Der pn-Übergang: Diode und Transistor Interessante physikalische

Die Halbleiterdiode
Der pn-Übergang:
Diode und Transistor
Interessante
physikalische Effekte
ergeben sich, wenn
eine n-leitende an eine
p-leitende Kristallzone
grenzt.
Die Halbleiterdiode
Das immer bessere Verständnis des
pn-Übergangs hat zusammen mit der
verfeinerten Fertigungstechnik zur
Entwicklung von unzähligen
Halbleiterbauelementen geführt.
Die Halbleiterdiode
Halbleiterdioden wirken im
Stromkreis wie elektrische
Ventile. Sie lassen den
Strom in einer Richtung
durch (Durchlassrichtung),
bei anderer Polung sperren
sie (Sperrrichtung).
Die Halbleiterdiode
Bauen wir in Gedanken eine
Diode zusammen: Wir
nehmen je ein Stück
n-leitendes und p-leitendes
Material. Solange sich die
beiden Stücke nicht berühren,
sind sie elektrisch neutral.
Nun bringen wir n- und
p-Leiter in Kontakt.
Die Halbleiterdiode
An der Kontaktfläche
wandern infolge der
Wärmebewegung
Elektronen und
Elektronenlöchern über
die Kontaktfläche und
rekombinieren.
Die Halbleiterdiode
Das dadurch entstehende
elektrische Feld verhindert die
weitere Wanderung von
Ladungsträger über die
Kontaktfläche, wodurch in der
Grenzschicht der Widerstand
steigt und sie zur Sperrschicht
wird.
Die Halbleiterdiode
Facit: Am pn-Übergang bildet sich
durch Verarmung an frei
beweglichen Ladungsträgern eine
hochohmige Sperrschicht.
Die Halbleiterdiode
Überlege den Unterschied!
Die Halbleiterdiode
Der pn- Übergang mit äußerer Spannung (Sperrrichtung)
Nun legen wir an den pn-Übergang eine Spannung so an, dass der
Minuspol am p-Leiter und der Pluspol am n-Leiter liegt. Die freien
Elektronen des n-Leiters werden zum Pluspol strömen, die Löcher des
p-Leiters zum Minuspol: Die Sperrschicht verbreitert sich, es fließt nur
ein sehr geringer „Sperrstrom“, der bis zur „Grenzspannung“ spannungsunabhängig ist. Die Diode sperrt. Überschreitet man allerdings
die bauweisenspezifische Grenzspannung, so wird die Diode zerstört.
Die Halbleiterdiode
Der pn- Übergang mit äußerer Spannung (Durchlassrichtung)
Legen wir den Minuspol einer Spannungsquelle an den n-Leiter, den
Pluspol an den p-Leiter, so werden die freien Elektronen, bzw. Löcher
in die Sperrschicht gedrängt. Diese verkleinert sich. Überschreitet
schließlich die äußere Spannung einen bestimmten Schwellenwert
(„Schwellspannung“), kompensiert die angelegte Spannung das Feld
der Ionen in der Sperrschicht, diese wird abgebaut, und Strom fließt.
Die Halbleiterdiode
Die Halbleiterdiode dient wegen ihrer Robustheit, ihrer
geringen Abmessungen und ihrer geringen Verlustleistung
(niederohmig in Durchlassrichtung, praktisch kein Strom in
Sperrrichtung) als Gleichrichterelement in der Schwachstrom- und in der Starkstromtechnik. Oft schaltet man zum
Schutz der Diode Widerstände als Strombegrenzer vor.
Bsp.: Leuchtdiode (LED) und
Leistungsdiode:
Die Gleichrichtung von Wechselströmen
Vorüberlegungen:
Mit welchen Spannungsquellen können
Walkman, Handy und Digitalcameras
(Camcorder) betrieben werden?
Richtig! Mit Gleichspannungsquellen
wie Batterien, Akkus, …
Die Gleichrichtung von Wechselströmen
Zu Beginn des 20. Jhdt. hat sich zur
Elektrizitätsversorgung weltweit Wechselstrom
durchgesetzt. Die damals verwendeten elektrischen
Geräte konnten problemlos mit Wechselstrom
betrieben werden. Geräte mit elektronischen
Bauteilen benötigen zum Betrieb jedoch
Gleichstrom. Die Umwandlung von Wechselstrom in
Gleichstrom wird als Gleichrichten von
Wechselstrom bezeichnet.
Die Gleichrichtung von Wechselströmen
Gemäß der Abbildung wird die Glühlampe – je nach
Frequenz der Wechselspannung – rhythmisch
leuchten: s. Oszilloskopverlauf (grün unterlegt)
Die Gleichrichtung von Wechselströmen
Fügt man in den Stromkreis eine Diode ein, so lässt
diese den Strom nur in eine Richtung durch;
während des Spannungsverlaufs in der
Gegenrichtung liegt an der Lampe keine Spannung
an.
Die Gleichrichtung von Wechselströmen
Wird von einen Frequenzgenerator z.B.1 Hz erzeugt und
schließt man parallel zwei entgegengesetzt gepolte Dioden
mit Lämpchen als Arbeitswiderständen an, so beobachtet
man ein abwechselndes Aufleuchten der Lämpchen.
Was kann man erwarten, wenn eine Diode durch einen
Kondensator ersetzt wird?
Die Gleichrichtung von Wechselströmen
Grätzschaltung: Zur Ausnutzung beider Halbwellen
der Wechselspannung dient die nebenstehende
Schaltung mit vier Dioden. Der Gleichstrom, den
man dabei erhält, weist periodische Schwankungen
zwischen einem Maximalwert und Null auf:
pulsierender Gleichstrom.
Die Gleichrichtung von Wechselströmen
Die meisten elektronischen Bauteile funktionieren
jedoch nur dann, wenn die Spannung nicht
schwankt. Um pulsierenden Gleichstrom zu glätten,
verwendet man beispielsweise Kondensatoren.
Die Gleichrichtung von Wechselströmen
Ein Kondensator ist ein Ladungsspeicher und wirkt als
Energiespeicher. Er wird jedes Mal aufgeladen, wenn die
angelegte Spannung zunimmt. Sinkt die angelegte
Spannung, gibt der Kondensator seine Energie ab und
verhindert einen Abfall der Spannung auf null (Glättung,
smoothing).
Transistoren
Bereits in den späten dreißiger Jahren begann William
Shockley, ein junger Physiker im Forschungslabor der
amerikanischen Firma Bell, die Suche nach einer
elektronischen Schalteinheit, um die elektromechanischen
Schalter herkömmlicher Telefonzentralen zu ersetzen.
Transistoren
Stromfressende Elektronenröhren schieden
aus. So wandte sich Shockley der Halbleiterphysik zu. Seine Forschungen wurden
durch den 2. Weltkrieg unterbrochen.
Gemeinsam mit John Bardeen und Walter
Brattain gelang ihm 1947 mit der Entwicklung des Spitzentransistors der entscheidende Durchbruch.
Transistoren
1948 folgte der robustere Flächentransistor, und
damit war die Schwelle zum Zeitalter der Mikroelektronik überschritten. 1956 wurden die drei Forscher mit dem Nobelpreis ausgezeichnet - Bardeen
erhielt ihn später ein zweites Mal für die Erklärung
der Supraleitung.
Transistoren
Das Wort Transistor ist ein Kunstwort. Es
leitet sich von transfer resistor ab und
beschreibt damit einen elektronischen Bauteil,
dessen Widerstand (resistance) steuerbar ist.
Transistoren
Transistoren besitzen drei Anschlüsse, die mit
E (Emitter), B (Basis) und K (Kollektor)
bezeichnet werden.
Transistoren
Wenn zwischen E und K eine Spannung
anliegt, fließt kein Strom - auch nicht nach
Umkehrung der Polung.
Transistoren
Legt man zwischen Emitter und Basis eine kleine
Spannung, so dass die Diode EB in Durchlassrichtung liegt, so leitet oder sperrt die Diode EK je
nach an ihr angelegter Spannungsrichtung.
Transistoren
Die Stromleitung zwischen E und B bzw. B und K
zeigt: Der Transistor entspricht zwei entgegengesetzt aneinandergefügten Dioden.
Transistoren
Durch den Bau des Transistors (dünne Basisschicht von
etwa 10-3 mm) kann man erreichen, dass beispielsweise 1%
der Elektronen aus der Grenzschichte zwischen Basis und
Emitter vom Emitter zur Basis fließen (Durchlassrichtung).
99% der Elektronen können in die ladungsträgerarme
Sperrschicht zwischen Basis und Kollektor diffundieren.
Transistoren
Der Übergang von Basis zum Kollektor (in Sperrrichtung
gepolt!) wird damit leitend. Besteht zwischen Emitter und
Kollektor eine Spannungsdifferenz, genügt somit ein
geringer Strom vom Emitter zur Basis (Basisstrom), um
viele Elektronen für den Ladungstransport von Emitter zu
Kollektor (Kollektorstrom) bereitzustellen.
Transistoren
Eine positive Spannung an der Basis erhöht somit die
Leitfähigkeit zwischen Emitter und Kollektor, der
Transistor wird zwischen Emitter und Kollektor leitend.
Fazit: Der Steuerstrom regelt den Stromfluss durch den
Transistor.
Anwendungen von Transistoren
… als elektronischer Schalter
Der Transistor schaltet den Kollektorstrom ein oder aus je
nach Spannung zwischen Emitter und Basis. Seine Vorteile
sind geringer Platzbedarf, geringe Verlustleistung und hohe
Schaltgeschwindigkeit mit Schaltgeschwindigkeiten bis zu
Nanosekunden (vgl. Taktfrequenz von PC´s und dafür
notwendige Schaltzeiten).
Anwendungen von Transistoren
… als Verstärker
Die Basisspannung erhält man über eine
Spannungsteilerschaltung der Basisstrom wird
mit einem variablen Widerstand geregelt.
Anwendungen von Transistoren
Trägt man den gemessenen Kollektorstrom gegen den
Basisstrom auf, erhält man die „Steuerkennlinie“ des Transistors. Über einen weiten Bereich besteht Proportionalität
zwischen Basis- und Kollektorstrom. Den Verstärkungsfaktor liest man aus der Steuerkennlinie ab, er beträgt meist
bei 300.
Beispiel:
Anwendungen von Transistoren
Verstärkung von Wechselströmen
Insbesondere in der Nachrichtentechnik ist es notwendig,
Wechselströme zu verstärken – seien es Handy, Kopfhörer,
Audioverstärker oder TV-Sender.
Anwendungen von Transistoren
Verstärkung von Wechselströmen
Wechselströme können nicht direkt zur Steuerung des
Basisstroms herangezogen werden, da nur während einer
Halbperiode ein Basis-, bzw. Kollektorstrom fließen und
die andere Halbperiode abgeschnitten würde. Durch
Hinzufügen eines Gleichstroms lässt sich erreichen, dass
die Basis gegenüber dem Emitter stets positiv ist: damit
wird der Arbeitspunkt der Schaltung festgelegt.
Anwendungen von Transistoren
Optoelektronische Bauelemente
Die Umwandlung von Licht in Elektrizität mit
Halbleiterbauelementen, wie z.B. mittels
Fotoleitern, Fotozellen und Solarzellen, und
von Elektrizität in Licht mittels Leuchtdioden
oder Halbleiterlaser gewinnt immer größere
Bedeutung.
Anwendungen von Transistoren
Optoelektronische Bauelemente
Als Sensoren werden sie zu »Sinnesorganen«
elektronischer Schaltungen (z. B. in der
Belichtungssteuerung von Kameras). In der
Nachrichtentechnik ermöglichen
Halbleiterlaser den Ersatz von Kupferkabeln
durch Lichtleiter und damit die Übertragung
wesentlich größerer Datenmengen.
Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter
auch „Fotowiderstand“ genannt:
Aufgabe einer Lichtschranke kann es sein,
bei Unterbrechung eines Lichtstrahles einen
Verbraucher (zum Beispiel eine Hupe)
einzuschalten.
Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter
Dazu verwendet man lichtabhängige Widerstände
(LDR-Widerstände), Fotowiderstände, light dependent
resistors die je nach ihrer Beleuchtung sehr
unterschiedlichen Widerstandswert aufweisen.
Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter
In der Dunkelheit haben sie einen Widerstand von etwa
10 MΩ, bei Beleuchtung ist ihr Widerstandswert
vergleichsweise gering, er beträgt dann etwa 1 kOhm.
Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter
In Halbleitermaterialien werden Elektronen
durch Energiezufuhr zur elektrischen Leitung
aus den Gitterbindungen herausgelöst. Bei
manchen Materialien (z.B. Cadmiumsulfid
CdS, Bleisulfid PbS) können Elektronen
durch Bestrahlung mit Licht von den
Gitteratomen freigesetzt werden.
Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter
Man nennt den Vorgang, bei dem durch
Lichteinstrahlung Elektronen im Inneren eines
Halbleitermaterials freigesetzt werden
können, den inneren Photoeffekt.
Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter
Mit zunehmender Lichteinstrahlung
(Beleuchtungsstärke) nimmt die Zahl der
freien Elektronen zu, der Widerstandswert
nimmt ab.
Optoelektronische Bauelemente - Fotoleiter
Widerstände mit dieser Eigenschaft werden
Fotowiderstände genannt und eignen sich zur
Messung von Beleuchtungsstärken.
Optoelektronische Bauelemente -Fotodiode
Durch Lichteinfall werden Elektronen und
Löcher gebildet.
Die im p-Leiter produzierten Elektronen
(und die im n-Leiter produzierten Löcher)
wandern unter dem Einfluss einer in
Sperrrichtung angelegten Spannung zur
Sperrschicht und erhöhen den Sperrstrom.
Optoelektronische Bauelemente -Fotodiode
Anwendung findet die Fotodiode in der
Lichtmessung (Kamera), bei Lichtschranken
und beispielsweise in der Steuerung von
TV-Geräten mittels Infrarot-Fernbedienung.
Optoelektronische Bauelemente - Solarzelle
auch als Fotoelement bezeichnet:
Sie ist eine für ihren Zweck optimierte
großflächige Fotodiode ohne angelegte
Spannung.
Optoelektronische Bauelemente - Solarzelle
Durch Lichteinfall werden Paare freier
Ladungsträger erzeugt. Im Bereich des
pn-Übergangs werden sie durch das dort
bestehende Feld der Donator- und
Akzeptorionen getrennt.
Optoelektronische Bauelemente - Solarzelle
Im p-Leiter gebildete Elektronen wandern in den n-Leiter,
im n-Leiter gebildete Löcher in den p-Leiter. Dadurch baut
sich im Inneren ein elektrisches Feld auf, das bei offenem
Stromkreis die Trennung und Wanderung weiterer
Ladungsträgerpaare verhindert: es stellt sich ein
Gleichgewicht zwischen Neubildung und Rekombination
ein.
Optoelektronische Bauelemente - Solarzelle
Diese so genannte Leerlaufspannung lässt sich
an den Anschlusselektroden messen, sie
nimmt mit zunehmender Beleuchtungsstärke
zu.
Optoelektronische Bauelemente - Solarzelle
Schließt man die Elektroden kurz, so werden
alle im pn-Übergang gebildeten
Ladungsträgerpaare getrennt, der
Kurzschlussstrom ist direkt der
Beleuchtungsstärke proportional.
Mehr zur Solarzelle in der
Powerpointpräsentation
Solarzelle.ppt
Im Verzeichnis Physik.
Nun aber noch ein wenig aus
der Welt der Halbleiter und
des Mikrokosmos
Erinnerung an
die vergangene
Klasse ?
… und nun zurück zu unserer Welt:
Lernziele & FRAGEN zur SELBSTKONTROLLE
Versuche, folgende Fragen zu beantworten bzw. überlege die
Bedeutung der Stichworte, gehe Deine Aufzeichnungen bzw. die
Präsentation nochmals durch!
•Aufbau und Funktionsweise der Halbleiterdiode!
•Grätz-Schaltung: Aufbau, Funktion und Glättung.
•Was bedeutet das Wort Transistor, wie ist er aufgebaut und
wie arbeitet er?
•Beschreibe 2 Anwendungen des Transistors!
•Wie ist ein Fotoleiter (Fotowiderstand) beschaffen?
•Das Grundprinzip der Solarzelle!
?