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-DiodenDioden sind Bauelemente, durch die der Strom nur in eine Richtung fliessen kann.
Sie werden daher häufig in Gleichrichterschaltungen eingesetzt. Die Bezeichnung
Diode ist aus der griechischen Silbe "di"= zwei und der Endung des Wortes
"Elektrode" zusammengesetzt.
Die Dioden werden aus Halbleiterwerkstoffen hergestellt. Diese Materialien haben
spezifische Widerstände im Bereich zwischen den spez. Widerständen von
metallischen und den spez. Widerständen von nichtmatallischen Isolatoren. Die
wichtigsten Halbleitermaterialien sind Silizium und Germanium. Reines Silizium
und reines Germanium haben unter normalen Bedingungen nur wenige freie
bewegliche Elektronen. Daher sind sie als schlechte elektronische Leiter zu
bezeichnen. Durch gezielte Verunreinigungen des reinen Ausgangsmaterials lassen
sich aber Halbleiter herstellen, die einen Überschuss einer bestimmten Ladung
besitzen. Durch diese Verunreinigung ist es möglich, Art, Anzahl sowie
Beweglichkeit der Ladungsträger und damit auch den spezifischen Widerstand von
Halbleitern zu variieren.
-Strom- und Spannungsmessung bei einer Halbleiterdiode-
Diese Halbleiterwerkstoffe werden entsprechend ihrem Leitungsmechanismus als
n-Halbleiter (mit negativen Ladungsträgern) und p-Halbleiter (mit positiven
Ladungsträgern) bezeichnet. Sowohl in den n-Halbleitern als auch in den pHalbleitern hängt aber die Stromrichtung wie bei einem metallischen Leiter von
der Polarität der angelegten Betriebsspannung ab. Wird jedoch ein n-Halbleiter mit
einem p-Halbleiter stossstellenfrei zusammengefügt, so entsteht ein elektronisches
Bauelement, durch das der Strom nur noch in eine Richtung fliessen kann, also
eine Halbleiterdiode.
Die Hersteller von Halbleiterdioden geben zu jedem Diodentyp ein Datenblatt
heraus, in dem die wichtigsten Kennwerte und Grenzwerte sowie mehrere
Kennlinien enthalten sind. Grenzwerte dürfen auf keinen Fall überschritten
werden, weil die Diode sonst zerstört wird und damit nicht mehr funktionsfähig ist.
Kennwerte sind Daten, mit denen die Diode im normalen Einsatz betrieben werden
soll. Diese Werte werden auch als charakteristische oder typische Kennwerte
bezeichnet. Die Kenn- und Grenzwerte reichen aber nicht aus , um das Verhalten
und die Eigenschaften der entsprechenden Diode bei den unterschiedlichsten
Betriebsbedingungen ausführlich genug zu beschreiben. Daher sind in jedem
Datenblatt auch noch mehrere Kennlinien angegeben, in denen die gegenseitigen
Abhängigkeiten von zwei oder drei Variablen dargestellt sind. Die Typenvielfalt ist
bei den Hableiterdioden ausserordentlich gross. So gibt es Halbleiterdioden für
Ströme von wenigen Milliampere, die dann aber besonders gut für einen Einsatz
bei sehr hohen Frequenzen geeignet sind. Andererseits werden aber auch
Leistunsdioden für Ströme von mehreren 1000 Ampere gefertigt. Schon hieraus
ergeben sich zwangsläufig sehr unterschiedlich Bauformen von Dioden. Aber auch
die Technologie und die Herstellungsverfahren der Dioden unterscheiden sich
beträchtlich.
So
werden
Spitzendioden
für
den
Einsatz
in
Hochfrequenzschaltungen gefertigt. Flächendioden eignen sich dagegen wegen
ihrer grösseren Eigenkapazitäten nur für niederfrequente Gleichrichterschaltungen.
Die meisten der heute eingesetzten Dioden werden in Planartechnik hergestellt und
lassen sich sowohl in Gleichrichterschaltungen als auch in Impullsschaltungen
verwenden. Bei den grossen Leistungsdioden für Netzgleichrichter sind dagegen
wieder andere Herstellungsverfahren notwendig.
Ausser den Halbleiterdioden für die Gleichrichtung und für Schaltbetrieb wurden
aber auch noch eine Reihe von Halbleiterdioden mit speziellen Eigenschaften
entwickelt, wie z.B. Z-Diode, Kapazitätsdiode, Schottky,-Diode, Tunneldiode,
PIN-Diode, Fotodiode und Leuchtdioden.
Z-Dioden werden zur Konstanthaltung oder Stabilisierung von Gleichspannungen
eingesetzt. Haupteinsatzgebiet der Kapazitätsdioden ist die Ab- oder
Nachstimmung von Schwingkreisen. Sie sind heute in fast allen Geräten der
Unterhaltungselektronik zu finden. Schottky-Dioden werden aufgrund ihrer
speziellen Eigenschaften als schnelle Schalter eingesetzt. Die Kennlinie von
Tunneldioden weicht stark von den Kennlinien aller anderen Halbleiterdioden ab.
Sie dient zur Schwingunserzeugung im Mikrowellenbereich. PIN-Dioden haben im
Bereich von 10 MHz bis 1 GHz einen nahezu idealen ohmschen Widerstand.
Aufgrund dieser Eigenschaft werden sie als regelbare Hochfrequenz-Abschwäche
in Kanalwählern eingesetzt.
-EigenleitfähigkeitBei 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 unter den 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.
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.
Die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters, die allein aufgrund der thermischen
Paarbildung
entstanden
ist,
wird
als
"Eigenleitfähigkeit"
oder
"Intrinsicleitfähigkeit" (intrinsic = im Innern) bezeichnet.
In jedem Halbleitermaterial stehen also zum Ladungstransport sowohl Elektronen
als auch Löcher zur Verfügung. Dieser bioplare Leitungsmechanismus ist im
folgenden Bild beschrieben
-Dotierung von Halbleitern -
n-Halbleiter:
Durch Dotieren eines Halbleiterkristalls mit 5-wertigen Atomen (z.B. Arsen)
entsteht ein n-Halbleiter. Das fünfte Valenzelektron des Arsenatoms wird zu einem
Leitungselektron (Majoritätsträger), das ortsfeste Arsenatom zu einem positiven
Ion.
p-Halbleiter:
Durch Dotieren mit 3-wertigen Atomen (z.B. Indium) entsteht ein p-Halbleiter.
Das Indium entreißt ein Elektron, so dass ein Loch (Majoritätsträger) entsteht.
-Der pn-Übergang - Die HalbleiterdiodeFügt man einen n-Halbleiter und eine p-Halbleiter aneinander, so erhält man eine
Halbleiterdiode. In der Grenzschicht des pn-Übergangs entsteht eine
Verarmungszone von Majoritätsträgern; diese wirkt wie ein Hochohmwiderstand.
-Die Halbleiterdiode als Schaltelement-
Versuch:
Eine Halbleiterdiode, ein Glühlämpchen und ein Strommessgerät werden
zunächst wie in Abb. A) und dann wie in Abb. B) geschaltet.
b)
Es fließt kein Strom, wenn die n-dotierte Seite am Pluspol angeschlossen
ist (Schaltung in Sperrrichtung).
b) Es fließt Strom, wenn die n-dotierte Seite mit dem Minuspol verbunden ist
(Schaltung in Durchlassrichtung).
Erklärung:
Liegt die n-dotierte Seite am Pluspol, so wandern Elektronen und Löcher wegen
des el. Feldes jeweils nach aussen. Die Übergangszone verbreitet sich, es fließt
nur ein geringer Strom. Liegt die n-dotierte Seite am Minuspol, so wandern die
Majoritätsträger in die Übergangszone. Der pn-Übergang wird dadurch leitend.
Zusammenfassung:
Der pn-Übergang hat Ventilwirkung. Er sperrt den Stromdurchgang, wenn der
Minuspol der Spannungsquelle am p-Leiter liegt, er ist leitend (stromdurchlässig),
wenn der Pluspol am p-Leiter liegt.
-Kennlinie einer HalbleiterdiodeVersuch:
Wir untersuchen die Abhängigkeit des Diodenstroms von der angelegten Spannung
:
Kennlinie der Diode:
Die Stromstärke steigt ab einer bestimmten Spannung U, der Schleusenspannung
steil an. Bei einer Umpolung ist die Stromstärke verschwindend klein
(Sperrbereich).
Fachbericht:
~ Halbleiterdioden ~
Name: Berkant A. Nöth
Klasse: FT11A
Schule: Franz Oberthür Schule
Abgabe- Termin: 16. November 2001
Inhalt:
- allgemeines über Dioden-
- Eigenleitfähigkeit-
- Dotierung von Halbleitern-p- Leiter
- n- Leiter
- der pn- Übergang
-die Halbleiterdiode als Schaltelement-
-Kennlinie einer Halbleiterdiode-
-Transistoren-Transistoren als Verstärker
-Transistoren als Schalter
-Der TransistorDer Transistor besteht aus drei Halbleiterschichten, wobei die beiden äußeren
gleich dotiert und durch eine sehr dünne (ca. 1/100 mm), entgegengesetz
dotierte Schicht, getrennt sind. Die äußeren Schichten heißen Emitter E und
Kollektor C, die mittlere Schicht wird Basis B genannt. es gibt pnp- und npnTransistoren.
Wird an einen Transistor eine Spannung angelegt, so entsteht zwischen Basis
und Kollektor eine Sperrzone, Emitter und Basis sind in Durchlassrichtung
geschaltet.
Legt man an den Emitter und an die Basis (Pluspol) eine Spannung an, so können
Elektronen durch die B/C-Schicht diffundieren, es fließt ein Basisstrom und ein
Kollektorstrom.
-Der Transistor als VerstärkerUntersuchung des Zusammenhangs zwischen Basisstrom IB und Kollektorstrom IC :
Versuch:
Gemessen wird der Kollektorstrom IC bei konstanter Kollektorspannung UCE in
Abhängigkeit vom Basisstrom IB.
Ergebnis:
Im untersuchten Bereich ist die Änderung des Kollektorstroms zur Änderung des
Basisstroms direkt proportional.
-Der Transistor als SchalterVersuch:
Schließt man den Steuerstromkreis (Basisstromkreis), so leuchtet die Lampe im
Arbeitsstromkreis (Kollektorstromkreis).
Der Transistor wirkt beim Schließen bzw. Öffnen des Steuerstromkreises als Einbzw. Ausschalter für ein elektrisches Gerät im Arbeitsstromkreis. Statt eines
mechanischen Schalters im Steuerstromkreis wird oft eine Fotodiode (el.
Widerstand nimmt mit der Helligkeit ab) verwendet.
Transistoren finden in der Elektronik fast überall Anwendung. Durch ihre winzigen
Abmessungen, ihre lautlose, wartungs- und verzögerungsfreie Arbeitsweise haben
sie die Elektronik revolutioniert.
Berkant A. Noeth.