Die Halbleiterdiode. Demonstration der Halbleiterdiode als Ventil.

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1 R. Brinkmann hp://brinkmanndu.de Seie Diffusion und Drif Die Halbleierdiode Versuch: Demonsraion der Halbleierdiode als Venil. Bewegliche Ladungsräger im Halbleier: im n Leier sind es Elekronen, im p Leier die Löcher. Die Diode Löcher und Elekronen bewegen sich im Halbleierkrisall völlig unregelmäßig mi großer Geschwindigkei umher. (ca. 10 km/s hermische Bewegung). Dabei soßen sie sändig mi anderen Aomen zusammen, sie bewegen sich auf einer Zickzackbahn. Diese Bewegung heiß Diffusionsbewegung. Die Diffusion sorg dafür, dass Ladungsräger sich gleichmäßig über den Krisall vereilen. Bringen wir den Halbleier in einen Sromkreis, so werden die Elekronen durch elekrische Kräfe von () nach (), die Löcher von () nach () gerieben. Diese Bewegung heiß Drif, wir nehmen sie als elekrischen Srom wahr. Drif und Diffusionsbewegung erfolgen gleichzeiig. Sie überlagern sich gegenseiig. Füg man einen p doieren Halbleier mi einem n doieren zusammen, so erhäl man eine Halbleierdiode. Wie der Versuch zeig, lassen Halbleierdioden den Srom nur in einer Richung passieren. Sie haben Venilwirkung. Eine Krisalldiode leie, wenn der n Halbleier am Minus und der p Halbleier am Pluspol lieg. Die enscheidenden Vorgänge spielen sich an dem pn Übergang ab. (Dicke ca. 1/1000 mm) Was geschieh an der pn Grenzschich? Diode außerhalb des Sromkreises: Aus dem Leiungsband des n Halbleiers diffundieren Elekronen über die Trennschich und füllen im p Halbleier Löcher aus. Dor machen sich also die orsfesen Al Ionen als negaive Raumladung bemerkbar. Ersell von R. Brinkmann c10_ :32 Seie 1 von 7

2 R. Brinkmann hp://brinkmanndu.de Seie Anmerkung: Auch aus dem Valenzband des n Halbleiers können einige Elekronen über die Trennschich in den p Halbleier diffundieren. Die so ensandenen Löcher im Valenzband werden aber sofor durch Elekronen aus dem Leiungsband wieder aufgefüll. LB LB VB n HL Elekronendiffusion vom n zum p Halbleier p HL Löcherdiffusion vom p zum n Halbleier VB n HL E Feld p HL Raumladung und E Feld am p n Übergang. Das E Feld begrenz die Diffusion. Im n Halbleier reen nach dem Elekronenverlus die orsfesen AS Ionen als posiive Raumladung hervor. Zwischen beiden Raumladungen bilde sich ein sarkes E Feld. Es is vom n zum p Halbleier geriche und begrenz die Diffusion und dami auch die Größe der Raumladungen. Die beiden Raumladungen ziehen sich gegenseiig an, deshalb bleiben sie auf die unmielbare Nähe des pn Übergangs beschränk. Am pn Übergang enseh eine ladungsrägerarme Schich. Diode im Sromkreis mi Sperrpolung: Pluspol am n Halbleier Minuspol am p Halbleier. pn Übergang LB VB VB is voll n HL LB fas leer nichs geh nach links p HL ner dem Einfluss der Spannung werden aus der Grenzschich weiere Ladungsräger enfern. Die Ladungsrägerverarmung an dem pn Übergang wird größer. p Halbleier: Leiungsband is fas leer. Nur wenige, durch die Wärmebewegung aus dem Valenzband befreien Elekronen können sich über die Grenzschich in den n Bereich bewegen. (Sperrsrom µa) n Halbleier: Valenzband is fas voll. Nur die wenigen von der Wärmebewegung sammenden Löcher ragen zum Sperrsrom bei. Ersell von R. Brinkmann c10_ :32 Seie 2 von 7

3 R. Brinkmann hp://brinkmanndu.de Seie Diode im Sromkreis Durchlasspolung: Minuspol am n Halbleier, Pluspol am p Halbleier. freie Elekronen n HL Löcher p HL ner dem Einfluss der Spannung wird die Grenzschich mi Ladungsrägern überflue. n Halbleier: Aus dem Leiungsband des n Halbleiers srömen zahlreiche freie Elekronen über die Grenzschich in den p Halbleier. Dor fallen sie in die Löcher des Valenzbandes. (In Leuchdioden enseh dabei Lich, sons Wärme) Im p Halbleier hüpfen die Elekronen von Loch zu Loch zum Pluspol hin. p Halbleier: Im Valenzband reen Valenzelekronen vom n in den p Halbleier, bilden im n Halbleier Löcher und versärken den eben genannen Löchersrom. Die so am pn Übergang im n Halbleier ensandenen Löcher werden von Elekronen des Leiungsbandes aufgefüll. Diese enhalen Nachschub vom Minuspol. Bei Durchlasspolung fließen also in beiden Bändern Ladungen über den pn Übergang. Zu einem Sromfluss komm es aber ers dann, wenn die äußere Spannung groß genug is, das E Feld am pn Übergang zu überwinden. Diese Spannung heiß Schleusenspannung und is vom Diodenmaerial abhängig. (0,2.. 0,6 V) Die Diodenkennlinie Die genaue Abhängigkei zwischen Srom und Spannung einer Halbleierdiode wird durch ihre Kennlinie beschrieben. A B Rv 100 I A V Durchlassbereich: Bei einer kleinen Spannung fließ nur ein sehr geringer Srom. Mi seigender Spannung seig der Srom zunächs geringfügig an. Ab = 0,6 V nimm der Srom dann sehr sark zu. Der Wer von ewa 0,7 V wird Schwellspannung oder Schleusenspannung genann. Ersell von R. Brinkmann c10_ :32 Seie 3 von 7

4 R. Brinkmann hp://brinkmanndu.de Seie Merke Eine Halbleierdiode is im Bereich oberhalb der Schwellspannung niederohmig. Sperrbereich: Zur Kennlinienaufnahme im Sperrbereich wird die Nezspannung umgepol. Der auf die Eigenleifähigkei des Krisalls zurückzuführende Sperrsrom is gering. Die Diode darf nich überlase werden. Der vom Herseller angegebene höchse Srom und die höchszulässige Spannung in Sperrrichung dürfen nich überschrien werden. Aus der Kennlinie kann das Widersandsverhalen der Dioden abgelesen werden. Kennlinie einer Si Diode I / ma / V Sperrsrom 0,8 s (Schleusenspannung) Daen unerschiedlicher Dioden Germanium Silizium Schwellspannung 0,3 V 0,7 V 2 Durchlasswidersand / mm 5 Ω bis 100 Ω 2 Ω bis 50 Ω Sperrwidersand 0,1M Ω bis 10MΩ 1M Ω bis 3000MΩ Maximale Sperrspannung bis ca. 200 V bis ca V 0 0 Maximale Sperrschichemperaur 90 C 200 C Gleichricherwirkung 98 % 99,5 % Die Tabelle gib einige ungefähre Were von Halbleierdioden an. Genaue Were müssen den Daenbüchern ennommen werden. Ersell von R. Brinkmann c10_ :32 Seie 4 von 7

5 R. Brinkmann hp://brinkmanndu.de Seie Technische Anwendungen der Halbleierdiode Aus Wechselsrom wird Gleichsrom Darsellung der Wechselspannung mi dem Oszilloskop Oszilloskop Wechselspannungskurve obere Halbwelle unere Halbwelle Darsellung der Gleichspannung mi dem Oszilloskop Oszilloskop Gleichspannungskurve Die Eigenschaf einer Diode, den Srom nur in einer Richung durchzulassen, läss sich nuzen, um aus Wechselsrom Gleichsrom herzusellen. Pulsierende Gleichspannung aus Einweggleichrichung Oszilloskop Pulsierende Gleichspannung obere Halbwelle unere Halbwelle Ein Kondensaor gläe die pulsierende Gleichspannung Ersell von R. Brinkmann c10_ :32 Seie 5 von 7

6 R. Brinkmann hp://brinkmanndu.de Seie Kondensaor Pulsierende Gleichspannung gegläe unere Halbwelle Diode läß durch Diode sperr Kondensaor läd sich auf Kondensaor enläd sich Der Kondensaor Elekronen werden von der Plae abgezogen Elekronen werden auf die Plae aufgebrach A Beim Laden eines Kondensaors werden Elekronen von einer Plae auf die andere verschoben. Dabei enseh ein Ladesrom. Nach enfernen der Spannungsquelle behäl der Kondensaor seine Ladung. Wird der Sromkreis geschlossen, so enläd sich der Kondensaor wieder. Je größer die Fläche der Plaen is, deso mehr elekrische Ladung kann der Kondensaor speichern. Kondensaoren großer Kapaziä werden geroll aus zwei dünnen Meallfolien, gerenn durch eine Isolierfolie. Wie viel elekrische Ladung ein Kondensaor speichern kann, häng von seiner Kapaziä ab verschobene Ladung Q Kapaziä = C = Spannung 1C Die Einhei der Kapaziä is das Farad 1F = V 3 6 Kleinere Einheien: 1mF = 10 F 1μ F = 10 F nF = 10 F 1pF = 10 F Ersell von R. Brinkmann c10_ :32 Seie 6 von 7

7 R. Brinkmann hp://brinkmanndu.de Seie Merke Kondensaoren besehen aus Meallflächen, die sich nahe gegenüber sehen. Schließ man eine Spannungsquelle an, so werden Elekronen von der einen Fläche auf die andere verschoben. Dabei wird Energie in elekrischer Form gespeicher. Die Brückenschalung Kann man auch die zweie Halbwelle nuzen? Versuch: Brückengleichricher mi Kondensaor. Die zweie Halbwelle wird ausgenuz. Zusammenfassung: Gleichricherschalungen Bei der Einweggleichrichung sperr eine Diode während einer Halbwelle den Srom. Beim Brückengleichricher können beide Halbwellen ausgenuz werden. Ein Kondensaor kann in beiden Fällen den pulsierenden Gleichsrom gläen. Besondere Halbleier sind: Solarzelle: Sie is eine Diode, in der bei Licheinfall eine elekrische Spannung enseh. Lichenergie wird dabei in elekrische Energie umgewandel. Leuchdioden: Sie werden in Durchlassrichung berieben. In ihrer Grenzschich enseh Lich Ersell von R. Brinkmann c10_ :32 Seie 7 von 7