5.8 PN-Übergang im Sperrbereich Abbildung 5.10: Sperrschicht bei Anlegen einer Ein solcher PN-Übergang hat also eine extrem nichtlineare Spannungs-Strom-Abhängigkeit. Die beiden sich an der Sperrschicht berührenden Halbleiter können als Elektroden eines Zweipols verstanden werden und daher bezeichnet man einen PN-Übergang auch als Diode. Quantitativ kann man den Zusammenhang Spannung zwischen Strom inund Rückwärtsrichtung. Spannung nach der Shockleyschen Diodentheorie durch eine e-funktion beschreiben in der Art Da die Leitfähigkeit!! eu im$ Bereich $!! Uder $ $ Sperrschicht ( U ) = # exp# & ' & = # exp# & ' & S 1 S 1 " " mkt % % " " mut % % (5.8) weitaus niedriger ist, fällt hier der größte Teil der Spannung Dabei ist S der theoretische ab. Der Sperrstrom Unterschied und UT = kt/e die imtemperaturspannung. Ferminiveau Sie beträgt zwischen den beiden Bereichen entspricht praktisch der bei Zimmertemperatur kt U = T e = mv (5.9) angelegten Spannung. Der Korrekturfaktor m berücksichtigt die Abweichungen von der Theorie und liegt zwischen 1 und Wechselt 2. Die Formel (5.8) man ist nur das in Durchlaßrichtung Vorzeichen hinreichend der genau, Spannung, in Sperrichtung kann soes werden auf der p-dotierten Seite zusätzliche Löcher, auf größere Abweichungen geben. Da die wichtigsten Halbleitermaterialien Silizium (Si) und Germanium (Ge) sind, sollen dafür die Strom-Spannungskennlinien angegeben werden. n guter Näherung findet man folgende Werte: der n-dotierten Seite zusätzliche Elektronen eingebracht. Diese wandern in Richtung Sperrschicht, die- Silizium: s = A, m UT = 0.03V Germanium: s = 10-7 A, m UT = 0.03V se wird schmaler, die Raumladungszone wird reduziert und die Diffusionsspannung weitgehend kompensiert. Die Ladungsträger können die Sperrschicht Mit diesen Werten berechnet man nach (5.8) die Kennlinien, wie sie in Abb. 5.9 gezeigt sind. Bei Germaniumdioden beginnt erst ab einer Durchlaßspannung von UD > 0.3 V ein nennenswerter Strom zu fließen. Bei Siliziumdioden liegt der Wert etwa bei UD ( 0.6 V. Es ist wichtig, dabei zu beachten, daß die Sperrströme S von der Temperatur abhängen und somit natürlich auch die Diodenkennlinien. Die Beziehung zwischen Strom und Spannung einer Diode ist stark asymmetrisch. m Sperrbereich fließt nur ein geringer Strom, der Sperrstrom S, der von den Minoritätsladungsträgern gebildet wird, d.h. den Elektronen im p-bereich und den Löchern im p- dotierten Bereich. Für Ge-Dioden ist er in der Größenordnung von µa, für Si-Dioden in der Größenordnung von na. Da mit zunehmender Temperatur die Zahl der Minoritätsladungsträger zunimmt, steigt die Leitfähigkeit mit der Temperatur. Eine Temperaturerhöhung um 10 C verdoppelt etwa den Sperrstrom S. Wenn die Spannung (in Sperrichtung) die Durchbruchspannung U Br übersteigt, so steigt der Strom sehr schnell an. n diesem Bereich reicht die kinetische Energie der Ladungsträger, um über Stoßionisation weitere Ladungsträger zu erzeugen. Wird der

5 Strom in diesem Bereich nicht beschränkt, kann dies zur Zerstörung der Diode führen. U ein Durchlass- Sperr- Richtung m Durchlassbereich, d.h. in Vorwärtsrichtung, werden Ladungsträger in die Verarmungszone eingebracht, diese wird dünner. n diesem Bereich kann der Strom beschrieben werden durch die Funktion 50 Ω U ein 1N4148 U aus U aus t S = s (e U/U T 1), wobei U T wieder die Temperaturspannung kt/e 26 mv darstellt. Wegen der Temperaturabhängigkeit von S und U T ist auch der Strom temperaturabhängig; diese Eigenschaft von Dioden ist meist nicht erwünscht. Bei großen Spannungen, U U T weicht die Kennlinie von der Exponentialfunktion ab und nähert sich einer Geraden, da hier der endliche Bahnwiderstand der Diode wichtig wird. Eine wichtige charakteristische Größe von Dioden ist die Flussspannung: so bezeichnet man die Spannung, bei der der Strom 1/10 des zulässigen Maximalstromes erreicht. Sie beträgt bei Si-Dioden ca. 0,7 V, bei Ge-Dioden ca. 0,3 V. Da die Anzahl der Ladungsträger in einem Halbleiter mit zunehmender Temperatur steigt, steigt auch die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur, und die Kennlinie verschiebt sich insgesamt nach links, d.h. zu tieferen Spannungen. Abbildung 5.14: Schaltverhalten einer Diode Schaltverhalten Bei der Umpolung von der Durchlass- zur Sperrrichtung müssen langsame Minoritätsladungsträger aus der Verarmungszone entfernt werden und die Sperrschichtkapazität umgeladen werden. Während dieser Zeit fließt deshalb ein Strom in Sperrichtung. Die Größe des Stroms und die Dauer wird neben der Grenzschichtkapazität durch den Serienwiderstand bestimmt. Die Diode sperrt erst nach Ablauf der Speicherzeit t S. Normale Dioden sind deshalb für schnelle Anwendungen nicht geeignet. Das Problem wird bei Schottky-Dioden vermieden. Beim Umschalten von Sperr- auf Vorwärtsrichtung bewirkt die Grenzschichtkapazität ebenfalls eine kurze Spannungsspitze; diese ist jedoch deutlich kürzer als beim Prof. Dr. Klaus Wille Umschalten auf Sperrichtung. Vorlesung "ELEKTRONK" hier sind es etwa 4 bis 5 ns - erinnert sich die Diode an das Sperrverhalten und die Span springt sehr plötzlich auf den Wert 0V. Abbildung 5.13: Ersatzschaltbild für eine Diode. Abb zeigt ein Ersatzschaltbild für eine reale Diode, welches den Diffusionsstrom, den Durchbruchstrom, die Sperrschichtkapazität und den Bahnwiderstand berücksichtigt. Abb Eingangs- und Ausgangsspannung für die Gleichrichterschaltung Abb a, aber be Wechselspannung mit einer Frequenz von f = 50 MHz. Abbildung 5.15: Wechselspannung über einer Diode. Diese Verzögerung im Sperrverhalten, die bei sehr hohen Frequenzen oder kurzen Pulszeiten a wird durch die Speicherzeit der Ladungen in der Sperrschicht hervorgerufen. n Durchlaßric werden durch die äußere Spannung viele Ladungsträger in die Sperschicht gebracht, die Umpolen Legt der Spannung manin eine Sperrichtung Wechselspannung noch eine gewisse Zeit über brauchen, einer um aus Diode diesem B wieder abzufließen. Das kann man auch noch durch das Pulsverhalten demonstrieren, wie es in an, so wird die negative Halbwelle unterdrückt. st 5.13 dargestellt ist. die Frequenz hoch genug, so führt die Verzögerung 49

6 beim Umschalten dazu, dass ein Teil der negativen Halbwelle durchkommt. Je nach Aufbau der Diode kann das Ende des Stromflusses in der negativen Halbwelle sehr plötzlich sein. Der Strom enthält dann hohe Vielfache der Grundfrequenz. Dioden, welche diesen Effekt optimieren, werden als step-recovery Dioden bezeichnet. Sie werden für die Erzeugung steiler mpulse und zur Frequenzvervielfachung verwendet. 5.2 Dioden-Schaltungen Einfacher Gleichrichter Abbildung 5.17: Vierwege-Gleichrichter: es werden beide Halbwellen in positive Spannungen umgewandelt Spannungsbegrenzung U ein Abbildung 5.16: Einfache Gleichrichterschaltung und resultierende Spannung. U aus Eine Diode kann verwendet werden, um nur Strom in eine Richtung durchzulassen. Typische Anwendungen sind die Erzeugung einer Gleichspannung nach einem Transformator. Die Diode allein erzeugt dabei eine Folge von positiven Halbwellen. Diese kann man mit Hilfe eines Kondensators glätten. Es bleibt ein Wechselspannungsanteil (Brummspannung) übrig, der umso kleiner ist, je größer der Kondensator Vier-Wege Gleichrichter Der einfache Gleichrichter unterdrückt die negative Halbwelle der Eingangsspannung, aber er nutzt sie nicht und erzeugt eine relativ hohe Brummspannung. Dies kann vermieden werden mit Hilfe des Vier-Weg Gleichrichters (auch Grätz-Schaltung genannt). Dabei verwendet man vier Dioden, um beide Hälften der Wechselspannung zu nutzen. Allerdings fließt dabei der Strom durch 2 Dioden, so dass zweimal die Diodenspannung verloren geht. U aus Abbildung 5.18: Links: Begrenzung von negativen Spannungen; rechts: Begrenzung von positiven und negativen Spannungen. Abb zeigt, wie man Dioden verwenden kann, um Spannungen zu begrenzen. n der linken Figur werden negative Spannungen auf -0.6 V (die Sperrspannung) begrenzt: bei stärker negativen Spannungen leitet die Diode und hält deshalb das Potenzial auf -0.6 V. Bei positiven Spannungen sperrt die Diode und das Signal wird nur wenig abgeschwächt. Auf der rechten Seite von Abb werden zwei Diode parallel, aber mit engegengesetzter Polung auf Masse geschaltet. Man spricht von gekreuzten Dioden. Bei Spannungen U > 0,6 V leitet die linke Diode, bei Spannungen U < 0,6 V die rechte Diode. Alle Spannungen U > 0,6 V werden deshalb geblockt. Solche Schaltungen verwendet man 50

7 z.b., um empfindliche Bauteile vor Spannungsspitzen zu schützen. Möchte man die Spannungsgrenze auf einen Wert > 0,6 V einstellen, so kann man mehrere Dioden in Reihe schalten. kv mv Diodenschalter Abbildung 5.20: Dieser Duplexer dient dazu, starke von schwachen Signalen zu trennen. Abbildung 5.19: Links: Schaltplan für einfachen Diodenschalter. Rechts: Schaltpuls und transmittiertes Signal. Wird an die Diode eine Gleichspannung in Vorwärtsrichtung angelegt, so wird sie leitend. Dies kann man verwenden, um einfache Schalter aufzubauen. n Abb ist links eine Schaltung gezeigt, welche einen Diodenschalter implementiert: Für negative oder kleine positive Spannungen sperrt die Diode. Steigt die Kontrollspannung U 2 jedoch über die Grenze von 0,6 V, so fließt ein Strom durch die beiden nduktivitäten L 1 und L 2 und die Diode V 1. Damit wird sie auch für das Signal U hf leitend und dieses erscheint am Ausgang U aus. Der Kondensator C 1 dient dazu, dass das Schaltsignal selber nicht am Ausgang erscheint Duplexer Ein Duplexer verwendet zwei Spannungsbegrenzer, um starke von schwachen Signalen zu trennen und um empfindliche Bauteile (Vorverstärker) vor den starken Signalen zu schützen. n der Figur ist links ein Leistungsverstärker gezeichnet, der Pulse mit Amplituden im kv Bereich erzeugt. Diese dürfen nicht zum Vorverstärker am rechten Rand gelangen, weil dieser sonst zerstört würde. Deshalb werden vor dem Eingang des Vorverstärkers gekreuzte Dioden angebracht, welche das Signal an dieser Stelle auf ±0,6 V begrenzen. m Vergleich zu den kv Signalen des Verstärkers wirken diese Dioden somit als Kurzschluss. Damit das starke Signal dadurch nicht einfach in den Verstärker reflektiert wird, wird dieser Kurzschluss durch eine λ/4 Leitung in ein offenes Ende transformiert. Der RF-Puls sieht somit die Abzweigung gar nicht und läuft zur Probe. Das Signal, welches von der Probe zurückkommt ist sehr viel schwächer, d.h. weit unterhalb der Schaltspannung der Dioden. Die gekreuzten Dioden auf dem Weg zum Leistungsverstärker lassen deshalb dieses Kleinsignal nicht durch, ebenso wenig die Dioden am Eingang zum Vorverstärker. Es gelangt deshalb vollständig in den Vorverstärker. Das Diodenpaar am Ausgang des Leistungsverstärker dient außerdem dazu, das Rauschen zu unterdrücken, welches dieser auch dann erzeugt, wenn kein Eingangssignal anliegt. Beträgt es weniger als ±0,6 V, so wird es von den Dioden geblockt Spannungsverdoppler Abbildung 5.21: Delon-Schaltung zur Verdopplung einer Wechselspannung. 51

8 Bei der Delon-Schaltung lädt die positive Halbwelle den oberen Kondensator auf, die negative den Unteren. Somit kann zwischen dem oberen und dem unteren Kontakt die Spannung 2U 0 abgegriffen werden. Abbildung 5.22: Villard- oder Greinacher Schaltung. Die nichtlineare Kennlinie kann auch verwendet werden, um Signale miteinander zu multiplizieren. Wendet man das auf harmonische Signale an, so erhält man im Ausgangssignal Summen und Differenzen der Eingangsfrequenzen. Einzelheiten dazu werden im Kapitel 9 (analoge Signalübertragung) diskutiert. 5.3 Dioden-Typen Symbole für Dioden Abb zeigt eine Alternative: n diesem Fall wird während der ersten Halbwelle der Kondensator C 1 aufgeladen. Während der zweiten Halbwelle wird die positive Platte mit dem oberen Ausgang verbunden, während von der negativen Platte nochmals U s subtrahiert wird und das Resultat auf den unteren Ausgang gegeben wird. Die Schaltung wird als Villard- oder Greinacher Schaltung, im angelsächsischen Raum oft als Cockcroft-Walton Generator bezeichnet und eignet sich zur Kaskadierung. Vervielfacher-Kaskade (Cockcroft-Walton-Schaltung) Kaskadengenerator für 20 kv Röhrengerät Optokoppler (Beispiel) Thyristor ist keine Diode. Abbildung 5.24: Symbole für unterschiedliche Diodentypen. Die Eigenschaften von Dioden können über die Dimensionen und Dotierung in einem relativ breiten Bereich gesteuert werden. Es werden deshalb relativ unterschiedliche Typen verwendet, und man hat entsprechend viele unterschiedliche Symbole eingeführt. Abb fasst die wichtigsten zusammen. Gemeinsam ist ihnen das Dreieck, welches die technische Stromrichtung angibt. Abbildung 5.23: Vervielfacherkaskade. Abb zeigt ein Beispiel, in dem Spannungen bis in den kv Bereich erzeugt werden Mischer Kapazitätsdiode Die Grenzflächenkapazität einer Diode hängt, wie bei einem Plattenkondensator, von der Dicke des Dielektrikums ab, in diesem Fall also von der Dicke der Verarmungszone. Dies kann man optimieren, um Dioden mit elektrisch steuerbarer Kapazität herzustellen. Solche Kapazitätsdioden haben eine variable Grenzschichtkapazität A C S (d)=ε 0 ε r d(u) U

9 SUieiumrze Ane kleine en. Bild ng und der den Weitere esentlich tt eines fallende itterzone ne Foto- Kollekren mit ch, aber Dunkelerringert ram, dahneller. Fliiche konstant bleibt und dessen Plattenabstand mit der Steuerspannung veriindert werden kann. Sie heiben auch Varactordioden (Bild 2-68). Us",,,, (klein) L vergleichbarer Plattenkondensotor Sperrschicht dunn Kapazitat grob BUd Us""" (grob) L Sperrschicht dick Kapazitat klein Funktionsweise der Kapazitiitsdiode. Abbildung 5.25: Änderung der Kapazität einer Diode durch die äußere Spannung. Bei jeder Diode iindert sich die Kapazitiit mit der Sperrspannung. Kapazitiitsdioden haben ein grabes Verhiiltnis zwischen der gr6bten und der kleinsten nutzbaren Kapazitiit, einen niedrigen nnenwiderstand und damit eine hohe Gute. Verschiedene Typen decken einen graben Kapazitiitsbereich abo Man verwendet sie als spannungsgesteuerte, veriinderbare Kondensatoren. Sie haben die mechanischen Drehkondensatoren weitgehend ersetzt. Als Grundmaterial dient meistens das preisgunstige Silicium, bei sehr hohen Frequenzen auch Galliumarsenid. Bei Galliumarsenid ist die Beweglichkeit der Ladungstriiger ungefiihr viermal gr6ber als in Silicium, entsprechend kleiner ist der Reihenwiderstand und entsprechend gr6ber die Gute. Kapazitiitsdioden stellt man nach lwei Verfahren her. Verbreitet ist der PlanarprozejJ, nach dem man auch integrierte Schaltungen und viele andere Halbleiterbauelemente preisgunstig herstellt (Bild 2-69 a). Der aufwendigere und deshalb teurere MesaprozejJ (Bild 2-69 b) fuhrt bei gleichem Kapazitiitsbereich und gleicher Durchbruchspannung zu einem kleineren Typische Werte liegen im Bereich von 500 pf und sind abhängig vom Dotierungsprofil am Übergang. Über die Steuerspannung kann die Kapazität um einen Faktor von 3-15 variiert werden. Abbildung 5.26: Elektroische Steuerung einer Kapazitätsdiode zur Abstimmung eines Schwingkreises. Abb zeigt eine Schaltung, welche diese Möglichkeit nutzt. Die Kapazität der Diode wird über die (langsame) Steuerspannung U Steuer eingestellt. Der Kondensator C e dient der Entkopplung der Steuerspannung, die Kapazitätsdiode ist in Sperrichtung geschaltet. Die Gesamtkapazität von C S und C e wird durch C s bestimmt, falls C e C S. Typische Anwendungen sind die Abstimmung von Schwingkreisen (AFC) oder spannungskontrollierte Oszillatoren (VCO). Reicht der abstimmbare Bereich einer Diode nicht aus, kann man mehrere in Reihe oder parallel kombinieren Z-Dioden Zener-Dioden dienen zur Spannungsstabilisierung und werden in der Nähe der Durchbruchspannung 5 Dioden Der platzliche Stromanstieg hat zwei Ursachen. Bei Dioden mit kleinen Arbeitsspannungen Uz gen Uz zwischen 6Vun zwischen 2,7 V und 5V lasen sich im Kristall steigt jedoch mit kleiner gebundene Elektronen durch die hohe Feldstarke (20 V/lm) und bewegen sich als freie dem Zenereffekt setzt Durchbruchspannung a Ladungstrager in der Sperrschicht. Dieser Vor- nendurchbruch dagegen werden. Sie verhalten sich im DurchlaBbereich und im Sperrbereich unterhalb der Zenerspannung wie normale Siliciumdioden. Beim Erreichen der Arbeitsspannung Uz steigt der Sperrstrom stark an und mub auberhalb der Z-Diode begrenzt werden (Bild 2-58). -8 BUd Kennlinie einer Z-Diode. 1 0 rna U o V Anstieg des Stroms be Einzelne, beispielsweis freigesetzte, Elektronen elektrischen Feld im schleunigt und schlage nen heraus. Dadurch fu mit Ladungstragern, so jetzt niederohmigen Sp ansteigt. Z-Dioden mit spannung arbeiten nac zwischen 4V und 15 V Bend. Der Zener-Effekt verur spannung mit einem neg fizienten (TK ungefahr der Lawineneffekt einen koeffizienten (ungefahr Durchbruchspannung s stark, der TK ist ungef Bild 2-59 zeigt die Kenn Dioden in einem Diagr Widerstand ist bei Diod Abbildung 5.27: Kennlinie einer Zenerdiode. betrieben. hre wichtigsten Eigenschaften sind: scharf abknickende Kennlinie bei U Br. sehr schmaler pn-übergang (d 10 nm) hoch dotiert: n cm 3. Die hohe Dichte bewirkt, dass die Sperrschicht relativ schmal und die Feldstärke hoch wird. Dadurch können Elektronen aus Valenzorbitalen herausgelöst werden. Dieser Vorgang ist analog zu einer inneren Feldemission. Abbildung 5.28: Bandverlauf bei einer Zenerdiode. Der Vorgang kann als Tunnelprozess verstanden werden: Wir an die Z-Diode eine Spannung in Sperrichtung angelegt, so werden die Bänder an der Sperrschicht so stark verbogen, dass sich die Zustände an der Valenzbandkante auf der einen Seite auf gleicher Höhe befinden wie die Zustände an der Leitungsbandkante auf der anderen Seite. Damit wird ein resonante Tunneln durch die dünne Grenzschicht möglich. Die Energie, die benötigt wird, um diese innere Feldemission zu bewirken, sinkt mit zunehmender Temperatur, so dass sich die Kennlinie zu niedrigeren Spannungen verschiebt. Bei Dioden mit einer Durchbruchspannung oberhalb von 6 V dominiert ein anderer Effekt: Hier werden die Ladungsträger so stark beschleunigt, dass sie bei

10 Stößen mit den Atomen genügend Energie besitzen, um weiter bewegliche Ladungsträger zu erzeugen. Diese werden ebenfalls beschleunigt und die Zahl der Ladungsträger nimmt lawinenartig zu. Bei diesem Prozess sinkt die Effizienz mit zunehmender Temperatur, d.h. die Kennlinie der Diode verschiebt sich nach links Spannungsstabilisierung mit Z-Diode Somit wird der Glättungsfaktor G = du e du a = 1 + R r Z + R R a R r Z, falls r Z R,R a. Damit wird dr Glättungsfaktor G unabhängig vom Lastwiderstand R a was eine wichtige Voraussetzung für ein gutes Netzteil ist. Allerdings ist er proportional zum Begrenzungswiderstand R und damit zur Verlustleistung P = R 2 a. Eine typische Anwendung der Zener-Dioden ist die Stabilisierung einer Spannung Temperaturabhängigkeit Abbildung 5.29: Spannungsregelung mit Hilfe einer Zenerdiode. Die Funktionsweise der Stabilisierung kann verstanden werden, indem man den Knoten betrachtet, der in Abb markiert ist: Der Strom durch den Begrenzungswiderstand R ist R = Z + a. (5.1) Als Ersatzschaltbild für die Diode am Arbeitspunkt betrachten wir sie als eine ideale Spannungsquelle mit Spannung U Z0 in Reihe mit einem nnenwiderstand r Z = U Z : Z U Z ist die Spannung über der realen Zenerdiode, U Z0 die Spannung über der idealen. Der Widerstand r Z liegt im Bereich von etwa 10 Ω und der Spannungsabfall über diesem Widerstand beträgt U a U Z0. Damit können wir die Strombilanz (5.1) schreiben als U e U a R = U a U Z0 r Z + U a R a. Wir bestimmen die Ableitung nach der Ausgangsspannung U a : 1 due 1 = R du a r Z R a Abbildung 5.30: Temperaturabhängigkeit der Kennlinien. Die Kennlinien und damit die Durchbruchspannung von Zenerdioden zeigen eine erhebliche Temperaturabhängigkeit, wie in Abb dargestellt. Die Abbildung zeigt auch, dass der Temperaturkoeffizient mit der Zenerspannung das Vorzeichen ändert, wie in Abb gezeigt. Der Grund für diesen Effekt ist die unterschiedliche Art des Durchbruchs: bei Spannungen unterhalb von 6 V findet ein Zener- Durchbruch statt, bei Spannungen oberhalb von 6 V ein Lawinen-Durchbruch. Dieser Vorzeichenwechsel kann genutzt werden, um die unerwünschte Temperaturabhängigkeit zu reduzieren. Dafür verwendet man nicht eine einzige Z- Diode, sondern kombiniert zwei mit entgegengesetztem, betragsmäßig möglichst identischen Temperaturkoeffizienten. Ein Beispiel ist in der rechten Hälfte von Abb gezeigt. 54

11 Abbildung 5.31: Temperaturabhängigkeit Kennlinien. der Passive Bauelemente Tunneldiode Abbildung 5.32: Kennlinie einer Tunneldiode. Die Tunneldiode hat über einen bestimmten Spannungsbereich einen negativen differenziellen Widerstand r D = U < 0. hre Kennlinie in diesem Bereich entspricht dem eines aktiven Zweipols. Während ein normaler Widerstand R > 0 in einem Schwingkreis zu einer Dämpfung führt ergibt ein negativer differenzieller Widerstand r < 0 eine Verstärkung und kann z.b. zur Entdämpfung schneller Schwingkreise verwendet werden. Die Tunneldiode hat für negative Spannungen keine Sperrwirkung. Das Tunneln der Ladungsträger wird hier erleichtert, indem das Material sehr hoch dotiert wird (n Dot cm 3 ) und gleichzeitig die Sperrschicht relativ dünn gehalten wird, <10 nm. Abb zeigt schematisch, wie diese Eigenschaften zustande kommen: n Sperrichtung und für gerin- Abschnitt Diodentyp Schaltdiode Schottky- Gleichrichter Schottky- Z-Diode Diac diode diode Leistungsdiode Abbildung 5.33: Bänder einer Tunneldiode für verschiedene Gleichstrom' kennlinie V Spannungen. Schaltzeichen 1>1 1>1 1>1 1> rlu =+ Tfu Pu.+ Nutzkennlinie, ge schematisch V positive Spannungen ist der verbotene R Bereich f f genutzter Venti!- Ventil- Ventil Ventil- Zener- oder kontrollierter soeffekt klein, wirkung dass wirkung die Ladungsträger wirkung wirkung durchtunneln Lawinen- Durchbruchkön- durchbruch nen. innerer Für pn höhere Melall-n Spannungen pn Metall-n (U 2 pn 250 mv) pnp stehen Aulbau Silicium Silicium Silicium Silicium Si!icium Silicium (Germanium) auf der anderen Seite des Kontaktes keine Zustände Frequenz- Gleichstrom Gleichstrom bis Gleichstrom Gleichstrom Gleichstrom Netzlrequenz zur Verfügung Hochlrequenz undniederfrequenz der Tunnelprozess Frequenzen frequenzen wird unter-, bereich Niederfrequenz Hochstlrequenz Netzfrequenz bis mittlere Niederbesondere schnell, klein, sehr schnell, hohe Sperr- sehr schnell, konlrollierter Kennlinie bunden. Erst bei höheren Spannungen tritt die normale kleiner Durch- lallspannung lallstrom, hoher Durch- Widerstandes Diodenwirkung preisgunstig preisgunstig ein. kleine Verluste schahen Sperrslrom, kleine Durch- hoher Durch- spannung, Sperrichlung negativen lallwiderstand, niederohmig, lallstrom, Anwendungs- Universaldiode Hochfrequenz- Gleichrichter bei Gleichrichler Spannungs- Triggerdiode bereich zum Schalten, gleichrichter, Netzfrequenz fur bei hohen slabilisierung, zur sicheren Backward-Dioden sind ähnlich aufgebaut wie Tunneldioden, TriacfUr aber kleinen begrenzung schaltungen zur aber schnelle schwächer Logik- hoheren dotiert, Freilauldiode so dass steuerung. nur ein Logikschal- Schleusen- Strome, auch liir lungen spannung, Schaltregler bei Spannungen, Phasenanschnitt- schaltungen Frequenzen geringer BUd Tunnelstrom auftritt und dadurch das Maximum Ubersicht uber Dioden und Gleichrichter_ sehr flach wird., a) Schaltdiode b) Gleichrichlerdiode mit c) Z-Diode dl Backwarddiode e) Tunneldiode kontrolliertem Durchbruch ') [ [ 'U [ ) U o : Uo Uo Uo Uo BUd2-50. Dotierung nimmt zu Abnahme der Sperrspannung mit zunehmender Dotierung. Abbildung 5.34: Abnahme der Sperrspannung mit zunehmender Dotierung. Ein Vergleich der unterschiedlichen Typen zeigt, dass die zunehmende Dotierung zu einer Abnahme der Sperrspannung und zu einer systematischen Änderung der Kennlinie führt Schottky-Diode Bei der Schottky-Diode wird der p-n Übergang durch einen Metall-Halbleiter Kontakt realisiert

12 kein Kontakt W M W H W M E L E F E V d 0 eu D = W M W H eu D E L E F E V + U Abbildung 5.35: Ladungstransfer und Bandverbiegung beim Kontakt zwischen Metall und Halbleiter. n einem Metall und einem Halbleiter haben die Elektronen unterschiedliche Austrittsarbeit. Kommt ein n-dotierter Halbleiter in Kontakt mit einem Metall, so können Elektronen aus dem Halbleiter in das Metall übertragen werden. Dadurch entsteht im Halbleiter eine positiv geladene Raumladungszone und im Metall eine negative geladene Raumladungszone, wie bei der Halbleiterdiode. Halbleiter tunneln, sie gewinnen dabei Energie. W m >W H Die Elektronen fließen vom HL in das Metall und erzeugen eine Verarmungszone am Metall-HL Übergang. Dies führt zu einer Bandverbiegung im HL. Die Diche der Verarmungszone und damit der Strom durch die Grenzfläche kann wie bei einer normalen Diode über die Spannung eingestellt werden. m Vergleich zu normalen Dioden ist jedoch die Schwellspannung geringer ( 0, 3 V) und es sind keine Minoritätsladungsträger am Transport beteiligt, so dass kürzere Schaltzeiten resultieren. Schottky-Dioden sind deshalb vor allem für schnelle Anwendungen interessant genden PN-Dioden eigenleitenden i-zwischenschicht trinsic layer) bestehen (Bild 2-72). + p. i n" - (intrinsic) f-- Abbildung 5.36: Kennlinie einer Schottky-Diode. Aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Mechanismen haben Schottky-Dioden eine etwas andere Kennlinie als Halbleiterdioden. Da bei dieser Diode keine Minoritätsladungsträger zur Leitung beitragen, ist die Schottky-Diode sehr schnell: sie kann bis zu Frequenzen im Bereich von 100 GHz verwendet werden. Es gilt, 2 Fälle zu unterscheiden auf Grund der relativen Größe der Austrittsarbeit W M im Metall relativ zur Austrittsarbeit im Halbleiter W H : W M < W H Das Fermi-Niveau im Metall liegt oberhalb des Ferminiveaus im HL; somit können Elektronen aus dem Metall leicht in den BUd Aujbau einer pin-diode. Abbildung 5.37: Aufbau einer pin-diode. 1st die Sperrschicht nicht oder in Sperrich n einer vorgespannt, pin-diode befindet d. h. mit sich einer zwischen Spannung der p- und in S der n-schicht richtungnoch betrieben, eine zusätzliche dann isoliert i- (intrinsische) die prak Schicht. ladungstragerfreie Die p- und n-schicht ntrinsic-schicht, sind hier sehr hoch und dotiert. Diode st die ist Sperrschicht sehr hochohmig. nicht oder Wird in Sperrichtungder vorgespannt, angelegten d. h. Spannung mit einer Spannung in Durchla3rich in Sperr- die Diode richtung betrieben, betrieben, flie3en dannladungstrager isoliert die praktisch aus den ladungsträgerfreie dotierten ntrinsic-schicht, Randschichtenundindiedie Diodentri ist sehrschicht hochohmig. undwird diese dieleitet. DiodeDer mit der differentielle angelegten Spannung wert der in Durchlaßrichtung Sperrschicht ist betrieben, zum Vor- fließen oder Ladungsträger Ste strom proportional, aus den hoch dotierten ihr differentieller Randschichten W in die stand ntrinsic-schicht entsprechend und diese umgekehrt leitet. Der proportio differentielle Leitwert der Sperrschicht ist zum Vor- oder Die Diode verhiilt sich wie eine ganz nor Steuerstrom proportional, ihr differentieller Widerstand entsprechend umgekehrt proportional. Die Di- Siliciumdiode. ode verhält Abweichend sich in diesem von anderen Bereich wie Dioden eine ganz haben normale die dungstrager Siliziumdiode. in PN pin-dioden Dioden finden eine vor lange allem in Leb dauer 't schnellen Hochfrequenzschaltern und die Sperrschicht Anwendung. eine lange raumzeit t rr. Wird dem Steuerstrom ein H frequenzstrom uberlagert, dessen Perio dauer kurz gegen die Ladungstragerleb 56 dauer 't und gegen die Ausraumzeit t rr ist,

13 5.3.9 Fotodioden 2 Passive Bauelemente 1000 Halbleiter können die Energie von optischen Photonen verwenden, um Elektronen Glaslinse 1/ <t: aus dem Valenz- ins,/ Meta gehause -:- 100 f--...0: Leitungsband anzuregen. Dabei wird ein " Elektron- f-- E Fotodiode,/ Loch Paar erzeugt, d.h. es g entstehen freie Ladungsträger. Voraussetzung ist, dassf-- die / Vl Energie ) Fotodiode im Metallgehiiuse ) Fotodiode im Kunststoffgehiiuse E ν = hν, transparentes Kunststoffgehause 1/ BUd Bestrahlungsstarke E e mw/cm 2 Sperrstrom als Funktion der Bestrahlungs- mit h als Planck sches Bonddraht Wirkunsquantum starke. und ν der optischen Frequenz mindestens gleich der Bandlücke des Halbleiters entspricht. Geschieht diese Ab- Fotodiode Gehause fur Fotodioden. Rauschen dabei nicht verstarkt. sorption im Bereich des pn-übergangs, so werden die Ladungsträger getrennt und es fließt ein Photostrom. n der Solarzelle wird dieser zur Umwandlung von Licht- in elektrische Energie verwendet, in Fotodioden für den Nachweis von Licht. man den lichtabhangigen Sperrstrom urn den Faktor 100 verstarken kann. 1m Gegensatz zu einer nachtriiglichen Verstiirkung wird das d Die spektrale Empfindlichkeit hangt yom Halbleiterwerkstoff abo Sie labt sich aber mit kon- n sind schwach dotiert, haufig ist zwischen p- und der n-schicht eine eigenleitende (insic) Schicht. Dadurch sinkt der Dunkelstruktiven MaBnahmen, beispie1sweise einem Antireflexbelag ftir die bevorzugte langere Wellenlange, innerhalb der physikalischen Grenzen m und die Ladungstrager werden schneller. se pin-fotodiode kann noch kleinere Lichtrken messen und Signale mit hoherer Fre- verbessern. Haufig wird eine Angleichung an die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen nz erfassen. Die aktive Flache kann bei Auges verlangt. Ein vorgeschaltetes Griinfilter pfindlichen Fotodioden mehrere Quadratlimeter betragen, urn bei kleinen Lichtstar- diimpft die Empfindlichkeitskurve so, dab diese Passive Bauelemente Kurve niiherungsweise erreicht wird (Bild 2-66). verwertbare Strome zu erhalten. odioden arbeiten in Sperrichtung. Der Sperrm Sperrspannung U V hangt in einem groben Bereich streng ar diode vonimder Metallgehiiuse Lichtstarke, aber nur wenig von angelegten Sperrspannung und der Sperrichttemperatur ab (Bild 2-64 und Bild 2-65). «E, = 1 mw/cm' Glaslinse "- 1/ r kleine, beleuchtungsabhangige Sperrstrom... <t: --- mt aus einer hochohmigen Quelle,/ Meta und gehause labt :2= :- 100 bei hohen Arbeitsfrequenzen nicht gut verrken. Bei der Datentibertragung tiber Glas- " f--...0: f-- g 3 " Vl E ern werden einerseits sehr hohe Arbeitsfrenzen (1 GHz bis 2 GHz) verlangt, anderer- Fotodiode g,/ 4 s ist das Signal durch die groben Verstarkertande in der Faser auch sehr schwach. Diese "4-200 / Vl hfrequenten schwachen Signale empfangt BUd Strom- f-- und Spannungskennlinien einer n mit Avalanche-Fotodioden und betreibt Fotodiode. mit diode einer imsperrspannungwenige Kunststoffgehiiuse zehntel Volt erhalb Abbildung der Durchbruchspannung 5.38: Fotodiode U D (10 V in Gehäuse (links) und Fotodioden finden zur Messung der Lichtstarke, zur Dateniibertragung, beispielsweise 1/ 180 V). Die yom Licht freigesetzten Lagstrager werden im elektrischen transparentes Feld im bei der nfrarot-fernbedienung oder als Emp- Kennlinie einer 1 10 Fotodiode für lbleiter beschleunigt und schlagen Kunststoffgehause weitere fanger am Ende einer Glasfaserstrecke Bestrahlungsstarke und E fur e mw/cm verschiedene Beleuchtungsstärken 2 ungstrager aus dem Kristall heraus, so dab viele andere BUd Zwecke Verwendung. SperrstromHierbei als Funktion ist der Bestrahlungsstarke. (rechts). Bonddraht man den lichtabhangigen Sperrstrom urn den Fotodiode Fotodioden werden im Sperrbereich Faktorbetrieben, 100 verstarken undkann. 1m Gegensatz zu einer nachtriiglichen Verstiirkung wird das ihre Kennlinie zeigt einen Sperrstrom, Rauschen dabei der nicht über 3. Gehause fur Fotodioden. verstarkt. Die spektrale Empfindlichkeit hangt yom Halbleiterwerkstoff abo Sie labt sich aber mit kon- ndeinen schwach relativ dotiert, weiten haufig istbereich zwischen proportional zur Beleuchtungsstärke der n-schicht eine eigenleitende ist. Sie sind (in-relativ struktiven und hochohmig; MaBnahmen, fürbeispie1sweise einem Schicht. Dadurch sinkt der Dunkelnd die Ladungstrager werden schneller. schnelle Detektoren muss deshalb Antireflexbelag der Fotostrom ftir die bevorzugte langere Wellenlange, innerhalb der physikalischen Grenzen in-fotodiode über einenkann Transimpedanzverstärker noch kleinere Lichtmessen und Signale mit hoherer Fre- in eine Spannung umgewandelt werden. die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen verbessern. Haufig wird eine Angleichung an erfassen. Die aktive Flache kann bei Auges verlangt. Ein vorgeschaltetes Griinfilter dlichen Fotodioden mehrere Quadratter betragen, urn bei kleinen Lichtstar- diimpft die Empfindlichkeitskurve so, dab diese Kurve niiherungsweise erreicht wird (Bild 2-66). rwertbare Strome Historisches zu erhalten. den arbeiten in Sperrichtung. Der Sperrhangt in einem groben Bereich streng Sperrspannung U V on Gleichrichtung der Lichtstarke, aber in einem nur wenigfestkörper von wurde erstmals elegten Sperrspannung und der Sperrtemperatur 1874 von ab (Bild Karl 2-64 Ferdinand und Bild 2-65). Braun ( ) ge- E, = 1 mw/cm' «"- ine, zeigt, beleuchtungsabhangige u.a. mit einem Sperrstrom Blei/Sulfid Kontakt. Ein Bipolartransistor aus einer hochohmigen wurdequelle 1947und anlabt den Bell :2= Labs entwickelt hohen Arbeitsfrequenzen nicht gut ver- g. (Bardeen, Bei der Datentibertragung Brattain, Shockley) tiber Glaswerden und 1956 mit dem Nobelpreis 3 " Vl Co einerseits für Physik sehr hohe ausgezeichnet. Arbeitsfren (1 GHz bis 2 GHz) verlangt, anderer- Erst 1962 wurden 4 das Signal durch die groben Verstarkere in der Faser auch sehr schwach. Diese "4-200 quenten schwachen Signale empfangt BUd Strom- und Spannungskennlinien einer it Avalanche-Fotodioden und betreibt Fotodiode. einer Sperrspannungwenige zehntel Volt 57 jedoch mehr Halbleiter-Bauelemente als Röhren hergestellt.