Dioden

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Verschiedene Diodentypen
Zenerdiode (Z-Diode)
Bei allen Dioden steigt der Sperrstrom beim Überschreiten der maximalen Sperrspannung
steil an. Bei gewöhnlichen Dioden ist die Durchbruchspannung sehr groß (bis zu einigen
kV), aber nicht genau spezifiziert. Die Größe der Durchbruchspannung schwankt herstellungsbedingt von Diode zu Diode. Bei Z-Dioden dagegen ist die Spannung, bei der die
Diode in Sperrichtung leitend wird, genau spezifiziert und wird als Zenerspannung bezeichnet. Ihre Größe hängt von der Dotierungsstärke ab. Je höher die Dotierung ist, desto
dünner wird die Sperrschicht und desto kleiner wird die Zenerspannung. Bei Zenerspannungen unter ca. 5,7 V ist für den Durchbruch der sogenannte Zenereffekt verantwortlich.
Hier wird die Feldstärke durch die dünne Grenzschicht (Sperrschicht) so groß, dass bereits
bei einer kleinen angelegten Spannung auf Grund des Tunnel-Effekts Elektronen aus aus
dem Valenzband in das Leitungsband gelangen können. Dadurch entstehen in der Sperrschicht plötzlich zahlreich bewegliche Ladungsträger (Feldemmission freier Ladungsträger).
Bei Zenerspannungen über ca. 5,7 V wird der Zenereffekt jedoch durch den sogenannten
Lawineneffekt überlagert.1 Z-Dioden sind also vom Aufbau her normale Dioden, nur mit
dem Unterschied, dass die Durchbruchspannung durch die Dotierung genau spezifiziert ist
und normalerweise auch wesentlich kleiner ist als bei gewöhnlichen Dioden. Auch der Verlauf der Kennlinie im Durchlassbereich ist identisch. Z-Dioden sind mit Zenerspannungen
von etwa 3 V bis 200 V erhältlich.
Die Abbildung 1 zeigt das Schaltsymbol und die Kennlinie einer Z-Diode.
Zenerdioden werden vorzugsweise im Durchbruchbereich für Spannungbegrenzer- und Stabilisatorenschaltungen verwendet.
Abbildung 1: Schaltsymbol und Kennlinie einer Zenerdiode
Fotodiode:
Fotodioden sind Halbleiterdioden mit einer lichtempfindlichen Sperrschicht. Sie werden in
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Lawineneffekt: Ladungsträgerfreisetzung durch Stoßionisation beschleunigter Elektronen.
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Sperrrichtung betrieben. Beleuchtet man die Sperrschicht, so werden darin Elektron-LochPaare generiert, die den Sperrstrom (messbar) erhöhen (quantenmechanisch betrachtet,
wird ein Elektron vom Valenzband ins Leitungsband gehoben). Auch Solarzellen funktionieren nach diesem Prinzip.
Solarzellen:
Solarzellen funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie Fotodioden, nur dass sie großflächig gebaut sind. Sie werden auch nicht als Strahlungsdetektor, sondern als Stromquelle
betrieben. Die durch elektromagnetische Strahlung zugeführte Energie (die größer als das
Gap sein muss) erzeugt frei bewegliche Ladungsträgerpaare (Elektronen und Löcher). Die
erzeugten Ladungsträger werden durch das innere elektrische Feld der Diode, das durch
den p-n Übergang erzeugt wird, getrennt und in unterschiedliche Richtungen gelenkt. So
entsteht ein elektrischer Strom, der an den Anschlüssen der Solarzelle abgenommen werden
kann. Da die Intensität von Licht in Materialien gewöhnlich gemäß einer Exponentialfunktion mit zunehmender Eindringtiefe abnimmt, muss dieser Übergang möglichst nahe an
der Oberfläche liegen, und die Übergangszone mit dem elektrischen Feld sollte möglichst
weit in das Material hineinreichen.
Leuchtdiode:
Leuchtdioden funktionieren nach dem umgekehrten Prinzip wie Fotodioden. In Abb. 2
sehen sie den Aufbau solch einer Diode. Die Anschlussdrähte an den Halbleiter sind aus
Gold und werden nicht gelötet, sondern gebondet, wie dass in der Halbleiterindustrie aus
Kostengründen und Zeitersparnis durch Automation generell üblich ist. Der Golddraht
wird aufgeheizt und unter Einwirkung von Ultraschall mit hohem Druck auf den Halbleiter
aufgedrückt, mit dem der Draht eine mechanisch hochstabile Verbindung eingeht. In der
Abb. sind auch diverse Ausführungsformen von LED zu sehen, wie halbkugelig, zylindrisch
oder rechteckig.
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Abbildung 2: Aufbau einer kommerziellen Lumineszenzdiode
In der Sperrschicht rekombinieren Elektronen mit Löchern (quantenmechanisch betrachtet, fallen Elektronen vom Leitungsband ins Valenzband). Die dabei frei werdende Energie
wird in Form sichtbarer Strahlung (Licht) emittiert. Da die einzelnen Rekombinationsbzw. Emissionsvorgänge voneinander unabhängig sind, erhält man eine inkohärente Strahlung, was die LED von Laserdioden unterscheidet. Leuchtdioden senden annähernd monochromatisches Licht mit einer typischen Halbwertsbreite von 10 nm aus. Die Frequenz
f der ausgesandten Strahlung entspricht der Differenz zwischen den Energieniveaus E1
und E2 zwischen denen der Übergang stattfindet: hf = E1 -E2 (h bezeichnet das Plancksche Wirkungsquantum). Bei den Rekombinationsprozessen müssen sowohl Energie- als
auch Impulssatz erfüllt sein. Da der Impuls von Photonen vernachlässigbar klein gegen
den Elektronenimpuls ist, muss der Impulswert des Leitungselektrons nahezu gleich dem
Impulswert des Loches sein, damit der Übergang strahlend (d.h. unter Emission eines Photons) erfolgt.
Diese Bedingung ist in Halbleitern mit direktem Übergang wie GaAs erfüllt. In solch einem direkten Halbleiter ist das Minimum des Leitungsbandes im Bändermodell senkrecht
oberhalb des Maximums des Valenzbandes wie in Abb. 3 zu sehen. In Halbleitern mit
indirektem Übergang ist ein weiterer Partner, wie etwa ein Phonon2 , nötig, um die Impulsänderung zu emöglichen. Wie man in Abb. 3 rechts sieht, liegt in einem indirekten
Halbleiter das Maximum des Valenzbandes nicht direkt unter dem Minimum des Leitungsbandes, sodass zusätzlich zur Energiedifferenz zwischen diesen beiden Energieniveaus auch
die Impulsdifferenz aufzubringen ist. Ein Photon kann diesen Impuls nicht aufbringen,
sodass zusätzlich ein Phonon richtiger Größe nötig ist, um den Übergang zu ermöglichen. Da dieser Prozess sehr unwahrscheinlich ist, werden Rekombinationszentren (d.h.
2
Ein Phonon ist eine Gitterschwingung im quantenmechanischen Teilchenbild. Es gibt z.B akustische
Phononen oder thermische Phononen - vgl. PW10
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entsprechende Dotieratome) in den indirekten Halbleiter eingebaut. Wird ein Ladungsträger durch solch ein Rekombinationszentrum „eingefangen“ und damit stark lokalisiert,
erstreckt sich der Impuls wegen der Heisenberg’schen Unschärferelation über einen sehr
breiten Bereich, sodass strahlende Rekombination möglich ist. Die Frequenz der emittierten Strahlung entspricht dann nicht dem Wert der Bandlücke (= „Gap“), sondern dem
Abstand des Rekombinationszentrums vom Valenzband.
Abbildung 3: Bandstruktur mit a) direktem und b)indirektem Übergang. Die Wellenzahl
k ist dem Impuls p proportional p = h̄k
Damit Lumineszenz auftritt, müssen Elektronen und Löcher mit einer über der Gleichgewichtskonzentration (das ist jene, die sich auf Grund des Massenwirkungsgesetzes bei
einer bestimmten Temperatur im dynamischen Gleichgewicht einstellt) liegenden Konzentration vorhanden sein. Das Material muss also „angeregt“ werden, beispielsweise indem
Überschuss-Ladungsträger in das Material „injiziert“ werden. Der am häufigsten gebrauchte Anregungs- oder Injektionsmechanismus ist die Trägerinjektion durch die Flusspolung
von pn-Übergängen. Dadurch gelangen z.B. Elektronen in die p-Zone der Diode, wo sie
mit den dort die Majoritätsladungsträger darstellenden Löchern rekombinieren.
Kapazitätsdiode:
Eine Sperrschicht wirkt auch als Kondensator (da zwei Bereiche mit Ladungen durch einen
isolierenden Bereich getrennt sind). Erhöht man die Sperrspannung einer Diode so wird
die Sperrschicht breiter und die Kapazität sinkt. Kapazitätsdioden werden z.B. zur Realisierung von Schwingkreisen mit spannungsgesteuerter Resonanzfrequenz verwendet, der
automatische Senderdurchlauf von Radios wird auf diese Art realisiert.
Schottkydiode:
Bei der Schottkydiode wird der pn-Übergang durch einen Metall-Halbleiter-Übergang ersetzt. Schottkydioden haben sehr kurze Speicherzeiten und eignen sich daher für Hochfrequenzanwendungen, die z.B. in der Telekommunikations- und Mobilfunktechnik große
Bedeutung haben.
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