Halbleiter, Dioden Diode.pdf · PDF filewyrs, Halbleiter, 12 Verhalten am...

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  • wyrs,

    Halbleiter, 1

    Halbleiter, Dioden

  • wyrs,

    Halbleiter, 2

    Inhaltsverzeichnis

    Aufbau & physikalische Eigenschaften von Halbleitern Veränderung der Eigenschaften mittels Dotierung Vorgänge am Übergang von dotierten Materialen Verhalten des pn-Übergangs Ideale / reale Dioden

  • wyrs,

    Halbleiter, 3

    Einleitung: spezifische Leitfähigkeit 

    l: Länge des Materials

    A: Querschnittsfläche des Materials

    : Spezifischer Widerstand

    : Spezifische Leitfähigkeit

    R = 𝜌 ∙ 𝑙

    𝐴 =

    𝑙

    𝜅 ∙ 𝐴

    Die spezifische Leitfähigkeit  ist proportional zur Elementarladung q, zur

    Ladungsträgerdichte n und zur Beweglichkeit der Ladungsträger µ:

    u. A. hängt die spezifische Leitfähigkeit  von der Temperatur ab.

    Die Einheit von  ist 1/m oder S/m (S: Siemens).

    Bem.: Elektronenladung q: q=1.60218e-19 As

    𝜅 = 𝑛 ∙ 𝑞 ∙ 𝜇

  • wyrs,

    Halbleiter, 4

    Einleitung: spezifische Leitfähigkeit 

    Nach der spezifischen Leitfähigkeit unterteilt man Stoffe in:

    a) Supraleiter

    Unterhalb einer materialabhängigen Temperatur sinkt der elektrische

    Widerstand auf null und die Leitfähigkeit strebt gegen .

    b) Leiter (z.B. alle Metalle)

    Typischerweise (bei 25 °C): > 106 S/m.

    c) Halbleiter (z.B. Silizium, Germanium)

    Die spezifischen Leitfähigkeit liegt zwischen den Leitern und Nichtleitern.

    d) Isolatoren (z.B. die meisten Nichtmetalle)

    Typischerweise < 10−8 S/m.

  • wyrs,

    Halbleiter, 5

    Einleitung: spezifische Leitfähigkeit 

    Material Bezeichnung  in S/m

    Silber Leiter 62.5 · 106

    Kupfer Leiter 56 · 106

    Gold Leiter 45 · 106

    Aluminium Leiter 35 · 106

    Zink Leiter 16.5 · 106

    Nickel Leiter 14.3· 106

    Kobalt Leiter 14.3· 106

    Messing Leiter 13· 106

    Eisen Leiter 10 · 106

    Platin Leiter 9.5· 106

    Zinn Leiter 8.3 · 106

    Stahl Leiter 7 · 106

    Chrom Leiter 6.2 · 106

    Blei Leiter 5 · 106

    Konstantan Leiter 2 · 106

    Quecksilber Leiter 1.0 · 106

    Germanium Halbleiter 2

    Tellur Halbleiter 5 · 10−3

    Silizium (undotiert) Halbleiter 3· 10−4

    Selen Halbleiter 1 · 10−5

    Glas Isolator 10−11…10−16

    Porzellan Isolator 2 · 10−13 Quelle: wikipedia

  • wyrs,

    Halbleiter, 6

    Eigenschaften Halbleiter

    Germanium und Silizium sind chemisch vierwertig.

  • wyrs,

    Halbleiter, 7

    Eigenschaften Halbleiter: Gitterstruktur

    Germanium und Silizium sind chemisch vierwertig.

    Damit ergibt sich ein störungsfrei aufgebautes, symmetrisches Kristallgitter in

    Diamantgitterstruktur.

    Dreidimensional Zweidimensional

  • wyrs,

    Halbleiter, 8

    Siliziumgitter

    Halbleiter: Silizium

  • wyrs,

    Halbleiter, 9

    Eine aufgebrochene kovalente Bindung (Elektronenpaar) produziert ein

    Elektron und ein Loch.  Stromfluss ist möglich.

    Halbleiter: Silizium

  • wyrs,

    Halbleiter, 10

    Siliziumgitter dotiert mit 5-wertigem Atom  ein Elektron ist frei verfügbar.

     kann mit Loch aus kovalenter Bindung kombinieren, dessen Elektron frei ist

    z.B. Phosphor

    Halbleiter: Slilzium Typ n

  • wyrs,

    Halbleiter, 11

    Siliziumgitter dotiert mit 3-wertigem Atom  ein Loch ist frei verfügbar.

     kann mit Elektron aus kovalenter Bindung kombinieren, dessen Loch frei ist

    z.B. Bor

    +

    Halbleiter: Silizium Typ p

  • wyrs,

    Halbleiter, 12

    Verhalten am pn-Übergang:

    Die freien Ladungen in der Grenzzone pn (Raumladungszone) rekombinieren 

    Zone verarmt (Depletion) an freier Ladung, d.h. Elektronen im n und Löcher im p

    Material verschwinden.

    Die gebundene Ladungen der Atome der Gegenseite stossen

    die hinteren freien Ladungen +, - von der Grenze weg.

     Das pn-Übergang sperrt den Strom, über der Zone liegt ein elektrisches Feld.

    - +

    E 

    Halbleiter pn-Übergang

  • wyrs,

    Halbleiter, 13

    Bei Anregen mit einem Strom I in Sperrrichtung fliesst nur ein geringer Strom IS,

    der den winzigen Strom ID von diffundierenden Ladungsträgern aufwiegt.

    Mehr freie Elektronen bzw. Löcher in p- bzw. n- Zone vergrössern die Rekombination.

    Die Sperrschicht verbreitert sich, eine Spannung VR baut sich auf.

    Die Diode sperrt.

    Zur Erinnerung:

    Elektronen fliessen von - nach +.

    Stromrichtung ist von + nach -.

    Bounded charges increase

    E 

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    Sperrender Halbleiter

  • wyrs,

    Halbleiter, 14

    Bei Anregen mit einem Strom I in Flussrichtung fliesst ein Strom ID,

    der Diffusion an Ladungsträgern verstärkt, d.h. viele freie Elektronen

    bzw. Löcher in n- bzw. p- Zone überschwemmen die Sperrschicht.

    Die Sperrschicht baut sich ab, eine kleine Flussspannung V entsteht.

     Die Diode leitet.

    Bounded charges decrease

    E 

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    +

    +

    -

    -

    Leitender Halbleiter

  • wyrs,

    Halbleiter, 15

    Löcher in der p-Region und Elektronen in der n-Region heissen Majoritätsträger

    Elektronen in der p-Region und Löcher in der n-Region heissen Minoritätsträger

    Durch den Abbau der Sperrspannung werden Minoritätsträger leichter über

    die ladungsfreie Zone diffundieren und dort mit den Majoritätsträgern rekombinieren.

    Ein dauerhafter Strom ID fliesst um das Ladungsgleichgewicht zu erhalten.

    +

    - -

    -

    Halbleiterbezeichnungen

  • wyrs,

    Halbleiter, 16

    Ideale Diode

  • wyrs,

    Halbleiter, 17

    Analysemethode: 1. Feststellen ob positive Spannung über der pn-Strecke liegt

    2. Falls ja, Flussstrom I berechnen, falls nein I = 0

    Tipp: manchmal muss man eine Hypothese machen und dann verifizieren.

    Ideale Diode: Analyse

  • wyrs,

    Halbleiter, 18

    Bauformen von Dioden

    SOD80 SOT23 DO35 DO41 TO220

    Dioden sind die einfachsten diskreten Halbleiterbauelemente.

    Sie werden als Gleichrichter und Spannungsreferenzen in Stromversorgungen,

    für diverse Signalverarbeitungsanwendungen (z.B. Signalpfadschalter) und zu

    Schutzzwecken (Überspannungsschutz) eingesetzt

  • wyrs,

    Halbleiter, 19

    Die ideale Diode

    Durchlassbereich

    Sperrbereich

  • wyrs,

    Halbleiter, 20

    Beispiele: ideale Diode

    a) 0V; 2mA

    b) 5V; 0A

    c) 5V; 0A

    d) 0V; 2mA

    e) 3V; 3mA

    f) 1V; 4mA

    +3V: Rot; -3V: Grün

  • wyrs,

    Halbleiter, 22

    Aufgaben: ideale Diode

    Bestimmen Sie für beide Schaltungen jeweils I und V.

  • wyrs,

    Halbleiter, 22

    D1 on, D2 on, I = 0.5 mA, V = 0 V D1 off, D2 on, I = 0 mA, V = -1.67 V

    Aufgaben: ideale Diode

    Bestimmen Sie für beide Schaltungen jeweils I und V.

  • wyrs,

    Halbleiter, 23

    Die «reale» Diode wird in 3 Regionen unterteilt:

    - Flussbetrieb (Forward-Bias)

    - Sperrbetrieb (Reverse-Bias)

    - Zenerbetrieb (Breakdown)

    Die reale Diode

  • wyrs,

    Halbleiter, 24

    Zenerbetrieb (Breakdown); Sperrbetrieb (Reverse-Bias); Flussbetrieb (Forward-Bias)

    Beispiel: 1N914

  • wyrs,

    Halbleiter, 25

    IS = Sättigungssperrstrom der Diode

    VT = Temperaturspannung

    n = Korrekturfaktor; 1  n  2

    q = Ladung Elektron 1.6·10-19 As

    k = Boltzmann Konstante 1.38·10-23 J/K

    Typische Werte:

    IS = 10 -14 … 10-9 A

    VT = ca. 25.3 mV bei 20 C

    Folge von Temperaturabhängigkeit

    von IS und VT:

    Flussspannung vD nimmt um 2mV/ C ab

    bei wachsender Temperatur und

    konstant bleibendem Strom

    q

    kT VT mit

    Gleichung:

      

      

     

     

       

      1exp

    T

    D SD

    Vn

    v Ii

    Reale Diode: Forward(-Bias) Region

    Approximation (für iD>>IS) und n=1:

    T

    D

    V

    v

    SD eIi 

  • wyrs,

    Halbleiter, 26

    Reale Diode: Reverse(-Bias) Region

    Unter der Annahme, dass die Diodenspannung vD negativ ist und betragsmässig

    einiges grösser als VT, aber kleiner als die Breakdown-Spannung, dann können