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Transkript

1 Die Eigenschaften des pn-übergangs werden in Halbleiterdioden genutzt. Halbleiterdioden bestehen aus einer p- und einer n-leitenden Schicht. Die Schichten sind in einem Gehäuse miteinander verbunden und mit Anschlüssen versehen. Wegen dem pn-übergang ist eine Halbleiterdiode gepolt. Sie hat als Haupteigenschaft, den Strom nur in eine Richtung durchzulassen. 1

2 Das Bild zeigt den Prinzip-Aufbau, das und das Bauteil (axial) mit Markierungsring (Kathode). Das Dreieck im stellt die p-schicht dar. Der Balken die n-schicht. Die Dreiecksspitze zeigt die technische Stromrichtung in Durchlassrichtung an. Das Bauteil besitzt eine Ringmarkierung auf der Kathodenseite. Dadurch kann man die Anschlüsse voneinander unterscheiden. Die Diode wird mit dem Plus-Pol an der Anode in Durchlassrichtung betrieben. Die Diode wird mit dem Plus-Pol an der Kathode in Sperrrichtung betrieben. Eigenschaften einer Halbleiterdiode große Sperrspannung kleine Durchlassspannung kleine Baugröße, dadurch empfindlich gegen Überlast großer Durchlassstrom Gleichrichterwirkung / Ventilwirkung 2

3 Fotodioden sind Halbleiterdioden aus Silizium oder Germanium. Der pn-übergang der Fotodiode ist dem Licht baulich sehr gut zugänglich gemacht. Bei einfallendem Licht werden die Elektronen aus ihren Kristallbindungen gelöst. In der Sperrschicht werden Elektronen und Löcher, also freie Ladungsträger erzeugt. Deshalb wird die Fotodiode in Sperrrichtung betrieben. Die freien Ladungsträger bewegen sich aus der Sperrschicht. Der Sperrstrom steigt an. Fotodioden eignen sich deshalb besonders gut für die Lichtmessung, Lichtschranken, Positionierung und Fernsteuerung mit Infrarotstrahlung (Fernbedienung). Leuchtdioden wandeln elektrische Energie in Licht um. Sie funktionieren wie Halbleiterdioden, die in Durchlaßrichtung Licht erzeugen. Die Kurzbezeichnung LED ist die Abkürzung für "Light Emitting Diode", was auf Deutsch "Licht emittierende Diode" bedeutet. Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Farben, Größen und Bauformen. Deshalb werden sie als Signal- und Lichtgeber für unterschiedliche Anwendungen verwendet. Die Leuchtdiode schaltet sehr schnell vom leuchtenden in den nichtleuchtenden Zustand. Der Lichtstrahl kann bis in den MHz- Bereich getaktet werden. Allerdings ist das für das menschliche Auge nur als Leuchtbrei sichtbar. Die Lebensdauer beträgt sagenhafte 10 6 Stunden. Im Vergleich zu normalen Lampen ist das super. Die gebräuchlichsten Bauformen haben einen 5 mm oder 3 mm großen Durchmesser. Es gibt dann noch Jumbo-LEDs und Mini- LEDs bis hin zu SMD-Größe. 3

4 Die Leuchtdiode besteht aus einem n-leitenden Grundhalbleiter. Darauf ist eine sehr dünne p-leitende Halbleiterschicht mit großer Löcherdichte aufgebracht. Wie bei der normalen Diode wird die Grenzschicht mit freien Ladungsträgern überschwemmt. Die Elektronen rekombinieren mit den Löchern. Dabei geben die Elektronen ihre Energie in Form eines Lichtblitzes frei. Da die p-schicht sehr dünn ist, kann das Licht entweichen. Schon bei kleinen Stromstärken ist eine Lichtabstrahlung wahrnehmbar. Die Lichtstärke wächst proportional mit der Stromstärke. Da von dem Halbleiterkristall nur eine geringe Lichtstrahlung ausgeht, ist das Metall unter dem Kristall halbkugelförmig. Dadurch wird das Licht gestreut. Durch das linsenförmige Gehäuse wird das Licht gebündelt. So können Leuchtdioden schon mit wenigen Milliampere Strom sehr hell leuchten. LEDs müssen immer mit einem Vorwiderstand betrieben werden. Das gilt auch dann, wenn eine Betriebsspannung zur Verfügung steht, die der LED-Durchflußspannung entspricht. Der Vorwiderstand dient zum einen zum Begrenzen der Spannung, in dem sich die Betriebsspannung zwischen Vorwiderstand und LED aufteilt. An der LED stellt sich ein fester vorher bekannter Spannungsabfall ein. Die Durchlaßspannung der Leuchtdiode, die allerdings nicht allzu konstant und unter Exemplarstreuung leidet. Am Vorwiderstand fällt der Rest der Betriebsspannung ab. 4

5 Was noch viel wichtiger ist, der Vorwiderstand begrenzt den Strom, der durch die LED fließt. Der Grund, warum eine Strombegrenzung notwendig ist, ist schnell erklärt. Eine Leuchtdiode ist kein ohmscher Verbraucher, dessen Widerstand immer gleich ist. Eine Leuchtdiode ist ein Halbleiter, dessen Widerstand nach Anlegen einer Spannung gegen Null sinkt. Das bedeutet, der Strom steigt rein theoretisch unendlich an. Das bedeutet, die Leuchtdiode ist ein sehr stromhungriger Halbleiter. Doch zu viel Strom verträgt die Leuchtdiode nicht. Zu viel Strom zerstört die Leuchtdiode. Vor der Zerstörung tritt erst ein Temperaturanstieg ein. Die Leuchtdiode wird wärmer. Bekanntlich leiten warme Halbleiter besser als kalte. Es folgt also ein weiterer Stromanstieg, der dazu führt, dass die LED heiß und letztendlich zerstört wird. Dieser Effekt wird in der Regel durch Spannungsschwankungen oder normale Temperaturanstiege während des Betriebs hervorgerufen. Die OLED ist ein neuartiges lichterzeugendes Halbleiterbauelement, das hauptsächlich für Displays verwendet wird. Im Gegensatz zu LCD- und Plasma- Displays werden OLEDS nicht beidseitig in Glasscheiben eingefaßt und brauchen auch keine Hintergrundbeleuchtung. Die Leuchtschicht ist ein Selbstleuchter. Das Licht entsteht direkt auf der sehr dünnen organischen Leuchtschicht. Das reduziert die Leistungsaufnahme und ermöglicht längere Akkulaufzeiten bei Mobilgeräten. OLEDs sind Flächenstrahler. Die Darstellung ist rundherum brillant und scharf. Die organische Leuchtschicht ist sehr dünn und kann auf biegsame Substrate aufgedruckt werden. Das erlaubt sehr viele Gestaltungsmöglichkeiten. Man stellt sich heute schon edle Oberflächen vor, die aus einem OLED- Überzug bestehen. 5