Mail von Prof. Houska, 9.3.2003 "Halbleiterphysik"

Halbleiterphysik
In der Elektrotechnik wird die elektrische Leitfähigkeit als Kriterium für die Einteilung der
Festkörperstoffe verwendet. So erfolgte von Anfang an eine Einteilung der Werkstoffe
aufgrund ihrer spezifischen Leitwerte in elektrische Leiter und Isolatoren. Als
"halbleitend" werden heute jedoch diejenigen Werkstoffe bezeichnet, deren spezifischer
Leitwert in zwischen dem von metallischen Leitern und dem echter Isolatoren liegt. Es
ergibt sich ganz grob folgende Einteilung:
Leiter: 1.5* 10E-6 _/cm (Silber ) bis ca. 5*10E-5O _/cm (Stahl)
Halbleiter : 10E-5..1,0 _/cm (dotiertes Si) bis 2*10E5 _/cm (reines Si)
Isolatoren: 10E8 _/cm (Holz) bis 10E20 _/cm (Bernstein)
Dieser Einteilung entsprechend handelt es sich bei den Halbleitern um Elemente oder
Verbindungen. die unter normalen Bedingungen nur wenig freie Elektronen besitzen. Die
wichtigsten Halbleiterwekstoffe sind heute das Silizium und das Germanium. Diese
beiden Halbleiter werden ausschliesslich als Einkristall für El. Bauelemente verwendet.
Selen wird nur noch zur Herstellung kleiner Netzgleichrichter verwendet. Es wird in
Polykristallstruktur für Bauelemente genutzt. Hinzu kommen jedoch noch als sogenannte
"intermetallischen Verbindungen" Gallium-Arsid, Gallium-Phosphid und Indium-Arsenid.
Die Kristallgemisch GaAs und GaP werden hauptsächlich zur Herstellung von
Fotohalbleitern und InAs zur Herstellung von Hallgeneratoren verwendet.
Das Periodensystem zeigt, dass Germanium und Silizium auf der ,,äussersten Schale vier
Elektonen haben. Wegen ihrer Valenzelektonenzahl werden sie als vierwertig bezeichnet.
Herstellung Die Herstellung von Halbleiterbauelementen ist aufwendig und kompliziert.
Zunächst muss das Ausgangsmaterial einen sehr hohen Reinheitsgrad habe. so hat das in
einem Lichtbogenofen aus Quarzsand und Kohlenstoff hergestellte Rohsilizium nur einen
Reinheitsgrad von etwa 98% =^ 106. Aus diesem Rohsilizium werden dann in mehreren
Reinigunsschritten polykristalline ( Kristalle, die aus mehreren Einzelkristallen aufgebaut
sind) siliziumstäbe mit einem Reinheitsgrad von 99,9999 % gewonnen. In weiteren
Bearbeitungsgängen, dem sogenannten Zonenziehen, entsteht monokristallines (
Einkristall ) Reinstsilizium, ebenfalls in Stabform. Dieses Reinstsilizium muss einen
Reinheitsgrad von 1010 besitzen, d.h. auf 1010 SI-Atom darf höchstens noch ein
Fremdatom kommen.
Die erzeugten Reinstsiliziumstäbe werden in sehr dünne Scheiben (Wafer) geschnitten,
aus denen schliesslich in vielen weiteren Bearbeitunsgängen die unterschiedlichsten
Halbleiterbauelemente und integrierten Schaltungen hergestellt werden. Die
Herstellungsverfahren für Bauelemente aus Silizium und Germanium ähneln sich
weitgehend.
Ausser Edelgasen haben alle Elemente das Bestreben, durch eingehen von Verbindungen
mit anderen Elementen die Zahl der Elektronen auf der ,,äussersten Schale so zu
verändern. dass diese ,,äusserste Schale voll besetzt ist. Um diesen Zustand zu
erreichen, können die vierwertigen Si- oder Ge-Atome entweder ihre vier
Valenzelektronen abgeben oder Valenzelektronen aufnehmen. (Wieder einen Mittelwert
zwischen Metall und Nichtmetall. Metalle geben Elektronen ab, Nichmetalle nehmen
Elektronen auf, bis die Edelgaskonfiguration erreicht ist.)
Wegen des hohen Reinheitsgrades des Reinstsilizium haben die Atome keine Möglichkeit,
Verbindungen mit benachbarten Fremdatomen einzugehen, um so ihre äussere Schale
voll besetzt zu bekommen. Sie gehen daher untereinander Atombindungen ein, auch als
kovalente Bindungen bezeichnet werden. Diese Bindungsart zwischen zwei Atomen ist
folgend dargestellt.
In der Prinzipdarstellung ist zu erkennen, dass die beiden Atomkerne auch jeweils von
einem Valenzelektron des Nachbaratoms umkreist werden. Bei beiden Atomen ist daher
für jeweils eine kurze Zeitdauer ein Elektron mehr vorhanden. Damit die vier auf der
äussersten Schale fehlenden Elektronen besetzt werden, gehen die vierwertigen Si- oder
Ge-Atome mit jeweils vier weiteren Atomen des gleichen Elementes eine kovalente
Bindung ein. Fünf derartige Atome schliessen sich daher zusammen und bilden eine
regelmässige Anordnung, wie sie folgend dargestellt ist. Die Kugeln symbolisieren die
Atome, die Säulen die Bindungen zwischen den Valenzelektronen.
Da sich jedes Atom in der Mitte eines Würfels befindet, wird eine derartige Anordnung als
kubischraumzentriertes Kristallgitter bezeichnet. Jedes Atom der Würfelecke ist wieder
wiederum Raummittelpunkt eines weiteren Würfels. Daher entsteht ein völlig
regelmässiger Aufbau des Kristallgitters entsprechend.
Kristallstruktur eines Siliziumatoms räumlich dargestellt
Eigenleitfähigkeit
Bei einem Reinheitsgrad von 1010 bilden die Siliziumatome ein Kristallgitter , beidem alle
vorhandenen Valenzelektronen der Halbleiteratome zum Aufbau benötigt werden. Bei
einem solchen störungsfreien Kristallgitteraufbau befinden sich im absoluten Nullpunkt
von 0 K (Kelvin) alle Atome im Ruhestand und die an der Kristallbindung beteiligten
Valenzelektronen sind fest an die benachbarten Atome gebunden. Daher sind keine freien
Ladungsträger vorhanden. Die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials ist und der genannten
Bedingungen gleich Null, und damit ist das Material ein absoluter Nichtleiter.
Wird einem solchen Halbleiterkristall jedoch Energie in Form von Wärme oder Licht
zugefügt, so beginnen die Atome zu schwingen. Diese Schwingungen werden als
thermisch Eigenbewegung der Atome bezeichnet. Durch die Schwingungen vergrössert
sich der Abstand zwischen Atomkern und Valenzelektronen. Die Bindekraft zwischen Kern
und Elektronen wird kleiner. Aus diesem Grund können einige Valenzelektronen aus der
Kristallbindung herausspringen und werden damit zu freien Elektronen. Wird jetzt eine
Spannung an den Kristall gelegt, so ist infolge des elektrischen Feldes ein Stromfluss im
Kristall.
An der Stelle, an der ein Valenzelektron aus seiner ursprünglichen Bindung
herausgesprungen ist, fehlt jedoch eine negative Ladung. es bleibt daher im betreffenden
Atom eine positive Ladung zurück, die als "Defektstrom" oder kurz als "Loch" bezeichnet
wird. Das Entstehen eines freien Elektrons und eines Loches wird als "Generation" oder
"thermische Paarbildung" bezeichnet. Bei ständiger Energiezufuhr werden fortlaufend
Elektronen frei. Sie wandern auf scheinbar regellosen Bahnen durch den Kristall, bis sie
auf ein Loch treffen und dort wieder in einen festen Atomverband zurückspringen. Dieser
Vorgang wird "Rekombination" genannt. Im nächsten Bild sind die Zusammenhänge bei
der Paarbildung und Rekombination vereinfacht dargestellt.
An der Stelle, an der ein Valenzelektron aus seiner ursprünglichen Bindung
herausgesprungen ist, fehlt jedoch eine negative Ladung. es bleibt daher im betreffenden
Atom eine positive Ladung zurück, die als "Defektstrom" oder kurz als "Loch" bezeichnet
wird. Das Entstehen eines freien Elektrons und eines Loches wird als "Generation" oder
"thermische Paarbildung" bezeichnet. Bei ständiger Energiezufuhr werden fortlaufend
Elektronen frei. Sie wandern auf scheinbar regellosen Bahnen durch den Kristall, bis sie
auf ein Loch treffen und dort wieder in einen festen Atomverband zurückspringen. Dieser
Vorgang wird "Rekombination" genannt. Im nächsten Bild sind die Zusammenhänge bei
der Paarbildung und Rekombination vereinfacht dargestellt.
Paarbildung und Rekombination sind stehts im Gleichgewicht. Die Anzahl der verfügbaren
Ladungsträger hängt aber von der Temperatur ab und werden mit steigender Temperatur
grösser. Allerdings ist auch bei Raumtemperatur (20 Grad) von 10E9 Bindungen nur
jeweils eine aufgerissen, d.h. es kommt auf eine Milliarde Atome nur ein
Ladungsträgerpaar. Im Bereich der Raumtemperatur verdoppelt sich etwa die Anzahl der
Ladungsträgerpaare, wenn eine Temperaturänderung um 10K vorgenommen wird.Bei
reinen Halbleitermaterialien werden also mit steigender Temperatur mehr
Valenzelektronen frei. Dadurch nimmt ihre Leitfähigkeit zu. Umgekehrt ist es bei
Metallen. Die Temperaturabhängigkeit bezüglich der Leitfähigkeit ist bei Halbleitern
wesentlich grösser als bei Metallen.
Beim Anlegen einer Spannung entsteht im Halbleiterkristall ein elektrisches Feld. Dadurch
werden die Elektronen, die aufgrund der thermischen Paarbildung frei geworden sind,
zum Pluspol der Spannungsquelle gezogen. Sie springen auf ihrem Weg dahin immer von
einem Loch zum anderen. Damit wandern die Löcher aber scheinbar vom Pluspol der
Spannungsquelle zum Minuspol. Diese Vorgänge bei der Elektronen- und
Löcherwanderung unter Einfluss eines elektrischen Feldes sind im vorherigen Bild gezeigt
ist.
Die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters, die allein aufgrund der thermischen
Paarbildung entstanden ist, wird als "Eigenleitfähigkeit" oder "Intrinsicleitfähigkeit"
(intrinsic = im Innern) bezeichnet.
Dabei führen die freien Ladunsträger im Kristall thermisch bedingte Schwirrbewegungen
aus. Durch das elektrisch Feld erhalten die freien Ladungsträger aber eine gleich
Bewegungsrichtung. Diese Bewegunsrichtung wird als "Drift" bezeichnet. Sie ist der
wärmebedingten Zick-Zack- oder Schwirrbewegung überlagert. Im nächsten Bild sind die
Vorgänge veranschaulicht.
In jedem Halbleitermaterial stehen also zum Ladungstransport sowohl Elektronen als
auch Löcher zur Verfügung. Dieser bioplare Leitungsmechanismus ist im folgenden Bild
beschrieben.
Dotierte Halbleiter
Störstellenleitfähigkeit
Die Leitfähigkeit eines reinen Halbleiters hängt von der Temperatur und dem
Halbleitermaterial ab. Die kann aber auch unabhängig vom Temperatureinfluss durch den
Einbau von Fremdatomen in das Kristallgitter stark verändert werden. Ein derartiger
Einbau von Fremdatomen in das Kristallgitter von reinen Halbleitern wird als "Dotieren"
oder "Dopen" bezeichnet.
Zum Dotierten von Silizium- oder Germaniumkristallen sind Stoffe geeignet, die entweder
ein Valenzelektron mehr oder ein Valenzelektron weniger besitzen. Da Si und Ge zur 4.
Gruppe im Periodensystem gehören, kommen Elemente der 5. und 3. Gruppe in Frage.
Die Leitfähigkeit eines Dotierten Halbleiters hängt vom Grad der Verunreinigung ab.
Diese durch gezielte Verunreinigung eines reinen Halbleiterkristalls darf jedoch nicht
beliebig stark vorgenommen werden. Sonst könnte der Fall eintreten, dass sich der
gesamte Kristallaufbau nach den Fremdatomen mit ihren fünf oder drei Valenzelektronen
ausrichtet. So darf die Störstellendichte nur etwa 1 : 10E6 betragen, d.h. auf 10E6 Si oder Ge- maximal ein Fremdatom zulässig.
n-Halbleiter
Beim Dotieren eines reinen Halbleitermaterials mit 5-wertigen Stoffen wie Phosphor,
Arsen oder Antimon können vier der fünf Valenzelektronen eine wechselseitige Bindung
mit den benachbarten Si- oder Ge- Atomen eingehen. Das fünfte Valenzelektron des
Fremdatoms findet jedoch keinen Partner und lässt sich daher relativ leicht aus der
Bindung mit dem eigenen Atom. Bei Raumtemperatur steht somit je eingebautem
Fremdatom ein freies Elektron für den Ladungstransport zur Verfügung.
Hat sich ein Elektron vom Donatora (Elektronenspender) gelöst, so bleibt in seinem Kern
jedoch eine positive Ladung zurück. Sie versucht, wieder frei bewegliches Elektron
einzufangen, damit im Atom wie ursprünglich gleich viele Elektronen wie Protonen
vorhanden sind. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes wandern die freien
Elektronen, von Loch zu Loch springend, in Richtung des Pluspoles der Spannungsquelle.
Da der Ladungstransport in einem mit Donatoren dotierten Halbleitermaterial durch freie
Elektronen erfolgt, wird ein derartiger Halbleiter als "n-leitendes Material" (= negativ
leitend) bezeichnet. Die Leitfähigkeit eines n-Halbleiters wird auch
"Elektronenleitfähigkeit" genannt.
p-Halbleiter
Auch beim Dotieren eines reinen Halbleitermaterials mit einem 3wertigen Stoff wie Bor,
Aluminium, Gallium oder Indium wird ein Halbleiteratom im Kristallaufbau durch ein
Fremdatom ersetzt. Da dieses Fremdatom aber nur drei Valenzelektronen besitzt, fehlt
jetzt in der Kristallbindung ein Elektron. Durch das Dotieren ist daher ein Loch oder
Defektelektron entstanden. Dieses Primärloch wird jedoch durch ein bei der Thermischen
Paarbildung freigewordenes Elektron eines Nachbaratoms aufgefüllt. Dadurch ist aber im
Nachbaratom ein neues Loch, ein sogenanntes Sekundärloch, entstanden. Dieses ist
wiederum von einem Elektron des Nachbaratom besetzt. Auf diese Weise wandern die
Löcher als positive Elementarladungen unter dem Einfluss eines ,,äusseren elektrischen
Feldes zum negativen Pol der Spannunsquelle. Im folgend Bild ist dieser Vorgang
dargestellt.
In einem p-Halbleiter übernehmen positive Elementarladungen den Ladungstransport.
Dieses Halbleitermaterial wird daher als "p-leitend" und seine Leitfähigkeit als
"Lochleitfähigkeit" bezeichnet.
pn-Übergang
Herstellung eines pn-Überganges
Die meisten Halbleiterbauelemente besitzen Zonen sowohl aus reinem p-Material als
auch reinem n-Material. Zwischen ihnen tritt zwangsläufig eine Übergangszone auf.
Dieser pn-Übergang ist für die Funktion der Bauelemente von besonderer Bedeutung. Um
eine einwandfrei Arbeitsweise des pn-Überganges zu erreichen, müssen das p-Material
und das n-Material stossstellenfrei ineinander übergehen.
Diese stossstellenfreiheit wird herstellungstechnisch durch Diffusionsvorgänge erreicht.
Hierbei wird z.B. eine kleine Indiumpolle auf ein Stück n-Silizium gesetzt und die so
vorbereitete Scheibe in einem Ofen auf ca. 600 °C aufgeheizt. Bei dieser Temperatur
dringen Indiumatome in das n-Silizium ein und überschwemmen es mit 3-wertigen
Fremdatomen. Dieser Vorgang wird als "Eindiffundieren" bezeichnet. Im folgenden Bild
ist das Herstellungsprinzip dargestellt.
Durch das Eindiffundieren der 3-wertigen Fremdatome in das n-Silizium entsteht um die
Indiumpille herum eine Zone, in der mehr Löcher als freie Elektronen vorhanden sind.
Das ursprünglich in dieser Zone vorhandene n-Silizium wird somit in p-Silizium dotiert.
Die Vorgänge laufen bei diesem Verfahren so ab, dass der Übergang zwischen dem pund dem n- Material stossstellenfrei ist.
pn-Übergang ohne angelegte Spannung
Infolge der thermischen Eigenbewegungen der Atome werden bei einem pn-Übergang die
jeweils freien Ladungsträger auch über die Grenzfläche hinwegwandern. Auf diese Weise
gelangen Elektronen aus dem n-dotierten Material in das p-Gebiet sowie Löcher aus dem
p-dotierten Material in das n-Gebiet. Dieser Vorgang wird als "Diffusion" bezeichnet. Er
ist im nächsten Bild dargestellt.
Da die aus dem n- Gebiet kommenden Elektronen im p-Gebiet genügend freie Löcher und
die aus dem p-Gebiet kommenden Löcher genügend freie Elektronen vorfinden, kommt
es zu einer Neuzusammenstellung in Nähe der Grenzfläche. Es vereinigen sich die aus
dem n-dotierten Kristall kommenden Elektronen mit den im p-Kristall schon vorhanden
Löchern und die aus dem p-Kristall kommenden Löcher mit den im n-Kristall bereits
vorhandenen Elektronen.
Als Folge dieser Diffusion entsteht somit zu beiden Seiten der Grenzfläche eine Zone, die
praktisch frei von beweglichen Ladungsträgern ist. Sie hat wegen der fehlenden
beweglichen Ladungsträger eine wesentlich schlechtere Leitfähigkeit als das jeweils
angrenzende p- und n-Material und wird daher als "Sperrschicht " bezeichnet. Diese
Sperrschicht hat nur eine Dicke von ca. 1 bis 5 Mikrometer(SYMB) . Alle beschriebenen
Vorgänge von Diffusion, und die Ausbildung vollziehen sich bereits während des
Herstellungsprozesses des pn-Überganges.
Reines n- und p- Halbleitermateral sind nach aussen hin elektrisch neutral, weil auch
nach dem Einbringen von Fremdatomen in reines Halbleitermaterial in dem Kristallgitter
noch immer die gleich Anzahl von Protonen und Elektronen vorhanden sind. Während des
Diffusionsvorganges wandern aber negative Ladungsträger aus dem elektrisch neutralen
n-dotierten Kristall in den vorher ebenfalls elektrisch neutralen p-dotierten Kristall. Somit
fehlen in der Umgebung der Sperrschicht im n-Material die von den eingebauten
Fremdatomen stammenden Elektronen. In dieser Zone tritt daher eine positive Ladung
auf.
Die in den p-dotierten Teil der Sperrschicht eingewanderten Elektronen füllen dagegen
die bei den dort vorhandenen, von den eingebauten Fremdatomen stammenden Löcher
auf. Dadurch erhält diese Zone eine negative Ladung. Infolge dieser Vorgänge baut sich
zu beiden Seiten der Grenzfläche eine Raumladung auf, die im n-dotierten positiv und im
p-dotierten Teil negativ ist.
Die durch die Diffusionsvorgänge entstandene Raumladung kann aber nicht unbegrenzt
wachsen. Je mehr Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht wandern, desto grösser
wird die negative Raumladung in der p-Schicht. Sie wirkt dem Eindringen weiter
Elektronen entgegen. Ein entsprechender Vorgang tritt auch für die aus dem p-Kristall
kommenden Löcher infolge der immer grösser werdenden positiven Raumladung im nKristall auf. Sobald die Raumladungen einen bestimmten Wert erreicht haben, ist eine
weitere Diffusion nicht mehr möglich. und es tritt Gleichgewichtszustand ein. Der
Spannungswert, bei dem die Diffusion aufhört, wird als "Diffusionsspannung UD"
bezeichnet. Sie müsste eigentlich Anti-Diffusionsspannung genannt werden, da sie der
weiteren Diffusion entgegenwirkt.
Weil die Diffusionsspannung nur unmittelbar an der Sperrschicht auftritt, kann sie von
aussen nicht direkt gemessen werde. Die löst sich aber durch eine indirekte Messung
ermitteln, indem die durch eine gleichgrosse, aber entgegengesetzte äussere Spannung
kompensiert wird. Sie wird häufig "Schleusenspannung" genannt. Die Grösse der
entstehenden Diffusionsspannung hängt im wesentlichen vom verwendeten
Halbleitermaterial ab.
Germanium: UD WELLE 0.2 bis 0.4 V
Silizium: UD WELLE 0.5 bis 0.8 V
pn-Übergang in Durchlassrichtung
Im Bild 1.19 ist eine äussere Spannungsquelle so an einen Halbleiterkristall mit pnÜbergang angeschlossen, dass der Minuspol an dem n-dotierten Material und der Pluspol
am p-dotierten Material liegt. Unter dem Einfluss des dann im Halbleiterkristall
auftretenden elektrischen Feldes wandern sowohl die im n-Halbleiter vorhandenen freien
Elektronen als auch die im p-Halbleiter vorhandenen freien Löcher in Richtung
Sperrschicht. Sie dringen dabei in die durch Diffusion entstandene, vor anlegen der
äusseren Spannung ladungsträgerfreie Zone ein. Dadurch wird die ursprüngliche Breite
dieser Zone kleiner.
Bei einer ausreichend grossen äusseren Spannung ist die Sperrschicht fast vollständig
abgebaut. Dadurch ist auch der Widerstand dieser Zone klein, und es kann ein von der
Spannungquelle getriebener Strom durch den Halbleiterkristall fliessen. Der pn-Übergang
wird als in Durchlasslichtung betrieben, wenn der negative Pol der äusseren
Spannungsquelle am n-Material liegt.
In diesem Bild ist auch zu erkennen, dass bei Durchlassbetrieb die angelegte Spannung
der inneren Diffusionsspannung entgegengerichtet ist. Ein Strom kann daher erst durch
den pn-Übergang fliessen, wenn die Diffusionspannung durch die äussere Spannung
überwunden wurde
pn-Übergang in Sperrichtung
Im nächsten Bild liegt der Pluspol einer Spannungsquelle am n-Material und der Minuspol
am p-Material eines Halbleiterkristalls mit pn-Übergang. Infolge des auftretenden
elektrischen Feldes im Kristall bewegen sich jetzt die freien Elektronen im n-Halbleiter
zum Pluspol und die Löcher im p-Halbleiter zum Minuspol der Spannungsquelle. Die an
der Grenzen des pn-Überganges vorhandenen freien Ladungsträger wandern daher von
der Grenzfläche weg. Dadurch wird die von Ladungsträgern freie Zone breiter. Ein
Stromfluss durch den Kristall ist nicht möglich, weil die wegen fehlender Ladungsträger
ohnehin mit einem grossen Widerstand behaftete Sperrschicht nur noch breiter wird. Ein
pn-Übergan wird also in Sperrichtung betriebe, wenn der positive Pol der Spannunsquelle
am n-Halbleiter liegt. In diesem Fall sind Diffusionsspannung und äussere Spannung
gleichgerichtet.
Infolge der thermisch bedingten Eigenschwingungen entstehen im gesamten Kristall
ständig Elektronen-Löcher-Paare und damit auch bewegliche Löcher in der n-Schicht
sowie Elektronen in der p-Schicht. Diese beweglichen Ladungsträger werden jeweils als
Minorität- oder Minderheitsträger bezeichnet. Die Elektronen der p-Schicht und die
Löcher der n- Schicht wandern als Minoritätsträger aufgrund der angelegten Spannung
auch durch die in Sperrichtung betriebene pn-Grenzschicht und verursachen einen
kleinen Strom, der als "Sperrstrom" IR" bezeichnet wird. Er ist stark temperaturabhängig
und hat bei Raumtemperatur Werte von :
Ir GL 10 bis 500 _A für Germanium
Ir GL 5 bis 500 nA für Silizium
Die Spannung an einem in Sperrichtung betriebenen pn-Übergang darf aber nicht
beliebig gross werden. Wird ein bestimmter Wert überschritten, so wird die Kraftwirkung
des elektrischen Feldes grösser als die Bindungskräfte der Valenzelektronen. Es fliesst
dann schlagartig ein grosser Strom, der ohne Begrenzung zur Zerstörung des pnUeberganges führt.
Ein pn-Übergang in Sperrichtung hat noch eine weiter Eigenschaft, die genutzt wird.
Wegen der fehlenden Ladungsträger wirkt die Sperrschicht wie ein Dielektrikum, an das
sich auf beiden Seiten gut leitendesMaterial anschliesst. Ein in Sperrichtung betriebener
pn-Übergang wirkt daher wie ein Kondensator. Dieser hat allerdings nur eine relativ
kleine Kapazität, die als "Sperrschichtkapazität" bezeichnet wird. Ihre Grösse ist von der
angelegten Sperrschichtspannung abhängig. Je grösser die Sperrspannung wird, desto
breiter wird die Sperrschicht. Dies entspricht einer Vergrösserung des Plattenabstandes
beim Kondensator. Die Sperrschichtkapazität wird also mit steigender Spannung kleiner.
Diese spezielle Eigenschaft eines pn-Überganges wird in der Kapazitätsdiode ausgenutzt.
Im folgen Bild dargestellt.
Gleichrichter- und Schaltdioden
Bei den Gleichrichter- und Schaltdioden handelt es sich um eine einfache. praktische
Anwendung der Halbleiterphysik. Dioden bestehen aus einem Halbleiterkristall mit einer
p- und einer n- dotierten Schicht. Der pn-Übergang (der Teil zwischen den beiden
Schichten) lässt ,wie vorher erklärt, den Strom nur in einer Richtung fliessen. Die Diode
gehört demnach in die Gruppe der stromrichtungsabhängigen Bauelementen. Dioden
werden in Durchlassrichtung betrieben, wenn das positive Spannungspotential an der pdotierten Seite, und ein negatives Spannungspotental an der n-dotierten Seite anliegt.
Ein Betrieb in Sperrrichtung liegt vor, wenn die Spannungen entgegengesetzt der
Durchlassrichtung sind. Die Bezeichnungen von der Diode sind von Durchlassrichtung
abgeleiteten. Der p-dotierte Pol heisst Anode (griech. = Eingang) und der n-dotierte
Kristall wird Kathode (griech. = Hinabweg) bezeichnet.
Das nächste Bild zeigt einen schematischen Aufbau und das genormte Schaltzeichen für
Gleichrichterdiode.
Das Verhalten von Dioden verschieden Betriebsspannungen wird in Form von Kennlinien
dargestellt. Die folgende Kennlinie zeigt eine typischen Verlauf einer "Feld-Wald-Wiesen"
Diode aus Silizium und Germanium. Im Durchlassbereich haben die X- und Y- Achsen die
Bezeichnung UF und IF. Der Index "F" ist von der englischen Bezeichnung für "Forward
directioin"= Vorwärtsrichtung = Durchlassrichtung abgeleitet. Für die Sperrichtung
hingegen wird der Indes "R" verwendet, der auch aus der englischen Sprach "Reverse
Direction" = Rückwärtsrichtung = Sperrichtung abgeleitet wurde.
Aus dem obigen Bild ist zu erkennen, dass im Durchlassbereich erst dann ein
nennenswerter Stromfluss einsetzt, wenn die Durchlassspannung UF grösser als die
Diffusionsspannung UD wird. Dieser Mindestwert der Durchlassspannung UF wird als
Schleusenspannung US bezeichnet. Der Übergang vom geringen zum grossen Stromfluss
unterscheidet sich bei Ge- und Si- Dioden. So liegt bei Germaniumdioden die
Schleusenspannung bei US= ca. 0.3V und der Übergang vom kleinen zum grossen
Stromfluss erfolgt allmählich. Bei Silizium-Dioden tritt nach überschreiten der
Schleusenspannung von U S =ca. 0.7 V dagegen fast schlagartig ein grosser Stromfluss
auf. Die Durchgangskennlinie der Si-Diode ist daher stark geknickt.
Auch im Sperrbereich unterscheiden sich die Kennlinien von Si- und Ge- Dioden. Wird bei
der Si-Diode die höchstzulässige Sperrspannung URMAX überschritten, steigt der
Sperrstrom IR= IREST plötzlich stark an, und es entsteht ein scharfer Kennlinienknick. Bei
den Ge-Dioden gibt es keinen so ausgeprägten Kennlinienknick beim Übergang in den
Durchbruchbereich. Die Sperrspannung RMAX darf bei beiden Dioden auf keinen Fall
überschritten werden, da der pn-Übergang und damit die Dioden zerstört werden. Die
Maximal zulässige Sperrspannung URMAX hängt vom Halbleitermaterial ab und beträgt
URMAX ca 80-1500V bei Si
40- 100 V bei Ge
Die Maximal zulässige Sperrspannung liegt also bei Si-Dioden wesentlich höher als bei
Ge-Dioden. Dieser Unterschied ist auf den etwas andersartigen Atomaufbau von
Germanium und Silizium zurückzuführen.
Auch bei den kleinen Restströmen, also den Strömen, die bei Betrieb in Sperrichtung
fliessen und auf die Eigenleitfähigkeit des Halbleiterkristalls zurückzuführen sind, gibt es
wesentliche Unterschiede zwischen Ge- und Si-Dioden. So liegt die maximal zulässige
Sperrspannung liegt also bei Si-Dioden wesentlich höher, als bei Germaniumdioden
Irest ca. 5 bis 500 nA bei Si Dioden
Irest ca. 10 bis 500 _A bei Ge Dioden
Kennwerte
Aus den Diodenkennlinien lassen sich viele wichtige Daten für den Einsatz und das
Verhalten der einzelnen Diodentypen in elektronischen Schaltungen ermitteln. Dies ist oft
sehr zeitaufwendig. Daher geben die Hersteller in den Datenblättern zur schnellen
Information über bestimmte Eigenschaften eine Reihe von Kennwerten an. Diese DiodenKennwerte sind meisten getrennt nach Grenzdaten und Kenndaten. Grenzdaten sind
Werte, die auf keinen Fall überschritten werden dürfen, weil das Bauelement sonst
zerstört wird. Hierbei sind auch Schwankungen der Betriebsspannung und die Toleranzen
anderer Bauelemente zu berücksichtigen. Als Kenndaten sind werte zu bezeichnen, deren
Eigenschaften dem Halbleiterbauelement angeben, welches Verhalten sie unter
Berücksichtigung verschiede Parameter zeigt. Die Kenndaten werden in statisch und
dynamisch unterteilt. Statische Daten beschreiben das Gleichstromverhalten, dynamisch
Kenndaten geben Aufschluss über ihr Verhalten im Wechselstrom bzw. Impulsbetrieb.
Grenzdaten
Eine Diode kann auf verschiedene Arten elektrisch überbeansprucht werden:
·
·
·
·
Durch
Durch
Durch
Durch
einen zu grossen Durchlassstrom IF
eine zu hohe Sperrspannung UR
eine zu grosse, in ihr umgesetzte Verlustleistung PV
eine zu hohe Umgebungstemperatur
Die Hersteller geben daher für jede dieser Beanspruchungsarten Grenzwerte an, deren
Formelzeichen gewöhnlich mit dem Indes M = maximal gekennzeichnet sind. Eine
nennenswerte Überschreitung dieser Grenzwerte hat eine Verkürzung der Lebensdauer
des Bauelementes zur Folge.
Gebräuchlichste Gleichtrichterschaltungen
Wie der Name einer Gleichrichterdiode bereits aussagt, werden mit ihnen wechselströme
gleichgerichtet. Die einfachste, aber sehr häufig eingesetzte Art ist die sogenannte M1Schaltung (auch Einweggleichrichterschaltung genannt). Wie in Handskizze angegeben ist
die Dioden nur während der positiven Halbwelle des Eingangswechselstromes leiten.
Daher fliesst auch nur in dieser Zeit ein Strom. Das Ausgangssignal ist gleich des
Eingagnssignals ohne die negative Sinushalbwelle. Damit aber auch in dieser Zeit ein
Stromfluss möglich ist, kann ein Kondensator parallel zum Ausgang zugeschaltet werden.
Die negative Halbwelle, in der ja die Diode sperrt wird nun so überbrückt. Je nach
Verhältnis des Lastwiderstandes und der Kondensatorgrösse ist der Spannunsabfall
gegen Ende der negativen Halbwelle grösser oder kleiner. In der Handskizze ist neben
der Schaltung auch das Zeitdiagramm mit den interessante Grössen zu finden. Die
Schaltung mit dem Diagramm gibt einfach zu verstehen Auskunft über diese Schaltung.
Eine etwas seltener anzutreffende, aber gleichwohl interessante ist die M2, oder anders
genannt Zweiweggleichrichterschaltung. Für Ströme über 50 mA ist trotz eines grossen
Ladekondensators die M1 Schaltung ungeeignet, da die Spannungsschwankung am
Ausgang zu gross wird. Die M2-Schaltung ermöglicht ein gleichrichten mit zwei Dioden,
bei dem die negative Halbelle in eine positive gesetzt wird. Sie stellt aber eine kleine
Anforderung an den Eingang. Der Mittelwert als Bezugspunkt muss vorhanden sein. Beim
Transformator ist das die Mitte der Sekundärwicklung. Zu jedem Zeitpunkt ist eine
Halbwelle positiver als der Bezugspunkt. Somit können die beiden Wicklungsende über
eine Diode zusammengeführt werden. Danach folgt der Lastwiderstand der am anderen
Ende mit dem Bezugspunkt verbunden ist. Auch hier verschafft die Skizze Klarheit.
Die wohl gebräuchlichste Gleichrichterschaltung ist die Zweiimpuls-Brückenschaltung
(B2). Das Ausgangssignal ist dasselbe wie bei der M2, ein Mittelabgriff der Sekungärspule
aber nicht notwendig. Wie bei den vorherigen Schaltungen ersparen sich viele Worte mit
einer Skizze.
Z-Dioden
Grundprinzip und Arbeitsweise
Wird bei einer Siliziumdiode die Sperrspannung noch über die zulässige Spannung URMAX
hinaus weiter erhöht, so setzt nach Überschreiten eines bestimmten Spannungswertes
plötzlich ein stark ansteigender Strom ein. Bei den Gleichrichter und Schaltungsdioden
liegt diese Durchbruchsspannung je nach Dimension zwischen 80V und 1500V.
Durch eine entsprechend höhere Dotierung kann die Sperrschicht so schmal gemacht
werden, dass der Duchbruch bereits bei einer Spannung von wenigen Volt erfolgt, 1V bis
50V. Diese spezielle Ausführung von Si-Dioden werden als Z-Dioden bezeichnet. Ihr
Name ist von dem Wissenschaftler C.Zener abgeleitet, der den charakteristischen Effekt
dieser Diode entdeckte.
Z-Dioden werden stets in Sperrichtung betrieben. Da ihr Arbeitspunkt im Bereich der
Durchbruchspannung liegt, ist zur Strombegrenzung unbedingt ein Vorwiderstand
notwendig. Der Maximalstrom darf nie überschritten werden, da die Diode sonst zerstört
wird. Die Kenn und Grenzwerte müssen unbedingt bei der Dimensionierung der
Vorwiderstände berücksichtigt werden. Wegen ihres charakteristischen
Kennlinienverlaufes im Bereich der Durchbruchspannung, wird sie zur Stabilisierung oder
Begrenzung kleiner Gleichspannungen eingesetzt. Die einfachste Schaltung zur
Spannungsstabilisierung ist im folgenden Schema gezeigt. Die Durchbruchsspannung
besagt, dass diese Spannung bei einem bestimmten Stromfluss über der Diode anliegt,
meist 5mA. Dieser Wert liegt ein bisschen oberhalb der Spannung, bei der Durchbruch
beginnt.
Bei den Z-Dioden überlagern sich im Bereich der Durchbruchspannungen zwei
unterschiedliche physikalische Effekte. So tritt bei Z-Dioden mit einer Z-Spannung von
etwa Uz<5V eine innere Feldemission auf, die als Zener-Effekt bezeichnet wird. Bei ZDioden mit Zu>6V erfolgt dagegen der Durchbruch aufgrund des sogenannten
Lawineneffektes ( auch als Avalancheeffekt bezeichnet) . Dieser führt entsprechend dem
vorigen Bild zu einem scharfen Abknicken der Kennlinien 3, 4 und 5, während die
Kennlinien 1 und 2 mit einem ZU< 5V eher einen weichen Übergang haben.
Zener-Effekt und Lawineneffekt beruhen auf zwei grundsätzlich verschieden
physikalischen Prinzipien. Ein Durchbruch aufgrund des Zener-Effektes erfolgt, weil beim
Überschreiten einer Feldstärke von etwa 200 bis 500kV/cm beim Silizium Elektronen aus
dem Gitterverband herausgelöst werden. Diese so entstandenen freien Elektronen
vergrössern zusammen mit den dabei ebenfalls entstandenen Löchern die Zahl der frei
beweglichen Ladungsträger und damit die Leitfähigkeit. Dadurch steigt der Sperrstrom,
der hier als Z-Strom IZ bezeichnet wird, stark an.
Bei Z-Dioden, mit Zu >6V wird der Lawinen-Effekt. Die Geschwindigkeit der vorhanden
beweglichen Elektronen ist aufgrund der Feldstärke so hoch, dass sie beim
Zusammenstoss mit den Atomen des Kristallgitters neue bewegliche Ladungsträger
(Elektronen und Löcher) herausschlagen. Diese neu auftretenden Ladungsträger werden
durch das anliegende elektrische Feld ebenfalls beschleunigt und schlagen nun weiter
neue Ladungsträger aus dem Atomverband heraus. Weil der Strom dadurch sehr schnell
anwächst, wird dieser Vorgang als Lawinen-Effekt oder Lawinendurchbruch bezeichnet.
Wegen des seht starken Stromanstieges entsteht ein schärferer Linienknick beim
Übergang vom normalen Sperrstrom zum Z-Strom als beim Zener-Effekt. Zwischen etwa
5V < Zu <6V. Diese Dioden sind temperaturabhängig. Die 5.6V Z-Diode gilt aus zwei
Gründen als Referenzdiode. Einerseits kumulieren sie die beide physikalisch verschieden
Durchbrüche, was einen schärferen Knick zur Folge hat. Andererseits ist diese Diode am
wenigsten Temperaturabhängig. Für Gründe dafür sind die Eigenschaften, dass der
Temperaturkoeffizient negativ beim Durchbruch aufgrund des Zener-Effektes ist. Bei
höherer Durchbruchspannung, also beim Lawinen-Effekt ist der Temperaturkoeffizient
positiv. Somit ist er in Nähe des Mittelwertes am geringsten. Siehe folgendes Bild.
Differentieller Ausgangswiderstand.
Der differentielle Ausgangswiderstand beschreibt die Steilheit der nach dem Knick der
Durchbruchskennlinie. Sie errechnet sich aus dem Verhältnis von einer
Spannungsänderung und einer Stromänderung nach dem Durchbruch. Zur einfacheren
Erklärung anhand einer Kennlinie folgend erklärt.
Eine einfache, aber häufige Anwendung einer Stabilisierschaltung soll kurz beschrieben
werden. Im Folgenden Bild ist die Instabile Eingagnsspannung über einen Vorwiderstand
mit der Diode verbunden. Diese führt direkt zum anderen Eingangspol. Die Spannung
über der Diode ist nun konstant. Die Leistung dieser Schaltung ist begrenzt und deshalb
oft für Referenzspannungen eingesetzt.