2.2. AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINER HALBLEITERDIODE

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1 2. HALBLEITERDIODEN 2.1. EINLEITUNG Um zu verstehen, wie Halbleiterdioden, oder einfach Dioden funktionieren, ist es wichtig, sich mit den Eigenschaften von dotierten Materialien zu befassen. Später wird dieses Wissen auch zum Verständnis der Transistoren benötigt AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINER HALBLEITERDIODE Ziel dieses Kapitels: Den Aufbau einer Halbleiterdiode verstehen. Die Funktionsweise einer Halbleiterdiode verstehen. Die Kennlinien von Halbleiterdioden interpretieren lernen. Die Eigenschaften von Halbleiterdioden kennen lernen. Einfache Anwendungen mit Dioden verstehen lernen. Schlüsselworte: P- bzw. N-Dotierung, PN-Übergang, Diode, Diodenkennlinie, Schwellspannung, Gleichrichter DER PN-ÜBERGANG Werden P und N dotierte Halbleitermaterialien zusammengefügt, entsteht ein sog. PN-Übergang. Da die Ladungsträgerkonzentrationen der Elektronen n und der Löcher p in den beiden Gebieten unterschiedlich sind, setzt Diffusion ein, und versucht, die Ladungsunterschiede auszugleichen. Es kommt zu Ladungsverschiebungen und somit zu einem Potentialunterschied zwischen den beiden Zonen N und P. P N P N Symbol A K elektrisch neutral elektrisch neutral negative Ladung überwiegt positive Ladung überwiegt P. Walther, T. Kluter,

2 Im P-Gebiet gilt: p p > n p wobei p = Löcherkonzentration n = Elektronenkonzentration bedeuten. der Index p bedeutet P-Gebiet. Im N-Gebiet gilt: n n > p n wobei n = Elektronenkonzentration p = Löcherkonzentration bedeuten, der Index n bedeutet n-gebiet. In beiden Gebieten ist das Produkt n p eine Funktion der Temperatur allein. n 2 i = n p = f(t) n i = Inversionsdichte, welche die Eigenleitung des Halbleiters bestimmt. Für Si gilt für n i = 1, K. Zahlenbeispiel: Reines Silizium besteht aus ca Atomen/cm 3 und besitzt 1, Ladungsträgerpaare/cm 3, d.h. n i =1, bei 300K. Durch dotieren mit 5-wertigem Material, mit z.b. 1, Atomen/cm 3, entsteht n- leitendes Silizium mit n n = 1, Elektronen/cm 3. n n =1, (reines Silizium) +1, (5-wertiges Material) ~ 1, Elektronen/ cm n 1,5 10 pn 1,5 10 Löcher /cm 3. n 14 1,5 10 i 6 damit n Die Ladungsträgerkonzentration nach dem Dotieren ist also: P. Walther, T. Kluter,

3 n n > n p und p p > p n. Die Elektronenkonzentration n im N-Gebiet ist grösser als im P-Gebiet, und die Löcherkonzentration p ist im P-Gebiet grösser als im N-Gebiet. Durch Diffusion der Ladungsträger gehen Elektronen aus dem N-Gebiet ins P-Gebiet, welches jetzt elektrisch nicht mehr neutral ist, sondern negativ geladen. Löcher wandern aus dem P-Gebiet ins N-Gebiet, welches jetzt nicht mehr elektrisch neutral ist, sondern positiv geladen DER STROMLOSE PN-ÜBERGANG Der oben beschriebene Vorgang führt zu einer Potentialdifferenz zwischen P und N Gebiet, der sog. Diffusionsspannung, die sich wie folgt beschreiben lässt: u diff U T n ln n n p U T p ln p p n mit kt U T, wobei k die Boltzmannkonstante (1, Ws/K) und e e die Elementarladung des Elektrons ( C) bedeuten. Beispiel für U diff n n = 1, /cm 3 n p = 1, /cm 3 U diff = 0,025 ln10 8 = 0.46V (T=300K). Bem: Diese Spannung U diff kann von aussen nicht mit einem Messinstrument gemessen werden. P. Walther, T. Kluter,

4 DER PN-ÜBERGANG MIT ANGELEGTER SPANNUNG IN SPERRRICHTUNG Bei Anlegen einer äusseren Spannung in Sperrrichtung werden die Majoritätsträger beider Gebiete des Grenzgebietes abgezogen. Es entsteht eine sehr dünne Schicht, in der keine Ladungsträger vorhanden sind, eine Isolierschicht sozusagen. Anode Kathode P N - + U AK <0V=U R (Spannung gemessen an der Anode bezüglich Kathode) Einige wenige Ladungsträger sind aber immer noch vorhanden und es fliesst deshalb ein sehr kleiner Reststrom I R. Messanordnung: Strom I R in Funktion von U R I U R I Rmax R U U B - + I R I R = f(u R ) Der Sperrstrom I R ist stark temperaturabhängig. P. Walther, T. Kluter,

5 Übersteigt die angelegte Spannung U R einen bestimmten Wert, so steigt der Strom I R lawinenartig an. Dieser Effekt wird Zenereffekt genannt (Zener 1934). Wird er nicht durch geeignete Massnahmen begrenzt, wird das Element zerstört DER PN-ÜBERGANG MIT ANGELEGTER SPANNUNG IN DURCHLASSRICHTUNG Bei Anlegen einer äusseren Spannung in Durchlassrichtung U AK > 0V = U F, werden die Majoritätsträger durch den PN-Übergang transportiert, und es fliesst ein Strom I D =I F. Messanordnung: I F = f(u F ) D Xa: 700.0m Xb: Yc: 42.00m Yd: a-b: 700.0m c-d: 42.00m I F A b 42m a c U 35m R I 28m 21m 14m U B + - 7m m 333m 500m 667m 833m 1 Ref=Ground X=167m/Div Y=current d Sim U S U F (U AK > 0) Der Strom I F (I F F = Forward) steigt exponentiell mit der Spannung U F, wie aus Bild zu ersehen ist (grüne Kurve). Legt man eine Linie an die Kurve und verlängert sie bis zur x-achse, erhält man den Schwellwert U S. Der Strom I F in Durchlassrichtung wird erst bei Spannungen U F > U S deutlich von Null verschieden. P. Walther, T. Kluter,

6 2.2.5 VOLLSTÄNDIGE KENNLINIE EINES PN-ÜBERGANGES Die vollständige Kennlinie ist nachstehend gezeigt: Zum Vergleich ist auch die Kennlinie einer Germaniumdiode dargestellt. In Durchlassrichtung lässt sich der Strom I F = f (U F ) folgendermassen beschreiben: I F I Rmax (e UF mut 1) mit: kt U T ; (U T = 25mV bei Raumtemp.) e k =1,38E-23 J/K und T= C+273; e=1,6e-19c: m ist ein empirischer Faktor 1<m<2. P. Walther, T. Kluter,

7 In Sperrrichtung fliesst ein kleiner Reststrom I Rmax. Diese sind typisch I Rmax ~10pA für Silizium I Rmax ~100nA für Germanium. Diese Werte sind stark temperaturabhängig und zwar gilt für Silizium ungefähr: U T F Ikonst. 2mV K DER GLEICHSTROMWIDERSTAND R EINER DIODE Der Gleichstromwiderstand R einer Diode ist wie folgt definiert: R=U/I Da die Diode keine lineare Kennlinie hat unterscheidet man zwischen Durchlassrichtung und Sperrrichtung. a) Durchlassrichtung Bezeichnung R F ; (F = Forward, = Durchlassrichtung) Beispiel: U F =0.9V; I F = 15mA; => R F =U F /I F =0,9V/15mA=60. I F R F variiert stark und ist als Parameter zur Beschreibung der Diodeneigenschaften ungeeignet. R F U F P. Walther, T. Kluter,

8 b) Sperrrichtung Bezeichnung R R ; (R = Reverse, = Sperrrichtung) Beispiel: U R = 20V; I R = 0.1 A =>R R = U R /I R = 200M U R Dieser Wert R R ist stark temperaturabhängig. I R DER DYNAMISCHE WIDERSTAND r EINES PN-ÜBERGANGES. Der dynamische (auch differentieller) Widerstand r eines PN-Übergangs ist wie folgt definiert: Bezeichnung r F ; (F = Forward, = Durchlassrichtung) r F du U ; er entspricht der Tangente im betrachteten Punkt der Kennlinie di I I F P I F Im Durchlassbereich ist der differentielle Widerstand r F klein. Verglichen mit R F gilt: U F r F < R F U F P. Walther, T. Kluter,

9 VEREINFACHTE DIODENKENNLINIE. Für die meisten Anwendungen in der Praxis genügt folgende vereinfachte Diodenkennlinie: I D r F U S U D Wobei die Grössen U D und I D folgende Bedeutung haben: U D = U AK I D = I AK => U D = U F und I D = I F für U D > 0V und U D = U R und I D = I R für U D < 0V. In Sperrrichtung ist der differentielle Widerstand r R sehr hoch und es gilt: r R >> r F ERSATZSCHALTBILD EINER DIODE. In der Praxis genügt oft ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Diode, das obige Kennlinie erzeugt: A U S r F D K + - P. Walther, T. Kluter,

10 Dies kann mit den Elementen ideale Diode D, Widerstand r F und Spannungsquelle U S realisiert werden. I D Ge Si r F 0,3V 0,7V U D Der exponentielle Anstieg wird durch eine Gerade mit der Steigung r F ersetzt. Gezeigt sind im Bild Modelle für eine Silizium- und eine Germaniumdiode WEITERE VEREINFACHUNGEN. Falls der Widerstand r F vernachlässigt werden kann, ergibt sich ein noch einfacheres Modell. Hier wird nur die Schwellspannung U S berücksichtigt. I D U S U D Das entsprechende Modell ist im nachstehenden Bild gezeigt. A U S D K + - P. Walther, T. Kluter,

11 Bei grossen Spannungen kann sogar die Schwellspannung U S vernachlässigt werden, so dass das Modell noch einfacher wird. I D U D Die Diode wird als ideale Diode betrachtet und hat diese Eigenschaft. A D K Dieses Modell kommt z.b. bei Netzgleichrichtern zum Einsatz. Verständnisfragen: 1. Was ist die Ursache für die Diffusionsspannung? 2. Welcher Zone entspricht die Anode? 3. In welcher Grössenordnung liegt die Breite der Diffusionsschicht in Sperrrichtung? 4. Was ist der Unterschied zwischen den Widerständen R F und r F? P. Walther, T. Kluter,

12 2.3. ANWENDUNGEN VON HALBLEITERDIODEN Ziel dieses Kapitels: Die Funktionsweise von Schaltungen mit einzelnen Dioden, und Schaltungen mit mehreren Dioden verstehen lernen. Schlüsselworte: Gleichrichter, Zweiweggleichrichter, Brückengleichrichter, Graetzgleichrichter, Spitzengleichrichter EINFACHSTE GLEICHRICHTERSCHALTUNG Folgende Schaltung soll analysiert werden: A K U D U 0 sint R L U L Gemäss Maschenregel (2. Kirchhoffscher Satz) gilt: U 0 sint + U D + U L = 0V Die Diode sei ideal, dann gilt: a) in Durchlassrichtung (U 0 sint > 0V) A K U D U 0 sint R L U L U L = U 0 sint; U D = 0V P. Walther, T. Kluter,

13 b) in Sperrrichtung (U 0 sint < 0V) A K U D U 0 sint R L U L U L = 0V; U D = -U 0 sint Es ergeben sich folgende Spannungen: a) Generatorspannung U 0 /2 3/2 t -U 0 b) Spannung u L Strom i L U 0 I 0 /2 3/2 2 t /2 3/2 2 t -U 0 -I 0 U L = U 0 sint für U 0 sint > 0V i L = I 0 sint für U 0 sint > 0V und U L = 0V für U 0 sint < 0V i L = 0A für U 0 sint < 0V. c) Spannung über der Diode U 0 /2 3/2 t -U 0 P. Walther, T. Kluter,

14 SPITZENWERTGLEICHRICHTERSCHALTUNG MIT RC LAST Die folgende Schaltung zeigt einen sog. Spitzengleichrichter mit RC-Last R A K U q =U 0 sint U D C R L U L Der Kondensator C dient als Energiespeicher und liefert Energie während der Phase, wo die Diode sperrt. Während dieser Zeit wird der Kondensator über R L entladen. R L entspricht dem angeschlossenen Verbraucher. Soll die Entladung klein sein, muss ein grosser Wert für C gewählt werden. Der Kondensator C wird immer dann aufgeladen, wenn die Spannung der Quelle U q > U L ist. Für die Phase, wo die Diode leitet gilt: R q U D U q =U 0 sint R L U L C Für die Phase, wo die Diode sperrt, gilt: R q U D U q =U 0 sint R L U L C P. Walther, T. Kluter,

15 Die entsprechenden Spannungen und Ströme sind nachstehend gezeigt. U 0 Sim Bem. Während der Phase I leitet die Diode U AK >0, während der Phase II sperrt sie U AK >0 Die maximale Spitzenspannung U DSP über der Diode beträgt: UDSP max 2U 0 Der maximale Einschaltstrom beträgt ca. IDStoss U0 Rq Diese beiden Grössen sind zu berücksichtigen bei der Wahl der Diode. P. Walther, T. Kluter,

16 ZWEIWEGGLEICHRICHTER MIT RC LAST Die folgende Schaltung zeigt einen sog. Zweiweggleichrichter mit RC-Last V1-325/325V T1 230/2x10V D1 Rq1 1N C1 RL u q1 = Û q1 sint u q2 = Û q2 sint Û q2 = Û q1 50 Hz Rq2 D2 1N5406 Sim Die entsprechenden Ströme und Spannungen sind nachstehend abgebildet. Sim Jede Diode leitet während einer Halbperiode. Die Zeit des Wiederaufladens des Kondensators beträgt 10ms, was einer Frequenz von 100Hz entspricht. Die maximale Spitzenspannung U DSPmax der Dioden beträgt: UDSPmax 2 Û q P. Walther, T. Kluter,

17 Andere Variante mit nur einer Transformatorwicklung: V1-325/325V 50 Hz u q T1 1TO10 u q' D 1 D 4 D 2 D 3 + C1 RL u RL Sim u q' = Û q' sint Die maximale Spitzenspannung U DSPmax einer Diode beträgt: U Û 0' DSPmax NETZTEIL MIT POS. UND NEG. SPANNUNG MIT DIODENBRÜCKE D1 V1-325/325V 50 Hz T1 230/2x10V u q u q1 D2 D3 + + C1 C2 RL1 RL2 U 1 U 2 u q2 D4 Sim P. Walther, T. Kluter,

18 SPANNUNGSVERDOPPLERSCHALTUNG Es ist mit untenstehender Schaltung möglich, eine Spannungsverdoppelung zu erzielen, ohne entsprechend hohe Spannungen der Quelle. V1-10/10V Ck u C D2 Rq2 10kHz U q Rq1 u 1 CL RL u L D1 u q =Û 0 sint Sim C K Koppelkondensator, C L Speicherkondensator Ohne Belastung (R L = ) beträgt die Spannung am Ausgang U L =2Û ELEKTRISCHE GRENZWERTE VON GLEICHRICHTERDIODEN Im folgenden werden die wichtigsten Grenzwerte einer Diode behandelt. Dies sind Grenzwerte, die nicht überschritten werden dürfen, ansonsten wird die Diode zerstört V RM (rep) auch V RRM (Maximum repetitive peak reverse voltage). Die maximale Spitzensperrspannung ist definiert als kurzzeitig zugelassener Wert der Sperrspannung, wobei wiederholende Spitzen zugelassen sind. Wird dieser Wert überschritten, so sind thermische Überlastung des Kristalls die Folge, die zur Zerstörung der Diode führen. Die Verlustleistung in Sperrrichtung für Gleichstrom berechnet sich wie folgt: P REV = V RM (rep) I RM. P. Walther, T. Kluter,

19 V R Reverse Voltage Dies ist die zulässige maximale Gleichspannung ohne überlagerte Spitzen, weder wiederholend noch einmalig V RM (nonrep) (V RSM ), Maximum Reverse nonrepetitiv peak Voltage Dies ist die zulässige maximale einmalige Spitzenspannung in Sperrrichtung I 0, maximaler mittlerer Durchlassstrom Dies ist der zulässige maximale Mittelwert des Stromes durch die Diode. Dies ist der Wert, der mit einem DC Meter gemessen wird I FM (rep) auch (I FRM ) Maximum Repetitiv Forward current Dies ist der maximal zugelassene wiederholende Strom in Durchlassrichtung. Dieser Strom ist im Zusammenhang mit Ladekondensatoren besonders zu beachten I FM (surge) auch (I FSM ) Maximum Surge Forward current Einmaliger Stossstrom unter bestimmten Bedingungen die dem Datenblatt zu entnehmen sind. Speziell bei Ladekondensatoren wichtig Verlustleistung in Durchlassrichtung Die Verlustleistung für Gleichstrom lässt sich wie folgt berechnen. P V = I F U F (Durchlassrichtung) Wird vereinfachtes Diodenmodell verwendet, so errechnet sie sich wie folgt: A U S r F D K + - U F = U S + (r F I) und damit P V = (U S + (r F I)) I P. Walther, T. Kluter,

20 Für nicht gleichstromartige Spannungen und Ströme müssen die Funktionen der Zeit zur Berechnung verwendet werden. uf ( t) US rf if ( t) und für die Verlustleistung p V (t) gilt: p V ( t) US if ( t) rf i 2 F ( t) Für den Mittelwert der Verlustleistung P V gilt: P V 1 T T 0 p V U (t)dt T T S if 0 rf (t)dt T T 2 if 0 (t) dt Beispiel: Gesucht ist die Verlustleistung P V für folgende Stromform I D I 0 T 1 t T T = Periodendauer P V U T t1 S I0 0 rf (t)dt T t1 2 I0 0 (t) dt U T S I 0 t 1 rf T 2 0 I t 1 t 1 2 (US I0 rf I0 ). T P. Walther, T. Kluter,

21 Verständnisfragen: 1. Wie verläuft der Strom in Funktion der Zeit bei Schaltung Seite 37? 2. Wie berechnet sich sein Spitzenwert? 3. Was ist der Unterschied der Stromform von Schaltung Seite 39 gegenüber jener von Seite 37? 4. Warum ist die Spannung U DSPmax ~2U q? 5. Wie ist die Polarität des Kondensators C K der Spannungsverdopplerschaltung Seite 43? 6. Was passiert, wenn die Spannung V R überschritten wird? 7. Was passiert, wenn der Strom I FM (rep) überschritten wird? P. Walther, T. Kluter,

22 2.4. WÄRMELEITUNGSMODELL Ziel dieses Kapitels: Analogie zwischen einem Wärmekreis und einem elektrischen Kreis kennen lernen. Dimensionieren eines Kühlkörpers beherrschen lernen. Schlüsselworte: Wärmewiderstand, Konstantstromquelle, Kühlkörper EINLEITUNG Bei Dioden, die bei grossen Strömen betrieben werden, können grosse Leistungen umgesetzt werden. Dies führt zu entsprechend grosser Wärmeentwicklung im Halbleiterkristall. Man steht also vor dem Problem, die im Halbleiter entwickelte Wärme abzuführen. Dies geschieht meistens mit Hilfe eines Kühlkörpers. Der Kühlkörper ist so zu dimensionieren, dass der Halbleiterkristall des Halbleiterelementes die Grenztemperatur von ca. 175 C bei Silizium nicht übersteigt. Das untenstehende Modell zeigt eine Analogie zwischen dem thermischen Kreis und einem entsprechenden elektrischen Kreis. Mit diesem Modell kann auf einfache Weise die Wärmeproblematik beherrscht werden DAS WÄRMELEITUNGSMODELL TABELLE ZUM WÄRMELEITUNGSMODELL ANALOGIE WÄRME SYMBOL EINHEITEN ELEKTRISCHE GRÖSSEN Verlustleistung P Watt Konstantstromquelle Temperaturzunahme T C Spannungsanstieg Wärmewiderstand C/W Widerstand Wärmekapazität c Ws/ C Kapazität (Kondensator) P. Walther, T. Kluter,

23 WÄRMELEITUNGSMODELL Gehäuse Kristall Verlustleistung Kristalltemperatur T J Isolator JG Gehäusetemperatur T G Kühlkörpertemperatur T K GK T J Kühlkörper UmgebungstemperaturT U KU T G T K T U JU = JG + GK + KU Absoluter Nullpunkt; 0 K T J Kristalltemperatur T G Gehäusetemperatur T K T U Kühlkörpertemperatur Umgebungstemperatur Hier gilt Leistung x Wärmewiderstand = Temperaturänderung, oder, wenn man die Kristalltemperatur berechnen will: T J = P JG + P GK + P KU + T U T J = P( JG + GK + KU ) + T U wobei auch für den Gesamtwärmewiderstand JU geschrieben werden kann: JU = JG + GK + KU P. Walther, T. Kluter,

24 Hierbei gilt: JU = Totaler Wärmewiderstand (Junction-Umgebung) JG = Kristall-Gehäuse Wärmewiderstand GK = Gehäuse-Kühlkörper Wärmewiderstand KU = Kühlkörper-Umgebung Wärmewiderstand Für die Kristalltemperatur gilt also: T J = P JU + T U Beispiel: P = 10 Watt (maximale Verlustleistung) GK = 0.4 C/W (Glimmerplättchen)Totaler JG = 2.4 C/W (50W Gehäuse) T Jmax = 175 C T U = 50 C KU = (175 50) C / W 10 Das heisst für obige Anforderungen muss ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 9.7 C/W gewählt werden. Verständnisfragen: 1. Was bedeutet der thermische Widerstand? 2. Nach welchen Kriterien wird ein Kühlkörper ausgewählt? 3. Welche Eigenschaften hat eine Stromquelle? P. Walther, T. Kluter,

25 2.5. SPEZIELLE DIODEN Ziel dieses Kapitels: Kennen lernen von Spezialdioden für verschiedenste Anwendungen. Verstehen lernen, wie Spezialdioden einzusetzen sind. Schlüsselworte: Zenerdiode, Kapazitätsdiode, Schottkydiode, Photodiode, LED DIE ZENERDIODE Diese Diode wird in Sperrrichtung im Durchbruchgebiet betrieben. Sie werden hauptsächlich zur Spannungsstabilisierung eingesetzt. Die Spannungen reichen von einigen Volt bis ca. 200 Volt. Weiter gibt es Zenerdioden für verschiedenste Leistungen von 500mW bis einige Watt. Die in der Diode umgesetzte Leistung beträgt: P V = I Z U Z Symbol: A K Leistungshyperbel Die maximale Verlustleistung wird durch die Leistungshyperbel, wie in Bild oben begrenzt. P. Walther, T. Kluter,

26 Zwischen Null und ca. 5Volt ist der Temperaturkoeffizient negativ. Über 6 Volt ist er positiv. Bei 6V ist er praktisch 0V/K. Zenerdioden werden in der Regel zur Spannungsstabilisierung eingesetzt. Anwendungsbeispiel: U i +/-U i RV + UE 18V - D1 I K I Z I L RL U D =U Z R V Vorwiderstand R L Lastwiderstand (I Z fliesst in Sperrrichtung!) Am oberen Knoten gilt: Sim I = I Z + I L Über R V liegt die Spannung U RV = U i - U Z Bem: Es ist besonders darauf zu achten, dass, falls I L = 0, I Z = I ist, die Zenerdiode maximal belastet wird. Der differentielle Widerstand r diff od. r Z berechnet sich wie folgt: U Z I Zmin r Z = r diff U I Z Z I Zmax I Z P. Walther, T. Kluter,

27 Verständnisfragen: 1. Was ist die typische Anwendung einer Zenerdiode? 2. Was bedeutet die Leistungshyperbel? 3. Warum muss der Minimalstrom durch eine Zenerdiode beachtet werden? DIE KAPAZITÄTSDIODE Der PN-Übergang besitzt eine kleine Kapazität, wenn die Diode in Sperrrichtung gepolt ist. Je nach angelegter Spannung ist die Diffusionsschicht schmaler oder breiter und damit auch diese kleine Kapazität. Diesen Effekt nützt man bei der sog. Kapazitätsdiode aus, die so einen spannungsabhängigen Kondensator darstellt. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Kapazität berechnet sich wie folgt: C0 C U 1 U R diff wobei C 0 = Kapazität für Si bei U R = 0V U diff = Diffusionsspannung für Si bei Zimmertemperatur ~ 0.6 V = Zahl, vom Halbleitermaterial abhängiger Exponent 1/6 ½ Symbol: Anwendungsbeispiel: C1 4.7pF V1-100m/100mV 1MHz L1 100uH C2 100pF C3 10nF 100k R2 D1 BBY UR 1V U R (Steuerspannung) Bem: Die Kapazitätsdiode wird in Sperrrichtung betrieben. Sim P. Walther, T. Kluter,

28 Solche Kapazitätsdioden, auch als Varactor bezeichnet, finden Anwendung in Oszillatorschaltungen aller Art. So werden sie z.b. eingesetzt zum Abstimmen einer Resonanzfrequenz wie bei Radio und Fernsehtunern, oder zur automatischen Frequenzabstimmung (AFC), oder zur Frequenzmodulation. Die Kapazität einer solchen Diode in Funktion der Spannung sieht etwa folgendermassen aus: Falls für eine Anwendung mehrere Kreise abgestimmt werden müssen, so sind gepaarte Kapazitätsdioden zu verwenden. Verständnisfragen: 1. Auf welchem Effekt beruht die Kapazitätsdiode? 2. Wie wird die Kapazitätsdiode auch noch genannt? 3. Wie gross ist etwa der Kapazitätsbereich einer Kapazitätsdiode? P. Walther, T. Kluter,

29 DIE SCHOTTKY-DIODE Um einen PN-Übergang zu verwirklichen, kann auch ein Halbleitermaterial mit einem Metall kombiniert werden. Der Aufbau sieht etwa folgendermassen aus: Anode Symbol: Kathode Eine Diode mit einem solchen Aufbau hat folgende Eigenschaften: - sie reagiert äusserst rasch beim Umpolen, dh. kurze Schaltzeiten - niedrige Schwellspannung ~0.4V - relativ kleine Sperrspannung (<60V). Anwendung: Schottky-Dioden werden wie gewöhnliche Siliziumdioden eingesetzt. Speziell dort, wo hohe Frequenzen (bis 500MHZ) vorkommen, oder wenn niedrige Schwellspannungen vorteilhaft sind (Verluste in Gleichrichterschaltungen bei niedrigen Spannungen und grossen Strömen). In Low Power Schottky TTL-Schaltungen (LSTTL) zur Erhöhung der Schaltfrequenz. Verständnisfragen: 1. Was sind die Vorteile einer Schottky-Diode? 2. Welchen Nachteil hat sie? 3. Wo wird sie vorteilhafterweise eingesetzt? P. Walther, T. Kluter,

30 DIE FOTO-DIODE Wird ein PN-Übergang von Licht bestrahlt, so lösen die Photonen des Lichtes, wenn sie energiereich genug sind, Elektronen aus dem Atomverband des Kristallgitters heraus. Es werden Elektronen-Lochpaare gebildet. Diesen Vorgang nennt man innerer Fotoeffekt. Wird ein PN-Übergang, also eine Diode für diesen Zweck eingesetzt, so nennt man sie Fotodiode. Sie wird in Sperrrichtung betrieben. Ohne Licht fliesst nur ein äusserst kleiner Sperrstrom. Erfolgt Bestrahlung im oben genannten Sinn, so erhöht sich der Strom markant. Die Abhängigkeit dieses Sperrstromes von der Lichtintensität ist sehr linear über mehrere Dekaden. Die Energie eines Photons beträgt: E = h, der Impuls p = h/c = mc und die Energie E = pc = mc 2. wobei: bedeuten. h, die Planksche Konstante, die Frequenz des Lichtes p, der Impuls des Photons m, die Masse des Photons und c, die Lichtgeschwindigkeit Der Aufbau einer Fotodiode sieht folgendermassen aus: Aufbau einer Silizium-Planar-Fotodiode Symbol Schema für den Betrieb einer Fotodiode: U R - + R L U L P. Walther, T. Kluter,

31 Die zugehörige Kennlinie zeigt folgende Grafik: I(A) E V E V = Beleuchtungsstärke, [E V ] = lm/m 2 = lx Beispiele: Arbeitsplatzbeleuchtung ca lx Tageslicht ca lx. Verständnisfragen: 1. Wie beeinflusst das Licht ein PN-Übergang? 2. Wie wird eine Fotodiode betrieben? 3. Wie ist der Zusammenhang zwischen Licht und Strom durch die Diode? DIE LUMINESZENZDIODE LED Ein PN-Übergang kann auch Licht emittieren, wenn das geeignete Material und die entsprechenden Dimensionen gewählt werden. Als Material werden Galliumarsenid (Ga AS), oder Galliumarsenidphosphid (Ga As P) und andere verwendet. Liegt Spannung in Durchlassrichtung an, so emittiert sie Licht. Die Wellenlänge reicht inzwischen von blau bis infrarot. Mit blau lässt sich auch die Farbe weiss realisieren. P. Walther, T. Kluter,

32 Der Aufbau einer LED sieht folgendermassen aus: Das Licht wird durch die Elektronen und die Löcher des elektrischen Stromes durch die sog. Rekombination am PN-Übergang erzeugt. Die Lichtquanten, also die Photonen, durchdringen die sehr dünne (ca. 1.5m) Halbleiterschicht und gelangen als sichtbares Licht nach draussen. Die Kennlinien ähneln jenen gewöhnlicher Dioden. Die Schwellspannungen sind aber deutlich höher. Sie liegen bei ca. 1.5V für Infrarotdioden, bei 2,2V bei rot und ca. 4V für blaue LED. Dies sind nur ungefähre Werte! Anwendungen sind: - punktförmige Leuchtanzeigen - Siebensegmentanzeigen für Zahlendarstellung. - Anordnungen in Matrixform für div. Darstellungen - 16 Segment Anzeigen für alphanumerische Darstellungen. Als Sonderausführungen gibt es auch LED s, die mit Zwei verschiedenen Kristallen bestückt sind und antiparallel geschaltet sind. Mit diesen lassen sich zwei Farben mit nur einer LED darstellen. Verständnisfragen: 1. Wie entsteht Licht in einer LED? 2. Welche Farben gibt es? 3. Kann man grafische Darstellungen realisieren mit LED s? P. Walther, T. Kluter,

33 DER OPTOKOPPLER Kombiniert man eine Fotodiode mit einer LED, so erhält man einen sog. Optokoppler. Allgemein besteht ein Optokoppler aus einer lichtemittierenden Quelle und einem lichtempfindlichen Empfänger. Mit einem Optokoppler lassen sich z. B. analoge oder digitale Signale übertragen. Ein Optokoppler dient hauptsächlich der galvanischen Trennung von Datenquelle und Empfängerschaltung, um Störungen durch Potentialunterschiede zu vermeiden. Als Lichtquelle kommen - Glühlampen, - LED, als Lichtempfänger in Frage. - Fotodioden, - Fototransistoren, - Fotowiderstände, - Fotozellen Verständnisfragen: 1. Wozu ist ein Optokoppler nützlich? 2. Welche Einschränkung gibt es bezüglich Übertragungsfrequenz speziell bei Verwendung eines Fotowiderstandes? P. Walther, T. Kluter,