Der pn-übergang: Diode und Transistor Interessante physikalische Effekte ergeben sich, wenn eine n-leitende an eine p-leitende Kristallzone grenzt.

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1 Der pn-übergang: Diode und Transistor Interessante physikalische Effekte ergeben sich, wenn eine n-leitende an eine p-leitende Kristallzone grenzt. Die Halbleiterdiode

2 Die Halbleiterdiode Das immer bessere Verständnis des pn-übergangs hat zusammen mit der verfeinerten Fertigungstechnik zur Entwicklung von unzähligen Halbleiterbauelementen geführt.

3 Die Halbleiterdiode Halbleiterdioden wirken im Stromkreis wie elektrische Ventile. Sie lassen den Strom in einer Richtung durch (Durchlassrichtung), bei anderer Polung sperren sie (Sperrrichtung).

4 Die Halbleiterdiode Bauen wir in Gedanken eine Diode zusammen: Wir nehmen je ein Stück n-leitendes und p-leitendes Material. Solange sich die beiden Stücke nicht berühren, sind sie elektrisch neutral. Nun bringen wir n- und p-leiter in Kontakt.

5 Die Halbleiterdiode An der Kontaktfläche wandern infolge der Wärmebewegung Elektronen und Elektronenlöchern über die Kontaktfläche und rekombinieren.

6 Die Halbleiterdiode Das dadurch entstehende lektrische Feld verhindert die weitere Wanderung von Ladungsträger über die ontaktfläche, wodurch in der Grenzschicht der Widerstand steigt und sie zur Sperrschicht wird.

7 Die Halbleiterdiode Facit: Am pn-übergang bildet sich durch Verarmung an frei beweglichen Ladungsträgern eine hochohmige Sperrschicht.

8 Die Halbleiterdiode Überlege den Unterschied!

9 Die Halbleiterdiode Der pn- Übergang mit äußerer Spannung (Sperrrichtung) un legen wir an den pn-übergang eine Spannung so an, dass der inuspol am p-leiter und der Pluspol am n-leiter liegt. Die freien lektronen des n-leiters werden zum Pluspol strömen, die Löcher des -Leiters zum Minuspol: Die Sperrschicht verbreitert sich, es fließt nur in sehr geringer Sperrstrom, der bis zur Grenzspannung spanungsunabhängig ist. Die Diode sperrt. Überschreitet man allerdings ie bauweisenspezifische Grenzspannung, so wird die Diode zerstört.

10 Die Halbleiterdiode Der pn- Übergang mit äußerer Spannung (Durchlassrichtung) Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n-leiter, den luspol an den p-leiter, so werden die freien Elektronen, bzw. Löcher in die Sperrschicht gedrängt. Diese verkleinert sich. Überschreitet schließlich die äußere Spannung einen bestimmten Schwellenwert ( Schwellspannung ), kompensiert die angelegte Spannung das Feld der Ionen in der Sperrschicht, diese wird abgebaut, und Strom fließt.

11 Die Halbleiterdiode ie Halbleiterdiode dient wegen ihrer Robustheit, ihrer eringen Abmessungen und ihrer geringen Verlustleistung niederohmig in Durchlassrichtung, praktisch kein Strom in perrrichtung) als Gleichrichterelement in der Schwachtrom- und in der Starkstromtechnik. Oft schaltet man zum chutz der Diode Widerstände als Strombegrenzer vor. Bsp.: Leuchtdiode (LED) und Leistungsdiode:

12 Die Gleichrichtung von Wechselströmen Vorüberlegungen: Mit welchen Spannungsquellen können Walkman, Handy und Digitalcameras (Camcorder) betrieben werden? Richtig! Mit Gleichspannungsquellen wie Batterien, Akkus,

13 Die Gleichrichtung von Wechselströmen Zu Beginn des 20. Jhdt. hat sich zur Elektrizitätsversorgung weltweit Wechselstrom durchgesetzt. Die damals verwendeten elektrischen Geräte konnten problemlos mit Wechselstrom betrieben werden. Geräte mit elektronischen Bauteilen benötigen zum Betrieb jedoch leichstrom. Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom wird als Gleichrichten von Wechselstrom bezeichnet.

14 Die Gleichrichtung von Wechselströmen Gemäß der Abbildung wird die Glühlampe je nach Frequenz der Wechselspannung rhythmisch leuchten: s. Oszilloskopverlauf (grün unterlegt)

15 Die Gleichrichtung von Wechselströmen Fügt man in den Stromkreis eine Diode ein, so lässt diese den Strom nur in eine Richtung durch; während des Spannungsverlaufs in der Gegenrichtung liegt an der Lampe keine Spannung an.

16 Die Gleichrichtung von Wechselströmen ird von einen Frequenzgenerator z.b.1 Hz erzeugt und chließt man parallel zwei entgegengesetzt gepolte Dioden it Lämpchen als Arbeitswiderständen an, so beobachtet an ein abwechselndes Aufleuchten der Lämpchen. as kann man erwarten, wenn eine Diode durch einen ondensator ersetzt wird?

17 Die Gleichrichtung von Wechselströmen rätzschaltung: Zur Ausnutzung beider Halbwellen er Wechselspannung dient die nebenstehende chaltung mit vier Dioden. Der Gleichstrom, den an dabei erhält, weist periodische Schwankungen wischen einem Maximalwert und Null auf: ulsierender Gleichstrom.

18 Die Gleichrichtung von Wechselströmen Die meisten elektronischen Bauteile funktionieren jedoch nur dann, wenn die Spannung nicht schwankt. Um pulsierenden Gleichstrom zu glätten, verwendet man beispielsweise Kondensatoren.

19 Die Gleichrichtung von Wechselströmen in Kondensator ist ein Ladungsspeicher und wirkt als nergiespeicher. Er wird jedes Mal aufgeladen, wenn die ngelegte Spannung zunimmt. Sinkt die angelegte pannung, gibt der Kondensator seine Energie ab und erhindert einen Abfall der Spannung auf null (Glättung, moothing).

20 Transistoren ereits in den späten dreißiger Jahren begann William hockley, ein junger Physiker im Forschungslabor der merikanischen Firma Bell, die Suche nach einer lektronischen Schalteinheit, um die elektromechanischen chalter herkömmlicher Telefonzentralen zu ersetzen.

21 Transistoren tromfressende Elektronenröhren schieden us. So wandte sich Shockley der Halbeiterphysik zu. Seine Forschungen wurden urch den 2. Weltkrieg unterbrochen. emeinsam mit John Bardeen und Walter rattain gelang ihm 1947 mit der Entwickung des Spitzentransistors der entscheiende Durchbruch.

22 Transistoren 948 folgte der robustere Flächentransistor, und amit war die Schwelle zum Zeitalter der Mikrolektronik überschritten wurden die drei Forcher mit dem Nobelpreis ausgezeichnet - Bardeen rhielt ihn später ein zweites Mal für die Erklärung er Supraleitung.

23 Transistoren as Wort Transistor ist ein Kunstwort. Es eitet sich von transfer resistor ab und eschreibt damit einen elektronischen Bauteil, essen Widerstand (resistance) steuerbar ist.

24 Transistoren ransistoren besitzen drei Anschlüsse, die mit (Emitter), B (Basis) und K (Kollektor) ezeichnet werden.

25 Transistoren enn zwischen E und K eine Spannung nliegt, fließt kein Strom - auch nicht nach mkehrung der Polung.

26 Transistoren egt man zwischen Emitter und Basis eine kleine pannung, so dass die Diode EB in Durchlassichtung liegt, so leitet oder sperrt die Diode EK je ach an ihr angelegter Spannungsrichtung.

27 Transistoren ie Stromleitung zwischen E und B bzw. B und K eigt: Der Transistor entspricht zwei entgegenesetzt aneinandergefügten Dioden.

28 Transistoren urch den Bau des Transistors (dünne Basisschicht von twa 10-3 mm) kann man erreichen, dass beispielsweise 1% er Elektronen aus der Grenzschichte zwischen Basis und mitter vom Emitter zur Basis fließen (Durchlassrichtung). 9% der Elektronen können in die ladungsträgerarme perrschicht zwischen Basis und Kollektor diffundieren.

29 Transistoren er Übergang von Basis zum Kollektor (in Sperrrichtung epolt!) wird damit leitend. Besteht zwischen Emitter und ollektor eine Spannungsdifferenz, genügt somit ein eringer Strom vom Emitter zur Basis (Basisstrom), um iele Elektronen für den Ladungstransport von Emitter zu ollektor (Kollektorstrom) bereitzustellen.

30 Transistoren Eine positive Spannung an der Basis erhöht somit die Leitfähigkeit zwischen Emitter und Kollektor, der Transistor wird zwischen Emitter und Kollektor leitend. Fazit: Der Steuerstrom regelt den Stromfluss durch den Transistor.

31 Anwendungen von Transistoren als elektronischer Schalter Der Transistor schaltet den Kollektorstrom ein oder aus je ach Spannung zwischen Emitter und Basis. Seine Vorteile ind geringer Platzbedarf, geringe Verlustleistung und hohe Schaltgeschwindigkeit mit Schaltgeschwindigkeiten bis zu Nanosekunden (vgl. Taktfrequenz von PC s und dafür notwendige Schaltzeiten).

32 Anwendungen von Transistoren als Verstärker Die Basisspannung erhält man über eine pannungsteilerschaltung der Basisstrom wird mit einem variablen Widerstand geregelt.

33 Anwendungen von Transistoren rägt man den gemessenen Kollektorstrom gegen den asisstrom auf, erhält man die Steuerkennlinie des Tranistors. Über einen weiten Bereich besteht Proportionalität wischen Basis- und Kollektorstrom. Den Verstärkungsaktor liest man aus der Steuerkennlinie ab, er beträgt meist ei 300. Beispiel:

34 Anwendungen von Transistoren Verstärkung von Wechselströmen Insbesondere in der Nachrichtentechnik ist es notwendig, echselströme zu verstärken seien es Handy, Kopfhörer, Audioverstärker oder TV-Sender.

35 Anwendungen von Transistoren Verstärkung von Wechselströmen Wechselströme können nicht direkt zur Steuerung des Basisstroms herangezogen werden, da nur während einer Halbperiode ein Basis-, bzw. Kollektorstrom fließen und die andere Halbperiode abgeschnitten würde. Durch Hinzufügen eines Gleichstroms lässt sich erreichen, dass die Basis gegenüber dem Emitter stets positiv ist: damit wird der Arbeitspunkt der Schaltung festgelegt.

36 Anwendungen von Transistoren Optoelektronische Bauelemente ie Umwandlung von Licht in Elektrizität mit Halbleiterbauelementen, wie z.b. mittels Fotoleitern, Fotozellen und Solarzellen, und von Elektrizität in Licht mittels Leuchtdioden oder Halbleiterlaser gewinnt immer größere Bedeutung.

37 Anwendungen von Transistoren Optoelektronische Bauelemente Als Sensoren werden sie zu»sinnesorganen«elektronischer Schaltungen (z. B. in der Belichtungssteuerung von Kameras). In der Nachrichtentechnik ermöglichen Halbleiterlaser den Ersatz von Kupferkabeln durch Lichtleiter und damit die Übertragung wesentlich größerer Datenmengen.

38 Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter auch Fotowiderstand genannt: Aufgabe einer Lichtschranke kann es sein, bei Unterbrechung eines Lichtstrahles einen Verbraucher (zum Beispiel eine Hupe) einzuschalten.

39 Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter azu verwendet man lichtabhängige Widerstände LDR-Widerstände), Fotowiderstände, light dependent esistors die je nach ihrer Beleuchtung sehr nterschiedlichen Widerstandswert aufweisen.

40 Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter In der Dunkelheit haben sie einen Widerstand von etwa 10 MΩ, bei Beleuchtung ist ihr Widerstandswert vergleichsweise gering, er beträgt dann etwa 1 kohm.

41 Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter In Halbleitermaterialien werden Elektronen durch Energiezufuhr zur elektrischen Leitung aus den Gitterbindungen herausgelöst. Bei manchen Materialien (z.b. Cadmiumsulfid CdS, Bleisulfid PbS) können Elektronen durch Bestrahlung mit Licht von den Gitteratomen freigesetzt werden.

42 Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter Man nennt den Vorgang, bei dem durch ichteinstrahlung Elektronen im Inneren eines Halbleitermaterials freigesetzt werden können, den inneren Photoeffekt.

43 Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter Mit zunehmender Lichteinstrahlung (Beleuchtungsstärke) nimmt die Zahl der freien Elektronen zu, der Widerstandswert nimmt ab.

44 Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter Widerstände mit dieser Eigenschaft werden Fotowiderstände genannt und eignen sich zur Messung von Beleuchtungsstärken.

45 Optoelektronische Bauelemente -Fotodiode Durch Lichteinfall werden Elektronen und Löcher gebildet. Die im p-leiter produzierten Elektronen (und die im n-leiter produzierten Löcher) wandern unter dem Einfluss einer in Sperrrichtung angelegten Spannung zur Sperrschicht und erhöhen den Sperrstrom.

46 Optoelektronische Bauelemente -Fotodiode Anwendung findet die Fotodiode in der Lichtmessung (Kamera), bei Lichtschranken und beispielsweise in der Steuerung von TV-Geräten mittels Infrarot-Fernbedienung.

47 Optoelektronische Bauelemente - Solarzelle auch als Fotoelement bezeichnet: Sie ist eine für ihren Zweck optimierte großflächige Fotodiode ohne angelegte Spannung.

48 ptoelektronische Bauelemente - Solarzelle urch Lichteinfall werden Paare freier adungsträger erzeugt. Im Bereich des n-übergangs werden sie durch das dort estehende Feld der Donator- und kzeptorionen getrennt.

49 ptoelektronische Bauelemente - Solarzelle m p-leiter gebildete Elektronen wandern in den n-leiter, m n-leiter gebildete Löcher in den p-leiter. Dadurch baut ich im Inneren ein elektrisches Feld auf, das bei offenem tromkreis die Trennung und Wanderung weiterer adungsträgerpaare verhindert: es stellt sich ein leichgewicht zwischen Neubildung und Rekombination in.

50 ptoelektronische Bauelemente - Solarzelle iese so genannte Leerlaufspannung lässt sich n den Anschlusselektroden messen, sie immt mit zunehmender Beleuchtungsstärke u.

51 Optoelektronische Bauelemente - Solarzelle Schließt man die Elektroden kurz, so werden alle im pn-übergang gebildeten Ladungsträgerpaare getrennt, der Kurzschlussstrom ist direkt der Beleuchtungsstärke proportional.

52 Mehr zur Solarzelle in der Powerpointpräsentation Solarzelle.ppt Im Verzeichnis Physik. Nun aber noch ein wenig aus der Welt der Halbleiter und des Mikrokosmos

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55 Erinnerung an die vergangene Klasse?

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58 und nun zurück zu unserer Welt:

59 Lernziele & FRAGEN zur SELBSTKONTROLLE Versuche, folgende Fragen zu beantworten bzw. überlege die Bedeutung der Stichworte, gehe Deine Aufzeichnungen bzw. die Präsentation nochmals durch! Aufbau und Funktionsweise der Halbleiterdiode! Grätz-Schaltung: Aufbau, Funktion und Glättung. Was bedeutet das Wort Transistor, wie ist er aufgebaut und wie arbeitet er? Beschreibe 2 Anwendungen des Transistors! Wie ist ein Fotoleiter (Fotowiderstand) beschaffen? Das Grundprinzip der Solarzelle!?