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

kTVT mit

Gleichung:

1exp

T

DSD

Vn

vIi

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

wir diese Region sehr grob approximieren mit:

Darum auch die Bezeichnung Sättigungssperrstrom für IS.

Reale Dioden können aber Sperrströme haben, die wesentlich grösser als –IS

sind. Eine Faustregel besagt, dass sich der Sperrstrom u.A. pro 10 K

Temperaturzunahme verdoppelt.

1exp

T

DSD

Vn

vIi

SD Ii

wyrs,

Halbleiter, 28

Vereinfachte Kennlinie (blau) Ersatzbild im Schema

Die reale Diode: Vereinfachtes Model #1

wyrs,

Halbleiter, 33

Vergleich reale Diode und vereinfachte Modelle

D

TD

I

Vr

wyrs,

Halbleiter, 35

Gleichrichterdiode

z.B. 1N4004

Sperrspannung 400 V

Flussspannung 1 V@ 1A

Flussstrom (Peak) 30 A

Schaltzeit 1 s

Schaltdiode

z.B. 1N4448

Sperrspannung 100 V

Flussspannung 1 V@ 0.1A

Flussstrom (Peak) 0.5 A

Schaltzeit 10 ns

Schottky Diode

z.B. 1N5819

Sperrspannung 30 V

Flussspannung 0.5 V@ 1A

Flussstrom (Peak) 1A

Schaltzeit 0 ns

Einige Diodentypen & deren Eigenschaften

wyrs,

Halbleiter, 36

Limiter-Schaltungen: Beispiele

jeweils Konstantspannungsmodell (vD=0.7V)

wyrs,

Halbleiter, 40

Dioden sperren bei negativer Spannung

Dioden leiteten bei positiver Spannung

Analyse:

Annahme vD ist in Flussrichtung bestimmen von iD.

Ist iD in Flussrichtung stimmt Annahme sonst mit vD in

Sperrrichtung weiterfahren.

Jede Anwendung braucht die dafür optimierte Diode:

Netzteil, Schnelle Logik, Signaldetektion

Zusammenfassung

wyrs,

Halbleiter, 41

Labor: Superdiode

Messen Sie vO & vA für sinusförmige Eingangssignale mit 4Vpp (0V DC) für die

Frequenzen f=10Hz, 100Hz, 1kHz & 10kHz.

Wählen Sie R=33k. (OP: 741 mit ±12V, Diode: z.B. 1N4148)

Stellen Sie mit dem KO auch die Kennlinie vO/vI dar.

Was stellen Sie fest? Woher kommt dieser Effekt?

wyrs,

Halbleiter, 46

Labor: Diodenschaltungen

Diodenschaltung 1 (VQuelle =5Vpp, f=200 Hz, Ri=50)

a) Messen Sie die Spannung Vout mit dem

Voltmeter in DC-Stellung (Mittelwert).

b) Messen Sie den Ripple Vr in mV mit

dem Oszilloskop für RL = 47k, 4k7, 470 .

c) Für RL = 470 erhöhe man f auf 2 kHz und C auf

100 F.

Diodenschaltung 2

(VQuelle =5Vpp, f=1 kHz,

Ri=50)

a) Messen Sie die Spannung über C1 und C2 mit dem Voltmeter (DC-Stellung).

b) Messen Sie die Spannungsverläufe am Generator, über D1 und RL mit dem Oszilloskop

c) Was macht diese Schaltung?

Quelle

Quelle

wyrs,

Halbleiter, 55

Aufgaben:

a) 0.7V; 1.72mA b) 5V; 0A

c) 5V; 0A

d) 0.7V; 1.72mA

e) 2.3V; 2.3mA f) 1.7V; 3.3mA

VT = 25.3 mV

bei 20 C T

D

V

v

SD eIi

Bestimmen Sie vD und iD einmal für das Konstantspannungsmodell und einmal für

die vereinfachte Exponentialform. Nehmen Sie an, dass vD=0.7V, wenn der Strom

iD=1mA.

Konstantspannungsmodell:

Vereinfachte Exponentialform:

b) 0.7136V; 1.7145mA

b) 5V; 0A d) 0.7136V; 1.7145mA

c) 5V; 0A e) 2.27916V; 2.27916mA

f) 1.7300V; 3.2700mA