Kap.II Dioden
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BEL Kap. I 1 Rainer Passive Bauelemente 1.1 Widerstände * Begriffe: linear & nichtlinear: Symbol: zB. U-I - Kennlinie: I I U U A: Arbeitspunkt ( UA / IA ) Gleichstromwiderstand RA = Widerstand R = r = diff. Widerstand rA = * Kenndaten Abb.: Nennwerte: 1(4,5) gemäß Normenreihe zB. E 12, E 24 und Farbcode Anlieferungstoleranz: zB. 2 %, 5 % Belastbarkeit: zB. ¼ W, 1W Pel max angegeben meist für übliche Umgebungstemperatur Umg. ( 40°C) festgelegt durch die maximal zulässige Oberflächen-(Schicht-)Temperatur max = Umg. + max.zulässige Temperaturerhöhung Tmax physikalische Grundlage: Für jeden Belastungsfall stellt sich (nach kurzem Erwärmungsvorgang) ein Thermisches Gleichgewicht ein, gekennzeichnet durch: Pel = Pth , d.h. elektrisch zugeführte Leistung = an die Umgebung abgegebe-ne Leistung. Die sich einstellende Temperaturerhöhung T ist direkt proportional dieser Leistung T = Rth * Pth = Rth * Pel mit Proportionalitätsfaktor Wärmewiderstand Rth Thermisches Ersatzschaltbild : Wärme“strom“ Pth (= Pel) durch Wärme“widerstand“ Rth erzeugt die Temperatur“spannungsdifferenz“ T T = Oberfl. - Umgebg. Cth : Wärmekapazität BEL 2 für Betriebstemperaturen oberhalb der festgelegten Umgebungstemperatur U (zB. 30°C ) gilt: Rainer Lastminderungs-(Derating-)kurve: P Die zulässige Verlustleistung muß von Pel max (maximal zulässige, vom Hersteller angegebene Verlustleistung PV ) bis 0 abnehmen, wenn sich die Betriebstemperatur vom festgelegten Wert U bis zur maximal zulässigen Oberflächentemperatur Oberfl des Widerstandmaterials erhöht. Beispiel: PV U Oberfl PV = 2W (festgelegt für Umgebungstemperaturen bis zu 30°C) maximale Oberflächentemperatur: 230°C Gefragt: Rth, Deratingkurve, Pzulässig für eine Betriebstemperatur von 180°C P [W] 2 1 [°C] 0 100 200 Temperaturkoeffizient TK: zB. -20 bis -100 ppm/K für Kohleschichtwiderstände Definition: TK = relative Widerstandsänderung / Kelvin TK = R R20 RT = R20°C ( 1 + TK*T ) T Umrechnung: bei höheren Genauigkeitsanforderungen verwendet man zusätzlich einen quadratischen TK: RT = R20°C ( 1 + 20*T +20*(T)² ) zB. bei Temperatursensoren Zeitliche Konstanz: zB. 3,5 bis 5 % bei Kohleschichtwiderständen bis 10k (DIN 44051/52/53) zusätzliche Toleranz berücksichtigt Alterung , auch gesamten Betriebs -Temperaturbereich Betriebstoleranz = Anlieferungstoleranz + zeitl.Konstanz Toleranzrechnung. Fehlerfortpflanzung worst case - Rechnung Eigeninduktivität / Eigenkapazität : Beschreibung des realen Bauelementes „Widerstand“ durch Zusätzlich zum idealen ohmschen Widerstand R erscheint Induktivität L in Reihe und Kapazität C parallel mit R= l 1 * q und L = µo * A * N² l Abweichungen vom idealen Verhalten (nur R wirksam) tritt erst bei höheren Frequenzen auf in 2 Varianten auf: Ersatzschaltbild: BEL 3 Rainer Abb. bei Drahtwiderständen: L maßgebend (Wickeltechnik!) ab etwa 100 kHz, 1(1) abhängig von der Wickeltechnik bei wesentlich höheren Frequenzen Resonanzerscheinungen zufolge C 1(1) bei Schicht -/ Dickschichtwiderständen: bis 100 ist L, ab 100 C (zB.0,5pF, konst.) maßgeblich Angegeben wird die Abhängigkeit des Scheinwiderstandes Z von der Frequenz f Beispiel: R = 1M, L = 7nH, C = 0.3pF Simulation mit EWB für 1kHz f 10GHz Rauschen : Thermisches Rauschen (ohne Strom) zufolge T > 0 Rauschleistung: Pr th = 4*k*T*f mit k = 1,23*10-23 Ws/K (Boltzmann-Konstante) T abs. Temperatur, f Bandbreite Rauschspannung Urth = Pr th * R = 4 * k * T * f * R 4 nV* R f bei T=300K * k Hz Beispiel: Gefragt Urth eines 10k-Widerstandes bei 27°C und einer Frequenzbandbegrenzung auf 100kHz Stromrauschen bei zusätzlichem Strom: Ur s (Größenordnung zB.0,5µV/V) überwiegt bei Kohleschicht- und Massewiderständen ab I = 10 µA (Nieder-Frequenz-Bereich) Rauschgesamtspannung Ur = Ur th² Ur s² für Schaltungsberechnungen wird der rauschende Widerstand durch idealen rauschfreien Widerstand R(T=0) und Rauschspannungsquelle Uor in Serie ersetzt Ersatzschaltbild: maximal abgebbare Rauschleistung bei Anpassung: Re = R(T=0) Pr = k*T*f PSignal Rauschabstand : [dB] Pr Bauformen: Abb: Festwiderstände: 1(1) Drahtwiderstände Schichtwiderstände ( Kohle-, Metall- ) Dickschichtwiderstände Massewiderstände stellbare Widerstände / Poti’s: Dreh -, Schiebe -, Trimmer * Temperaturabhängige Widerstände homogene Halbleitermaterialien (s.u.), nichtlineare U - I - Kennlinie Heißleiter (NTC): TK0 = -3 bis -6 %/K (bei Zimmertemperatur, T 0 = 300K), stark temperaturabhängig (gegenüber - 20 bis -100 ppm/K bei Kohleschichtwiderständen!) Widerstands - Temperatur Kennlinie I - U Kennlinie: U R [] 106 105 104 103 10 3 102 21012 0 [°C] u 100 200 u Eigenerwärmung maßgebend I BEL 4 Rainer U U (Ursprungsgerade); ab =U wird R = (=tan) zunehmend kleiner I I Umrechnung der R()-Kennlinie in die I-U-Kennlinie punktweise: U ( ) T gegeben ( / R() ): T = -20°C = Pth = Pel U() = Pel * R ( ) und I() = R ( ) Rth bis U = const. R = const. = Beispiel: Welcher Arbeitspunkt (U/I) gehört zu = 60°C (z.B.für Rth = 200K/W)? (60°C/1k) ( / ) Der Zusammenhang R = f() ist auch mathematisch angebbar (fallende e-Funktion) Anwendungsbeispiele: Temperatursensoren („Fremderwärmung“) Anlaßverzögerung in Stromkreisen („Eigenerwärmung“) Kaltleiter (PTC): TK0 = +7 bis +60 %/K im Arbeitsbereich, stark temperaturabhängig R = f() ist mathematisch nicht darstellbar, Umwandlung in die U-I -Kennlinie analog Anwendungsbeispiele: Temperatursensoren Überwachung von Flüssigkeitspegeln, Entmagnetisierungsschaltungen * Spannungsabhängige Widerstände VDR: U-I - Kennlinie nichtlinear gemäß Potenzgesetz R = f(U); R nimmt nit steigender Spannung ab meßtechnische Bestimmung der Kenndaten des VDR siehe z.B. Laborversuch aus GEL Anwendungsbeispiele: Überspannungsschutz, Spannungsstabilisierung * Magnetfeldabhängige Widerstände MDR: Feldplatte Hallgenerator als aktives Bauelement * Lichtabhängige Widerstände LDR Fotowiderstand Fotozelle als aktives Bauelement 1.2 Kondensatoren „zwei gegeneinander isolierte Leiterplatten“ geeigneter Größe zur Speicherung von Ladungen C Für Gleichspannung gilt Q = C*U mit der gespeicherte Energie Wel = *U² 2 du Für zeitabhängige Spannung u(t): dQ = i*dt = C*dU i = C* dt 1 1 Für Wechselspannung û*sint: ideales Bauelemente hat Blindwiderstand jXC = , Betrag C jC * Kenndaten: Nennkapazität: Toleranzen: pf bis kF (Goldkondensatoren) üblich 1% ... 20% für Folien-Kondensatoren + 100% und - 20% für Elektrolytkondensatoren TK: abhängig hauptsächlich von den Eigenschaften des Dielektrikums z.B 10-5 bis 10-3/K (Folienkondensatoren), wesentlich höher bei Elkos Angabe dieser Werte über Farbcode (analog Widerstände), in Klarschrift oder durch Kennbuchstaben je nach Baugröße und Bauform Belastbarkeit insbesondere Spannungsbelastbarkeit für Gleich- und WechselspannungenAngabe z.T. durch zusätzlichen Kennbuchstaben zusätzlich: maximale Flankensteilheit U/t bei Impulsbelastung BEL 5 Rainer * Verluste / Ersatzschaltbild allgemein: Bauelement Kondensator = ideale Kapazität C + Serienwiderstand r ( zB. Elektrolytstrecke) Serieninduktivität L Parallelwiderstand RIsolation Parallelwiderstand RDielektrikum Vereinfachungen: Verluste bei Gleichspannungsbetrieb: im Wesentlichen bestimmt durch Risol (Größenordnung M) || C Kenngröße: direkt Risol oder Eigenzeitkonstante E = Risol *C Beispiel: E = 10h bei C = 100µF Verluste bei Wechselspannungsbetrieb: Kenngrößen: Verlustfaktor tan und Güte Q = Definition: tan = PW PB 1 tan also Verhältnis von Wirk- zu Blindleistung gibt die Winkelabweichung vom rein kapazitiven Verhalten, also vom (idealen) 90°-Winkel zwischen Strom und Spannung wieder. Berechnung von tan in Abhängigkeit von der Frequenz und den Ersatzschaltbildwerten für die beiden folgenden einfachsten Varianten: bevorzugt für Folien- und Keramikkondensatoren: bevorzugt für Elektrolytkondensatoren: Vereinfachtes ESB: CRp ( Rdiel ) Vereinfachtes ESB: C in Serie mit RS Zeigerdiagramm für || Schaltung Zeigerdiagamm für Serienschaltung tan = tan = bei höheren Frequenzen ist zusätzlich die Induktivität LS zu berücksichtigen: BEL ESB: 6 RERS CS Rainer LS = Verhalten eines Serienresonanzkreises Dargestellt wird der Verlauf des Betrages der Gesamtimpedanz Z über der Frequenz im log. Maßstab (ergibt bei idealem Kondensator C einen Abfall proportional 1/2f bzw. eine fallende Gerade) Frequenzabhängigkeit des Scheinwiderstandes: Beispiel: C = 1,5µF 1 bei 1kHz:Z 10 C bei 100MHz: Z L 10 (z.B.) Z/ , log. Maßstab 101 bei Resonanz: Z= RESR = 10m RESR steht für Eqivalent Series Resistor Da in diesem Ersatzwiderstand auch der - zu C parallel liegende - dielektrische Widerstand RDiel mitberücksichtig wird, ist RESR frequenzabhängig. Weiteres Beispiel: 10-1 f,log 10-3 1kHz 1 MHz 100 C = 1µF, L = 6nH, RESR = 10m Simulation mit EWB für10kHz f 100MHz Abb. Verlustfaktoren von verschiedenen Werkstoffen in Abhängigkeit von der Frequenz 3 Nutzbare Frequenzbereiche bei den wichtigsten Kondensatortypen beste Hochfrequenzeigenschaften: Keramik Typ I ( = NDK), Styroflex nur für NF-Anwendungen brauchbar: Elektrolytkondensatoren, Al-Elko nur bis 50Hz (Siebung) höchste Kapazitätswerte erzielbar mit Elkos - in Keramik nur Werte bis nF-Bereich realisierbar Zur Siebung: Tantal (großer Kapazitäswert, wirksam für Brumm) + parallel Keramik (kleiner Kapazitätswert, wirksam für hochfrequente Störspitzen) * Bauformen / Anwendungsklassen: Einteilung gemäß Isoliermaterial, geordnet nach steigendem : Papier Glimmer Kunststoff Cellulose-Acetat (Lack) ( U ) Hostaphan (Polyester) (T) Makrofol (Polycarbonat) ( C ) Styroflex (Polystyrol) (S) Keramik NDK (niedrige Dielektrizitätskonstante) HDK (hohe Dielektrizitätskonstante) Elektrolyt Aluminium- und Tantal - Elko’s (extrem dünne Isolierschicht, extrem große Fläche) Verlustfaktor Frequenzbereich Baugröße Speichervolumen Spannungsbelastbarkeit Bei Folienkondensatoren zuätzlich Einteilung gemäß Elektrode: zB. Alufolie (ohne Kennbuchstabe), aufgedampfte Metallschicht (M) wesentliche Merkmale: BEL Kap.II 7 Rainer Dioden 2.1 Grundbegriffe * Halbleiter: spezifischer Widerstand "zwischen" Leiter und Isolator: 10-6 m < < 108 Leiter: Halbleiter: Isolator: Sehr viele freie Ladungsträger, 1028 - 1029 Ladungsträger / m3, je 1 Elektron / Atom Leitungsband besetzt TK positiv: T größer mehr Stöße größere Reibung T 0 : 0 (Supraleitung !) wenige freie Ladungsträger, 1016 - 1019 Ladungsträgerpaare / m3, Elektronen , Löcher Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband klein ( Leitungsband z.Teil besetzt) TK negativ: T größer mehr Ladungsträger T 0 : (Isolator) fast keine freien Ladungsträger Abstand zwischen Valenzband und nicht besetzten Leitungsband groß * Driftstrom: gerichteter Ladungsträgertransport durch (Halb-)Leiter-Querschnitt zufolge Spannung bzw Feldstärke Zusammenhang zwischen Strom durch und Spannungsabfall am (Halb-)Leiter: Ohmsches Gesetz Berechnung des Driftstromes mit Benutzung atomphysikalischer Größen: A: l: N: vd q: (Halb-)Leiter-Querschnitt Leiterstücklänge Anzahl der Ladungsträger/m3 Driftgeschwindigkeit Ladung eines Ladungsträgers meist = Elementarladung des Elektrons |e| Gesamtzahl der Ladungsträger im Volumen V: Anzahl der Ladungsträger / m Leiterlänge: Anzahl der Ladungsträger, die /sek einen beliebigen Querschnitt A passieren: Leiterstrom I: Stromdichte I = Sdrift = q*N*vd A Ursache von Driftstrom bzw. Driftstromdichte ist die elektrische Spannung U, die am (Halb-)Leiter anliegt bzw. die elektrische Feldstärke E, die im Leiter zufolge der anliegenden Spannung herrscht. Mit Benutzung der makroskopischen Materialgröße G A l gilt das Ohmsche Gesetz: I = G*U Stromdichte: Sdrift = *E Gleichsetzen zeigt: Proportionalitätsfaktor: Ladungsträgerbeweglichkeit µ [ m² ] Vs Sdrift = q*N*µ*E = q*N* gültig für Leiter, Halbleiter, Elektrolyte Abweichung vom ohmschen Verhalten: µ, N nicht konstant, zB Sättigungs-, Lawinen-Effekte BEL 8 Rainer Beispiel: Berechnung der spezifischen Leitfähigkeit i von reinem Si (nur Elektronenstrom): Si = zum Vergleich: reines Cu: µCU = Cu = 0,56*108 Cu = q * NCU S m * Diffusionsstrom: Allgemein: Teichenfluß von einer Region höherer Konzentration zu einer Region niedrigerer Konzentration, verursacht durch die ungerichtete (statistisch verteilte) thermische Bewegung der Teilchen. Hier führt dies zu einem begrenzten Ladungsträgeraustausch an Grenzflächen unterschiedlicher Ladungsträgerkonzentration N = N(x): N[m-3] Ergebnis: örtlich begrenzter Ausgleichsstrom x[µm] Teilchenfluß gemäß: Fick'schem Gesetz: Proportionalitätsfaktor: Diffusionskoeffizient D [ Diffusions-Stromdichte: m² ] s Sdiff = -q*D* dN dx * Eigenleitung: tritt auf in reinen Halbleitermaterialien (kovalente Bindung), die im Periodischen System der Elemente bei den 4-wertigen Elementen zu finden sind, zB. Si, Ge bzw. in III-V-wertigen Verbundhalbleitern zB. GaAs Gruppe III IV Anzahl der Elektronen V Vierwertige Elemente: In der äußersten Elektronenschale (häufig nicht voll besetzt) befinden sich 4 Valenz-Elektronen je Atom. Jedes dieser 4 Valenzelektronen verbindet sich mit je einem Elektron der 4 nächsten Nachbaratome zu einem stabilen Eletronenpaar. Auf Grund dieser - energetisch günstigsten - Konfiguration kristallisieren diese Elemente in der Struktur eines Diamantgitters aus. Zweidimensionale Darstellung(Si): Bei T = 0: Si-Kristall ist Isolator: Energiezufuhr durch (kleines) el.Feld reicht nicht aus, um die Elektronenpaarbindung aufzubrechen. Energiezufuhr durch Erwärmung (thermische Energie) oder andere Energieformen führt zum Aufbrechen einzelner Paarbindungen: Bildung von im Kristall beweglichen Ladungsträgerpaaren: Elektronen + Elektronenfehlstellen (Löchern) BEL 9 Rainer Bei Anlegen einer Spannung fließt ein Driftstrom = Elektronenstrom + Löcherstrom Die Leitfähigkeit ist festgelegt durch die stark temperaturabhängige Dichte der Ladungsträgerpaare (Ni) = Elektronendichte (ni) =Löcherdichte (pi) des eigenleitenden (intrinsic) Materials. Strom durch Halbleiter: + - Rekombination / Paarbildung an den Anschlüssen der Zuführungsleitungen (Elektronenstrom!) Zahlenwerte für T = 300 K: Ni 1,5*1016 Paare/m3 bei Si 2,5*1019 Ge 1 *1013 GaAs bezogen auf etwa 5*1028 Atome/m3 * Störstellenleitung: gezielter Einbau von Fremdatomen bei hohem Reinheitsgrad des Ausgangsmaterials (10-10) n-Halbleiter 5-wertige Donatoratome (zB As, P) ND Atome/m3 zusätzliche Elektronen, bei Zimmertemperatur frei beweglich im n-Halbleiter mit Elektronenkonzentration n ND (häufige Dotierungsart) Löcherkonzentration p (thermisch erzeugte Ladungsträgerpaare) durch Rekombination stark reduziert p-Halbleiter 3-wertige Akzeptoratome (zB In, Ga, Al): NA Atome/m3 bei Zimmertemperatur besetzen benachbarte Valenzelektronen die Fehlstellen und erzeugen zusätzliche frei bewegliche Löcher im p-Halbleiter mit Löcherkonzentration p NA Elektronenkonzentration n stark reduziert Grundgleichung für die resultierenden Ladungsträgerkonzentrationen n und p im Störstellen-Halbleiter für das thermische Gleichgewicht: p*n = Ni2 Ni² n N i² p-Halbleiter. Majoritätsträger = Löcher, Dichte p NA, Minoritätsträger = Elektronen, Dichte n p n-Halbleiter: Majoritätsträger = Elektronen, Dichte n ND, Minoritätsträger = Löcher, Dichte p Beispiel: Si mit Ni = 1016/m3, dotiert mit As, ND = 1020/m3 = für die Eigenleitfähigkeit (s. Driftstrom)ergab sich i = 0,234*10-3 S/m * p-n Übergang: räumliche Kombination von p- und n-Material genauer einheitlicher Halbleiterkristall mit zwei unterschiedlich dotierten Bereichen (technisch hersgestellt zB. durch Aufkristallisieren von p-Material auf n-Substrat): BEL 10 Rainer p- und n-Halbleiter nebeneinander Störstellen Konzentration p-n - Übergang Störstellen Konzentration x=0 x=0 Potential Der Ladungsträgerkonzentrationssprung an der Grenzfläche erzeugt zunächst Diffusionsströme: Löcher vom p- in n-Bereich, im p-Bereich verbleiben neg.geladene Akzeptorionen Elektronen vom n- in p-Bereich, im n-Bereich verbleiben pos.geladene Donatorionen x=0 Ladungstrennung - n-Bereich (rechts) läd sich positv gegen p-Bereich(links) auf - führt zum Aufbau eines elektrischen Feldes gerichtet von der positiven Raumladung (rechts) zur negativen (links) Dieses Feld wirkt gegen die Bewegung der Diffusionsströme, diese nehmen ab bis im thermischen Gleichgewicht die Kraft auf Grund des elektrischen Feldes die Kraft, erzeugt durch das Konzentrationsgefälle genau ausbalanciert. Diffusionsspannung UD : zugehörige Potentialdifferenz zwichen n- und p-Bereich (s. Potentialverlauf). Der Raumladungsbereich links und rechts von der Kontaktfläche stellt gleichzeitig eine ca.1µm breite Sperrschicht, frei von beweglichen Ladungsträgern dar infolge fast 100%iger Rekombination Diffusionsspannung UD abhängig von abs.Temperatur T und Dotierungsverhältnissen Ni, NA und ND Bei T = 300 K gilt: UD 0,7V für Si UD 0,3V für Ge * p-n Übergang an äußerer Spannung U: Polung in Sperrichtung: p-Bereich an n-Bereich an + Verbreiterung der Sperrschicht: Äußeres Feld zufolge U (konzentriert auf Sperrbereich!) verstärkt inneres Gegenfeld zufolge UD Diode sperrend: abgesehen von minimalem Sperrstrom zufolge Eigenleitung (Diode für Minoritätsträger in Durchlaßrichtung!) nA-/ µA-Bereich bei Si / Ge; starke Temperaturabhängigkeit: in etwa Verdoppelung pro 10 K Polung in Vorwärtsrichtung: umgekehrte Polarität Abbau der Sperrschicht: Äußeres Feld reduziert inneres Gegenfeld Diode leitend: p- und n-Diffusionsströme über die Grenzfläche; Minoritätsträgerspeicherung und Rekombination im Übergangsbereich; Majoritätsträgerströme im restlichen p- und n-Bereich BEL 11 Rainer * U-I Kennlinie der Diode: IF /mA gemessener Kennlinienverlauf: graphische Darstellung für Vorwärts- (1.Quadrant) und Sperr-Richtung (3.Quadrant) 10 UR /V UF /V formelmäßige Beschreibung nach Shockley: e I = IRS* [ U UT 100 0.3 0.7 1 -1] IRS: Sperr-Sättigungsstrom (Material,Geometrie, abs. Temperatur T0) k *T UT = : Temperaturspannung 26mV e bei T0 = 300 K Näherung für Durchlaßbereich (forward): 10 IR /µA(Ge)bzw.nA(Si) IF I RS* e UF UT gültig für U = UF > 0,1V Dyn.Durchlaßwiderstand rd: rechnerisch zu ermitteln aus dem Kehrwert von dIF dUF UT 26mV Arbeitspunktabhängig! IF IF Abweichung vom exponentiellen Verlauf ab etwa 10mA infolge der Halbleiter-Bahnwiderstände Temperatureffekte: starke Temperaturabhängigkeit der Kennlinie zufolge der Abhängigkeit IRS (und, weniger UT) von T: iD Verschiebung der Kennlinie um 2mV nach links pro K siehe Sperrstrom des p-n-Übergangs rd = Schaltverhalten: Speicherung der Ladungsträger im Übergangsbereich im Vorwärtsbetrieb der Diode führt zu verzögertemAusräumen dieser Ladungen beim Umschalten in den Sperrzustand: Rückwärtserholzeit trr (reverse recovery) Näherung für Sperrbereich (reverse): IR -IRS gültig für U = -UR < -0,1V Verhalten im Durchbruchbereich wird nicht erfaßt (Lawineneffekte) Diodenersatzschaltbilder / Simulationsmodelle: Einfachstes Modell: Diode = Schalter Zufolge Nichtlinearität des Bauelementes sind bei Schaltungsberechnungen stets 2 Modelle erforderlich Berechnung des Arbeitspunktes (DC-Analyse): Rechnermodell: ideale Kennliniengl.(Shockley) mit angepaßtem IRS und leicht modifiziertem UT vereinfachtes Modell: stückweise lineares Modell, siehe Punkt 4) Anwendungsbeispiele rd Kleinsignal-Ersatzschaltbild für geg. AP (AC-Analyse): dQ zB. bei AP im Durchlaßbereich einfachstes Modell: rd || Cd mit Cd = Cd dUD Cd : Diffusionskapazität: gespeicherten Ladungen in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung UD 2.2 Angaben in den Datenblättern: t BEL beinhalten * * * * 12 Allgemeine Angaben: typische Kennlinien: absolute Grenzdaten, Kenngrößen, stat./dyn: Rainer Abmessungen, Anschlüsse, Gehäuseart, Anwendungen... U-I Kennlinien, Temperaturabhängigkeiten.. die nicht überschritten werden dürfen für den Betrieb in typischen Anwenderschaltungen Beispiel: 1N4148: Si (Planar) Universaldiode für kleine Ströme Kennlinien: IF = f(UF), IR = f(UR) in lin.-log.Darstellung mit Streugrenzen Abb: UF = f(T) mit Parameter IF 7 absolute Grenzdaten: für Sperrspannungen und Durchlaßströme (=, , pulsf., Mittelwerte) Verlustleistung Ptot, Sperrschichttemperatur ( Rth, Deratingkurve) Kenngrößen, stat.: Durchlasspannung UF für geg. IF ,Sperrstrom IR für geg. UR, UDurchbruch dyn.: Kapazität, Richtwirkungsgrad, Schaltzeiten (trr) 2.3 Diodentypen: * Gleichrichter- und Schalterdioden: zB. Si-Flächen-Diode, Ge-Spitzendiode, Epitaxial-Planar-Diode Einteilung nach Material, Herstellungsverfahren, Aufbau. * Z - Dioden: IZ mA Ptot Ausnutzung des scharf ausgeprägten, reversiblen Spannungsdurchbruchs im Sperrbereich 100 UZ- IZ Kennlinie = Sperrkennlinie (Darstellung im1.Quadr.) zB: Typreihe BZX 55 mit gestaffelten Z-Spannungen (zB.E6) zwei Arten von Spannungs-Durchbrüchen: Zener-Effekt (Feldemission) bis zu UZ0 = 5V (TKU neg) Avalache-(Lawinen-)Effekt (Stoßjonisation) ab 5V(TKU pos) UZ dynamischer Z-Widerstand: rZ = im Durchbruchbereich IZ 0 (Arbeitspunkt): rz = rzj + rzth rzj inhärenter Z-Widerstand: bei konstanter Temperatur rzth thermischer Z-Widerstand, zufolge Temp.Koeff. TKU der Z-Spannung UZ0 Ersatzschaltbild (für Sperrichtung): Serienschaltung von UZ0 und rZ * PIN-Dioden: 20 10 UZ V UZ0 rz stark dotierte p+ und n+ Bereiche durch extrem schmalen Intrinsicbereich getrennt Anwendung in gleichstromgesteuerten HF-Dämpfungsgliedern, optische Nachrichtentechnik * Schottky-Dioden: spezieller Metall-Halbleiterübergang (Randschichtphänomen) sehr schnelle Dioden mit Diffusionsspannungen ähnlich Ge Hauptanwendung bei Schottky-TTL-Schaltungsfamilie * Tunneldioden: stark dotierte p++ und n++ Bereiche mit extrem schmaler Sperrschicht Tunneleffekt (Quantentheorie) U-I Kennlinie mit bereichsweise fallender Charakteristik neg.diff.Widerstand * Kapazitätsdioden: spezielle Si-Dioden mit besonders ausgeprägter Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität von der angelegten Sperrspannung; Anwendung bei elektronischer Abstimmung, automatischer Nachstimmung * Photodioden : Innerer Photoeffekt: Ladungsträgererzeugung in Sperrsch. durch Photonen Kennlinienfeld: IR = f(UR), Parameter Beleuchtungsstärke B [lx] * Lumineszenzdioden (LED): BEL 13 Rainer Lichtemission zufolge freiwerdender Rekombinationsenergie, Diode in Durchlaßrichtung, Diffusionsspannungen ab etwa 1,5V Farbe (Lichtwellenlänge) festgelegt durch Bandabstand, zB. infrarot bei GaAs * Laserdioden: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation; Abgabe von kohärentem Licht Hauptanwendung : Nachrichtenübertragung in Lichtwellenleitern (LWL) 2.4 Anwendungsbeispiele (Laborversuch): * Einweggleichrichterschaltung mit Si-Diode: Schaltung: Dioden ESB für Durchlaßrichtung: Diskussion der Schaltung: ohne Siebkondensator: u(t)[V] für rF<<RL= 1k u0(t) = 3V*sin(t), f = 2kHz 3 Berechnung des Stromflußwinkels : 2 1 0.7 tt 0 /2 0 T/2 3/2 2T mit Siebkondensator CL: Ladungsspeicherung während Sperrphase Ausgangsspannung uA(t) bei Leerlauf (RL ) geht gegen û0-US 2,3V, sonst periodische Aufladeimpulse im Abstand T und dazwischen Entladung von CL über RL mit der Zeitkonstan-ten = RL*CL Beispiel:CL = 0,1µF = uA(t) 0 nach jedem Ladeimpuls T= für großes CL z.B. CL = 10µF prinzipieller Verlauf: kurze (unsymm.)Stromladeimpulse geglättete Ausgangsspannung Glättungsfaktor G proportional T IL Brummspannung UBrSS CL * f u(t)[V] 3 2 1 tt 0 0 /2 T/2 3/2 2T 5/2 BEL 14 Rainer * Stabilisierung mit Z-Diode: Stabilisierungsschaltung: = Meßschaltung zur Ermittlung des Stabilisierungsfaktors S Def.: Glättungsfaktor G: G= Schaltung: Z-Dioden ESB für Durchlaßbereich UE UA Relativer Glättungsfaktor U E = Stabilisierungsfaktor S: S = UE U A UA Graphische Bestimmung (für RL ): I mA aktiver Zweipol: Uo = UE-GL, Ri = RV passiver Zweipol(nichtl.): Z-Dioden-Kennlinie Schnittpunkt = Arbeitspunkt AP Arbeitspunktverschiebung auf der ZD-Kennlinie gemäß der Änderung der Eingangsspannung UE UE Zur AP-Verschiebung gehörende Änderung der Ausgangsspannung UA UA UZ0 UE Berücksichtigung von RL durch RL , RL RV Ri’ = RV|| RL resultierenden aktiven Zweipol: U0’ = U0* oder Original-Zweipol und graphischer Ermittlung der Parallelschaltung von Z-Dioden-Kennlinie und RL Meßtechnisch wird UE durch eine zusätzliche in Serie geschaltete Wechselspannungsquelle UE-W realisiert. UE und UA werden mittels Oszilloskop Als Spitzenwerte UE-W SS und UA-W SS abgelesen. Rechnerische Lösung: Ersatz der Z-Diode durch obige Ersatzschaltung und Berechnung des Kreises ( ohne UE-W) nach Kirchhoff liefert den Zusammenhang zwischen Eingangsspannung UE und Ausgangspannung UA an RL. dUE UE Differentiation =G dUA UA UA RV RV Ergebnis: G 1+ und S= * (1+ ) UE rZ rZ U V
