Lindner

~3
602
Leitung d
Thenn lernente ignen 'i _h be ond r gut zur emp rarunne ung. \\eil ~ie in klein
Wärm kapazität hab n. und wegen ihre elektrbchen Temp ralur~ ignal ' l.ur eiter erarbeitung in Steuerungen und Regelungen. Die Haupd "u teile k.ommt an den Ort der Temperatunne ung, die Nebenlöt tellen werden autO kon lallter ergleich telllperatur gehalten,
wobei die entspre hende Referenz pannung im JeBgeräl m i l n elcktr nl" h nachgebildet wird.
I
T,
T2 > T,
AbkühJung
Erwärmung
Bild 43.10: P LTlER- ffekt bei gleicher
nUllg wie im BiJd 43.
(G t'-t die Spannung queUe )
nord-
Die Umkehrung de Thermoeffektes i t der Peltier·Effekt (1 3.+). Ein elektri eher Strom
durch ein Thermoelement en\'ärmt eine Löt telle und kiilz/t eine andere ab (Bild 43.10).
Unter Verwendung be timmter Halbleiter (z. B. Telluride oder Selenide VOll Bi mut und
Antimon) wurde der PELTIER-Effekt aI Kühlaggregat techni ch verwertbar.
Beispiele:
1. Die Lötstellen de Thermopaare au Antimon und Bi mut tauchen bei nonnaJem Luftdruck in
siedende Was er und in chmelzende Ej . Wie groß i t die entstehende Thermo pannung?
.l
ach der thermoelektri ehen Spannung reihe wird Uth
= 4. 7 mV -
(- 7. 0 mV
= )1. 7 mV.
2. \Velche eJektri che Strom tärke I fließt durch einen Thermokrei . der aus einem Ei en- und au
einem KODStantanstab von je / = 80 mrn Länge und A = 200 mm 2 Querschnitt fläche be teht? Die
Tempemturdifferenz zwischen den beide Löt teJlen i [50 K.
Die mittlere Thermo pannung bei 6.( = 50 K ist Utb = 2, 7 mV {Tabelle Thermo pannungen). Mit
eFe = O. 1 Q - mm2 Im (Fe) und. eK
O. 5 n . mrn 2 Im (Kon lantan) i l
I = Ufh / R = ULhA / ((QI + (2)1) = 11. 3 A.
=
43.8 Halbleiter
Der spezifi ehe eJektrischeWider tand der Metalle liegt ca. zwi chen 10- 2 und 10 5 Q. m
während Isolatoren Werte über 10 16 Q . m haben. Dazwischen befindet ich da Gebiet
der Halbleiter 00-4 bi J07 Q . m) zu denen eine Vielzahl von Elementen Salzen und
MetaII erbindungen (Oxide. Selenide u. a.) gehören. Der wesentliche nler, chied zu den
Metallen und den Flüs igkeiten be teht jedoch nicht im pel.ifi ehen Wider tand ondern
beruht auf ver chiedenen Eigenheiten de Leitungsmechalli mus ( . auch 51.6.2).
Germanium (Ge) und Silicium (Si) au der vierten Gruppe de Perioden y tern gehören
zu den wichtig. ten Halbleitermaterialien. Daher beziehen ich folgende Darlegungen auf
Vorgänge in die en Stoffen. Die erläuterten Zusammenhänge können sinngemäß auf andere
Halbleiter übertragen werden, zu denen einige Elemente der dritten und vierten Gruppe 0wie auch einige au die eo gebildete Verbindungen gehören (z. B. Indiumantimonid (InSb),
Galliumar enid (GaAs) u. a.). In der Elektronik haben die Halbleiterbauelemente wegen ihrer größeren Zuverläs igkeit, der Möglichkeit der Miniaturisierung und Integrierbarkeit
(Mikroelektronik) und de damit verbundenen äußer t geringen Lei tung bedarf. 'hrer
43.8
Halbleiter
603
ökonomischen Her teIlung in großer Stückzahl und zu geringsten Prei en owie ihrer universeLLen Anwendbarkeit die Elektronenröhren bi auf wenige Au nahmen verdrängt. Bei
Einsatz von Halbleiterbauelementen und Baugruppen ist zu beachten, daß ihre Eigen chaften und Kennlinien stark temperaturabhängig sind.
43.8.1
Eigenleitung
Der Kristallaufbau eines chemisch reinen Halbleiters entspricht dem de Diamantgitter..
Bei tiefsten Temperaturen verhalten sich die Halbleiter wie Isolatoren. Die Bindung jede
Atom an die vier Nachbaratome erfolgt durch die vier Elektronen der äußer ten Schal .
Es entstehen vier Paarbindungen (Bild 43.11). Mit zunehmender Temperatur werden dur h
Energiezufuhr immer mehr Elektronen aus ihrer Bindung befreit. Die thermi che Energie
muß dabei über der Aktivierungsenergie liegen. Diese wird Bandlückenenergie (Bandlücke
Gap-Energie) Ea genannt (s. auch 51.6 Bändermodell). Sie ent pricht der inneren Bindungsenergie des Elektrons an das Atom. Damit tehen die Elektronen al Leitung elektronen zur Verfügung. Im Gegensatz zu den Metallen nimmt al 0 der pezifi che Wid r land
der Halbleiter mit steigender Temperatur ab (bei 20 oe i t er für Ge etwa 0,5 Q . m). Diese Eigenleitung beruht aber nicht allein auf freien Elektronen. Jedes au. einer Bindung
befreite Elektron hinterläßt an einem Gitterplatz ein Loch, Defektelektron oder Elektronenfehlstelle genannt. Diese Paarbildung (Generation) i t die Ursache der Eigenleitung
(Bild 43.12).
Bild 43.11: Modell eines HalbleiterkristaLl
bei sehr tiefen Temperaturen. Die Bindung elektronen sind auf den durch Linien symbolisierten Kristallbindungen zu denken.
Bild 43.12: Modell bei Zimmertemperatur.
Durch Aufnahme thermi cher Energie entstehen freie Elektronen und Defektelektronenlöcher.
Ursache der Eigenleitung sind durch thermische Energie im uoge törten Gitter
des Halbleiterkristalls freigesetzte Elektronen und Defektelektronen.
Beim Anlegen einer elektrischen Spannung bewegen sich die Elektronen zum po iri\'ell
Pol. Die Defektelektronen werden durch ur prünglich noch gebundene Elektronen ou gefüllt, welche ihrerseit ein Loch hinterla en. E i. t 0 al ob ein elektri cher trom po;tiver Ladungsträger zum negati en Pol fließt (Bild 43.13). Statt der wirklichen Bewegung
- -_...,-_. _--_.,_.
. _=,.,--=._=_._--=._=._.,=._,..
_,---~--=
=_ ._=
-_.=-~===~-=~-==~--=========---
der vielen Elektronen erfaßt man daher bequemer die Wanderung' der Defektelektronen
Löcher. Bezeichnet man die Elektronenzahldichte (Elektronenkonzentration) rillt 11
und die Defektelektronenzahldichte (Defektelektronenkonzentration) mit p 0 gilt bei
reiner Eigenleitung
In
e
= p = ni
Eigenleitungsdichte (Inversion dichte,
Ladungsträgerzahldichte
__ Richtung des elektrischen
feldes
I.f'
\:!/
(43.17)
Bild 43.13: Flächenhafte M delldar teHung der Bewegung von Elektronen und cheinbare Bewegung
der Defektelektronen
Im reinen Halbleiter wird ni = ni (T) auch al intrinsi che Trägerdichte bezeichnet. nj
hängt stark von der Temperatur ab. Für die Temperaturabhängigkeit gilt (k i t die BOLTZMANN-Kon tante)
Temperatu rabhängigkeit
der Inversionsdichte
(43.18)
Der Materialwert /liD i t 1,5 .1021 1/ (m 3 . K3 / 2 ) für Germanium, 4 6 .1021 1/ (m 3 . K3 / 2 )
für Silicium und 3,3.1020 1/(m3 . K3 / 2 ) für Galliumarsenid. Für Si nimmt die Inver ion dichte nj von 300 Kauf 400 K rund um den Faktor 300 zu! Bei 300 K i t nj für Ge etwa
2,2.10 19 1/ m 3 für Si rund 1 1 .10 16 l / m- 3 .
Im Halbleiter findet gleichzeitig zur thermi chen Bildung (Generation von Ladung trägern ein gegenläufiger Prozeß statt. Es handelt ich um die Wiedervereinigung (Rekombination) von Ladung trägerpaaren (Elektronen und Defektelektronen). Die Anzahl der
Paarerzeugungen je Volumen- und Zeiteinheit wird Generationsrate g = g(T) die ent prechend Größe bei der Rekombination Rekombination rate r = r(T) genannt. Die Rekombinationsrate r i t um 0 größer je größer Elektronenkonzentration n und Defektelektronenkonzentration p ind: r = anp (a ist ein Materialwert). Da beide Proze e gleich eitig
stattfinden, teIlt ich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem g = r i t. Die bedeutet aber
daß da Produkt au der Elektronenkonzentration n und der Defektelektronenkonzentration
p bei fe ter Temperatur kon tant i t. E gilt al 0 nicht nur für den Fall der reinen Eigenleitung (hjer erkennt man die folgende Gleichung ofort au (43.17) ondem mit nj = Jr / a
allgemein (und die i t be onder wichtig bei der Sf"rleitung in 43.8.2
UVJ
np
fu
2 3= nj2 = niOT
e kT = const.
für
T
= con
t.
4 .19)
Massenwirkungsgesetz der Ladung trägerkonzeotration
Das Produkt aus Elektronenkonzentration n und Defektelektronenkonz ntration p ist bei gleichbleibender Temperatur kon taot und gleich dem Quadr t
der Inversionsdichte.
Nach (43.10) gilt für den pezifischen elektri chen Wider tand der Metalle (} = _1_ . Rd
Il U
den Halbleitern müssen al Ladungsträger Elektronen (Beweglichk it LI _ und D fe
tronen (Beweglichkeit u+) berücksichtigt werden. E wird somit {} =
e(/lLl _
bei reiner Eigenleitung
I
Spezifischer elektri cher Wider 'tand
(2=-----
enj(u_
I
+ pu
+ u+)
)
und
4•. 20)
Die Beweglichkeiten u_ und U+ ind im Gegen. at7 zu nj und damit 11 und p 'rhülLni mrßig gering von der Temperatur abhängig. Man kann die Beweglichkeit Li b i d r t rnp {' tur T aus der Beweglichkeit U300 bei der Temperatur 300 K annähernd nach der Jeichun'
u = u300(T /300 K) - 3/2 berechnen. Die folgende Tabelle nthäJt inige Dat n für di 11 J leiter Ge, Si und GaA , dazu zum Vergleich diejenigen v n u. Zu beachten ind ni hl nur
die unterschiedliche Ladung trägerdichte für die einzelnen toffe ondern auch di Uill , schiedlichen Beweglichkeiten der Elektronen und d r Defektelektr n 'n bei ein In (( n.
Materialwerte für einige Halbleiter und für Kupfer bei 300 K
Stoff
Ge
Si
GaAs
Cu
Ladung trägerdichte
n in 11m 3
Beweglichkeit in m2 /Wb
u_
u+
QtnQ · m
EG in e
22.
, 10 19
1 1 . 10 16
2 , 1.1012
11 ,4.1028
0,39
0,14
0,91
0,0032
0.19
0.06
0,04
0.4
500
300
1. 72 · lQ-
°I. ) 1
1. 2
0
Die Eigenleitung be timmt zum größten Teil die Leitfahigkeit von HaJbl iter i er länd n
mit au geprägter Temperaturabhängigkeit (Thermi toren). Es gi t w h1. T -\ id r tänd
(Heißleiter) als auch PTC-Wider tände (Kaltleiter). Die emperaturabhanglgkeit kann dur h
folgende Gleichung be chrieben werden:
Temperaturabhän i keit d
Widerstand eine Tbermi t r
(4 .21)
Hierin i t R der Wider tand bei der Temperatur T (in K). Ro der Wid r tand .j To = 29 K
und B die ogenannte Energiekon tante, ein Materialwert in K.
-
- - - - - - c;;>
.
- -- - -- -
- -..
TC-Widerstände werden u. a. zur Temperaturme ung. zur rb it punkteinst lJung in
elektroni chen Schaltungen u w. verwendet. Sie be tehen au Mi eh iden (Typ AB 204.
z. B_ mit A = i und B = Mn und ind au h häu g n-L iter V. B. au ' F 20 3 mit einem
Zu atz von Ti02).
Sogenannte Fotowider tände erhöhen ihre Leitfähigkeit beim uftreffen n Licht (. . Innerer Fotoeffekt Ab chnitt 47.3).
43.8.2
törleitung ( törsteUenleitung)
Bei der Störleitung handelt e ich um die Erhöhung der Leitfähigkeit dur h gezieltes
Einbauen von Fremdatomen anderer Wertigkeit in da ierwertig Gitt r de vorliegenden
Halbleiter. Es werden dafür Elemente der 3. und 5. Gruppe genutzt.
Das gezielte Einbringen von Fremdatomeo in ein Kri tallgitter heißt Dotierung.
Bild 43.14: Mit Donatoren dotierter Halbleiterkristall (n-Leitung)
Bild 43.15: Mit Akzeptoren dotierter Halbleiterkritall (p-Leitung)
Bei der Störleitung wird unter chieden in
n-Leitung (Bild 43.14)
p-Leitung (Bild 43.15)
Atome der 5. Gruppe haben 5 Valenzelektronen.
E. wird auf etwa] 05 Gitteratome I Fremdatom
gebracht, bei dem nur 4 Elektronen Valenzen
(Bindungen) bilden. Da 5. Elektron teht al
Leitung elektron zur Verfügung und erhöht die
LeitHihigkeit we entlieh.
Atome der 3. Gruppe haben dagegen nur 3 äußere Elektronen. Bei gleicher Dotierung wie bei
der n-Leitung mü ' en jetzt zu ätzliehe Defektelektronen gebildet werden, die ihrer eit die
Leitfähigkeit erhöhen.
Elektronenspendende Fremdatome heißen Donatoren. Die in Überzahl befindlichen Elektronen ind Majorität träger, die Defektelektronen Minoritätsträger.
Elektrol1enaufnehmende Fremdatome heißen
Akzeptoren. Die Defektelektronen iod jetzt
die Majoritätsträger und die Elektronen die
Minoritätsträger.
,;:; • u
607
11cc::rOIC:t '''''I
n-Leitung (Fort etzung)
p-Leitung Fortsetzung
Beim n-Leiter liegt ein ,.. berschuß an freien
eitun elektronen vor. Die Leitfähigkeit
erfolgt prakti eh durch die Elektronen.
( . auch Bändermodell 51.6.2)
Bei piele für Donatoren: P, AL, Sb
Mit no al Volumenkonzentrati n der Donatoren wird die Konzentration der Elektronen
Elektronenkonzentration
(Majoritätsträgerkonzentration)
Au (43,19 ergibt ich für die Volumenkonzentration der Defektelektronen p
n~
p~_1
nD
«n
1
e1l0U -
Mit nA aI Volum nk nze ntrat i n der k:. 1'10ren wird die Koruentration der D ,,( 'ktclektr nen
f, t
ktronenk nz ntr tio
ajoritä rä r onz nfr ti n
Au (43.19) ergi t ich für die Volum 'nkonl. ntration der Eleklr nen Tl
Il~
n~
Defektelektronenkonzentration
(Minoritätsträger onzentration)
Der pezifi che Wide land i t dann
Q~--­
Beim p-Leiter liegt ein ..
cbuß an
fektelektronen or. Di L it 'hi k it
erfolgt bier prakti eh durch di
Defektelektronen.
Bei piele für Akzept ren: In. B. Ga
Spezifi eher
bzw.
ider tand
_1
«p
"A
lektron nkonz n r t'
linoritii trä~el·KOI1L..:n
Der pezifi ' he Widl:rtand i 't dann
1
ticm
..,ynnd
Q~--­
nn ..
en 1I+
bzw.
Leitfähigkeit
Lcitfahigkeil
Die Au agen über die Konzentrationen der Majorität träger und drin rität trä er )1len an einem Bei pie1 veran chaulicht erden.
Beispiel:
Bei 300 K i t bei Ge 11 = P ~ 2· lO19 l / m3 • darau n I2 ~ -+. HP 1/ m6 .Di V lurn n n1 nI .ti n
der Atome i t "Atom ~ 4,4.102 l/m3 . Wird mit P d tiert,
daß auf 106 G - t m 'in f - r In
22
3
kommt, wird no ~ 4.4,10
l /m . E '; ird p ~ I1f/ 17 o = 4· IO~ /(4.4.10 22 I / rn ), .11 0
16
3
P ~ 10 l / m . Der Vergleich on p mit llo ~ 1l zeigt. daß die Maj riläl! träg rdi ht
Faktor rund 4 . 106 größer i t a1. die Minorität~trägerdichte p. B i p-L it m ind di
ent prechend.
43.8.3
pn-Übergang, Dioden
Von be onderer techni cher Bed utung ind Halbleit rm talle, in d n nein p ~ bi
mit
Akzeptoren dotiert) und ein n-Gebiet mit D natoren d tiert) ullm;lIeJhar
inan ' r
grenzen. Derartige pn-Übergänge ind die Grundlage für alle Bip lar-Bau I m .nt
. ßipolartran i tor, Ab chnitt 43.8.4). In die Grenz hicht diffundier n aufgrund ihr'r
bewegung Elektronen in den p-Leiter und Defekt lektr nen in den n- iter hin in,
bildet ich im p-Leit r ein dünn Zone mit negati\ier und im ß- iter ein mit
Raumladung (im p-Gebiet bleib n "rtli h ge undene n gati 'e
z pt rat mc zum '. im
n-Gebiet örtlich gebundene po iti e D natorat me . Hat da ent t hende inner I tri h
Feld eine be timmte Feld tärk rreicht, ind Feld. tr mund iffu iontr m I ich. Je
durch da Feld hervorgerufene Diffu ion pannung U wirkt d r Diffu i n strom tärk I()
entgegen und bildet mit einem au der Wirkung d
eId gedacht neId trom in dyn mi he Gleichgewicht. Die Raumladungen blei n damit rhalten. I
uf id n eit n
der Grenz chicht die LadungL träg rdichte gleich.' t It = p. a h dem Bei pi I in 4... 2 i. t
43
608
Leitung des elektrischen Stromes in festen Körpern
in der Grenzschicht die Ladungsträgerdichte nur etwa 2.10 19 11m3 , während in den n- bzw.
p-Gebieten die Ladungskonzentration 1022 11m3 ist. Der Widerstand in der Übergangszone ist also beträchtlich erhöht (etwa Faktor 1000). Zwischen den beiden unterschiedlich
dotierten Gebieten hat sich eine Sperrschicht gebildet (Bild 43.16a).
In einem pn-Übergang entsteht eine Grenzschicht. Die p-Seite lädt sich negativ, die n-Seite positiv auf. Es entsteht ein elektrisches Feld, dem die Diffusionsspannung entspricht (etwa 200 mV). Liegt thermodynamisches Gleichgewicht
vor, sind Diffusionsstromstärke und Feldstromstärke gleich.
o
o
n
p
• 0. •
0
••
• • 0 • • .0
•
..
P
• •• ••
·• ... ••".••
......
•• ...
•
..
...... .
• ••
·00'0 • • • • • _,.
....
41
E>I
••
•• ••
••
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P
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o '" • • • • •
0-00
-~~---
Roumlodung--- -......-~<-....------+n,p
p
n
n
___ erhöhte
Ladungsträger-
dichte
x-- verminderte
x--
x--
Lodungströgerdichte
a)
!J)
c)
Bild 43.16: Modellhafte Darstellung des symmetrischen pn-Überganges und der Ladungsträgerdichten; a) thermisches Gleichgewicht im stromlosen Zustand, b) Sperrichtung. c) Flußrichtung
Bei Anschluß des pn-Übergangs an eine Spannungsquelle gibt es zwei Möglichkeiten:
Polung in Sperrichtung
Polung in Durchlaßrichtung
Äußere Spannung U und Diffusionsspannung
UD haben gleiche Richtung (+-Pol an nLeiter).
Äußere Spannung U und Diffusionsspannung
UD haben entgegengesetzte Richtung (+-Pol
am p-Leiter).
Die Diffusionsspannung wird größer
(U + UD) , die Grenz chicht verarmt noch
mehr an Ladungsträgern. Die Raumladungszone wird breiter und die innere elektrische
Feldstärke größer.
Der pn-Übergang ist in Sperrichtung gepolt.
Die Sperrstromstärke IR i t äußerst gering
und hängt vom Halbleiter, der Dotierung und
der Temperatur ab (bei Ge-Dioden ca. 1 J..lA,
bei Si-Dioden ca. 1 nA).
Die Diffusions pannung wird wegen
U » UD völlig abgebaut, d. h., die Raumladungszone wird mit Ladungsträgern überschwemmt, Es ist keine Raumladung vorhanden, und die innere Feldstärke ist null.
Der pn-Übergang ist in Flußrichtung (Durchlaßrichtung) gepol t. Die FI ußstromstärke lF
wächst erst langsam bis zur Scbleusenspannung Us, um dann exponentiell anzusteigen
(e-Funktion) (Bilder 43.16c und 43.18).
43.8
Halbleiter
609
Der pn-Übergang wirkt als Gleichrichter (Diode). Der elektrische Strom kann
oberhalb der perr pannung U p ( . Bild 43.18 und Z-Diode) nur in einer Richtung Hießen (techni ehe tromrichtung, +-Pol am p-Leiter).
Die Diffu ion. pannung UD hängt im tromlo en Zu tand vom Halbleitemwterial und von
den Dotierung dichten no und nA (Volumenkonzentration der Donatoren bzw. der Akzeptoren) ab. Unter der Vorau etzung daß alle Störatome ionisiert ind (nD ~ n, nA ~ p)
gilt für Uo folgende Gleicbung~
UD
=
kT
e
]n
nn ll A
n ~I
(43.22)
Diffusionspannung
(k Boltzmannkon tante, e Elementarladung, nj lnver ionsdichte)
Der Au druck k TIe wird Temperaturspannung genannt und hat bei 300 K den Wert 26 mV.
40
mA
JO
+20
.....,
lJsp =lJz
10.-1--1
I , I
: -100:
-+
+-
Durch/aB- oder
Flu8kenn/;nie
10
2
-50
-20 IJs lJs
pA
D
V
iJ
- 1If)
Sperrkeflfl linie
12
Bild 43,]7: Ver: uch zur Aufnahme der
Strom tärke-Spannung -Kennlinie einer
Halbleiterdiode D. 1 Sperrichtung (R v
kann entfallen). 2 Flußrichtung (R v ist
zur Strom begrenzung erforderlich)
Bild 43.18: Stromstärke~ Spannung -Diagramm
einer Diode. Die unter chiedHchen Einheiten der
Außwerte und der Sperrwerte ind zu beachten. Bei Temperaturänderung ver chieben ich
die Kennlinien.
Die Schleuenspannung ( . Kennlinien Bild 43.18) hat die Größenordnung der Diffu ion . pannung. Für Ge i t ie 0,2 V bi 0,5 V bei Si etwa 0 6 V bi 0 8 V und bei GaA 1,3 bi
1,5 V.
Bild 43.17 zeigt die Schaltung zur Aufnahme der Kennlinie einer Diode Bild 43.18). Der
Kennlinienverlauf I = f (U) wird bis auf die Unregelmäßigkeiten im Kurvenverlauf an der
Schleusenspannung Us und an der Sperrspannurzg US p (Bild 43.18) durch die SHOCKLEYGleichung recht gut be chrieben. Danach gilt
Sbockley -Gleichung,zur Beschreibung
der Diodenkennlinie
(43.23)
In die er Gleichung i t U die angelegte Spannung und IR die Sättigung perr tram tärke
(oft kurz mit SpelT tromstärke bezeichnet). IR i t von der Dotierung und om Material
610
(i t im Faktor c und in der Gapenergie Ea ( . 43.8.1) enthalten) sowie der Temperatur T
abhängig und wird durch die Beziehung
Sättigungssperrstromstärke
(43.24)
t
I
a)
b)
Bild 43.19: a) Grafi che Dar tellung der
SHOCKLEY-Gleichung b) reale Kennlinie einer Diode
be chrieben (Bild 43.19). Die Gültigkeit der SHOCKLEY-Gleichung ist maßgeblich für die
Anwendung der pn-Übergänge als Gleichrichter. Der pn- Übergang hat für jeden Punkt
der Kennlinie einen Gleichstromwiderstand R = U / I, im Flußbereich auch statischer
Durchlaßwiderstand RF genannt.
Der reziproke An tieg der Kennlinie für ein Wertepaar (l, V) ist der differentielle Widertand rd
Differentieller Widerstand
(43.25)
Wie man leicht erkennt, wird dieser mit zunehmender Steilheit kleiner, d. h., die Leitfähigkeit nimmt zu.
Außer für Gleichrichterschaltungen können Dioden daher auch als nichtlineare Widerstände einge etzt werden. Von den weiteren zahlreichen Anwendungen oll noch die Verwendung al elektroni cher Schalter in Digitalschaltungen durch Übergang von der Sperrzur Flußkennlinie und umgekehrt erwähnt werden.
Z-Diode: Wie schon erwähnt. ind Sperrstrom tärke und Fluß tromstärke tark temperaturabhängig «43.23 und (43.24)). Außer der Möglichkeit eine Durchbruchs der Ladungsträger durch die Sperrschicht bei Polung in Sperrichtung durch thennische Energie vor Erreichen der eigentlichen Sperr pannung beruht das plötzliche tarke An teigen der Sperrstrom tärke ab der ZENER-Spannung Uz zum einen auf dem Zener-Effekt, zum anderen
auf dem Avalanche-Durchbruch. Beim ZENER-Effekt handelt es sich um das Frei etzen von Leitung elektronen durch große elektrische Feldstärken im pn-Übergang (s. Tunneleffekt in 52.5.4). Der Avalanche-Durchbruch ist die lawinenartige Bereitstellung von
zu ätzlichen Ladung trägern durch Stoßvorgänge von Leitung elektronen. Bei einem Zuammen toß mit einem Gitteratom gibt da Elektron einen Teil seiner Energie ab und lö t
ein neue Elektron-Loch-Paar au . Für Aufgaben der Spannung stabili ierung ind pezielle Z-Dioden mit ZE ER-Spannungen zwi ehen 2 und 2000 V entwickelt worden. Dabei
erfordern niedrige ZE R-Spannungen hohe Dotierungen de Halbleitermaterial .
43.8
Halbleiter
611
-da
.,
~
+
p
-
+dQ
•• •
• ••
• •••
••
•••
0
I)
., 0 0
-
., 0 0
() a 0
D
n
" 0
+
-
p,
S
Bild 43.20: Schema der Kapazität diode
Kapazitätsdiode. In Sperrichtung gepolte Dioden haben infolge der Raumladungszonen
eine Kapazität C = dQ/dU (Bild 43.20). Da die Sperrschichtweite s mit steigender Sperrspannung wächst, wird nach C = 808r A / s die Kapazität kleiner. Die en Effekt nutzt man in
vielen elektronischen Schaltungen (z. B. bei elektronischen Abstimmungen zur Frequenzänderung in Schwingkreisen) mit speziellen Kapazitätsdioden aus.
.....
· •• ·•• · ....
.. ..
....
·
• · ··
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p,n
lt1
(
x
n
v
t
bJ
u--cl
Bild 43.21: Schema der Tunnelcliode:
a) Dotierungsschema,
b) Ladung trägerdichte im stromlo en Zu tand,
c) S tromstärke-S pannungs-Kennlinie
Tunneldioden werden als rauschamle Dioden in elektroni chen Schaltungen zur Erzeugung von Schwingungen sehr hoher Frequenz genutzt. Beiderseits de pn-Übergange sind
zwei hochdotierte p- und n-Gebiete vorhanden (in Bild 43.21a durch p+ und n+ bezeichnet). Bild 43.21b zeigt die zugehörige Ladung trägerdichte. Infolge der schmalen Raumladungszonen ist im pn-Übergang eine hohe elektrische Feld tärke vorhanden. So kommt
es auch bei geringer äußerer Spannung zum ZENER-Durchbruch, obwohl die thermi ehe
612
43
Leitung de elektrischen Strome in fe ten Körpern
Energie der Elektronen unter der Energieschwelle (Potentialschwelle) liegt, die ihre Freisetzung bewirkt. Dieses Durchtunneln der Energieschwelle ist mit dem Energietopfmodell
quantentbeoretisch erklärbar (s. 43.6 und 52.5.4).
Bild 43.21 zeigt die Kennlinie der Tunneldiode. Schon bei kleinen Spannungen und auch
bei Polung in Sperrichtung ist ein elektrischer Strom vorhanden, der jedoch in Flußrichtung
bald sein Maximum erreicht. (Die Ladungsträgerdichte in den sehr schmalen hochdotierten
Bereichen i t begrenzt, da die Überlappung von Leitungs- und Valenzband aufgehoben
wird (s. 51.6.1).) Die anfangs vorhandene Raumladung wird abgebaut, und es entsteht das
normale exponentielle Ansteigen der Flußstromstärke eines pn-Überganges.
Fotodioden beruhen auf dem inneren Fotoeffekt und werden mit den Fotoelementen beschrieben (s. 47.3 und 51.6).
Sperrschicht-Detektoren sind spezielle pn-Übergänge, die bei Bestrahlung mit Kernstrahlung leitend werden (s. 53.4).
Lumineszenzdiode (Lichtemitterdiode). Hier handelt es sich um die Umkehrung des inneren Fotoeffekts. Die Beschreibung dieser Diode wie auch noch anderer optoelektronischer Bauelemente erfolgt in 47.3 und 51.6.
43.8.4 Bipolartransistor
Die Transistoren gehören zu den wichtigsten Bauelementen der Elektronik. Aufbau, Herstellungstechniken und Anwendungen sind so vielfältig, daß in diesem Rahmen nur die
wichtigsten Mechanismen der Wirkungsweise geschildert werden können. Bei den Bipolartransistoren sind an der Leitung Elektronen und Defektelektronen beteiligt. Man sagt,
es sind Ladungsträger beider Polarität vorhanden. Ein Bipolartransistor besteht aus zwei
in Reihe geschalteten pn-Übergängen, deren Eigenschaften sich gegenseitig beeinflussen
können. Je nach Zonenfolge der Dotierung unterscheidet man pnp- und npn-Transistoren
(Bild 43.22) . Bipolartransistoren werden in zunehmendem Maße nicht nur als Einzelbauelemente verwendet, sondern in integrierter Form in Schaltkreisen der Mikroelektronik
(Bild 43 .23). Der in Flußrichtung zur sehr schmalen Basis B liegende TeiJ des Transistors heißt Emitter E, der zur Basis in Sperrichtung gepolte Teil ist der Kollektor C. Sie
sind im Gegensatz zu den Elektronenröhren und zu den Unipolartransistoren nicht durch
eine Spannung, ondern durch einen Strom gesteuert. Im folgenden wollen wir den npnTransistor betrachten.
Der Transistor kann in drei Schaltungsarten betrieben werden. Ihre Bezeichnung geschieht
nach dem Teil des Transistors, der sowohl am Eingang wie auch am Ausgang liegt (Bild
43.24). Der Leitungsmechni mus soll ausführlich an der Basisschaltung (Bild 43.24a) beschrieben werden.
Liegt zwischen Bund C die Spannung UCB in der angegebenen Richtung, ist der pnÜbergang 1 in Sperrichtung gepolt (Bild 43.25a). Die Kollektorstromstärke lc ist gleich
der Sperrstromstärke Is p , also praktisch gleich null. Polt man mit der Spannung UBE den
pn-Übergang 2 in FLußrichtung (Bild 43.25b), können viele Majoritätsträger (in diesem
Fall Elektronen) des Emitter durch die sehr dünne Basis in den pn-Übergang 2 gelangen
und diesen mit Ladungsträgern "überschwemmen". Der Emitter injiziert Elektronen. In
der schwach dotierten Basis sind die Elektronen Minorität träger und gelangen durch die