2.12 Halbleiterlektronik

Halbleiterelektronik
1
Energieniveaus in Gasen
Beugungsspektrum von Quecksilberdampf:
Hochdruck
Niederdruck
700
600
500
400 nm
Einzelne Energieniveaus in freien Atomen (Niederdruck-Spektrum) verbreitern,
wenn die Atome auf einen geringeren Raum zusammengedrückt werden
(Hochdruck-Spektrum).
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Energieniveaus in kristallinen Festkörpern
4p
N
4s
3d
3p
Energie
M
Energiebänder
3s
Energielücken
2p
L
2s
Bohr´sche
Schalen
K
1s
Energetische Verteilung Energetische Verteilung eines
der 29 Elektronen
mehratomigen Systems
eines Kupferatoms auf von 3 ∙ 29 = 87 Kupferatomen
verschiedene Teilschalen
3
Bändermodell für Nichtleiter und Metalle
Nichtleiter
Metall
Das höchste besetzte Niveau befindet
sich an der oberen Kante eines Bands;
das nächsthöhere freie Niveau ist um
eine vergleichsweise große Energielücke
davon entfernt.
Das höchste im Grundzustand besetzte
Niveau befindet sich in der Mitte eines
Bands. Da innerhalb dieses Bands
weitere Niveaus unbesetzt sind, können
Elektronen in diesem Band ihre Niveaus
leicht wechseln und es kann ein Strom
fließen.
gefüllte Niveaus = rot, leere Niveaus = grün
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Stromleitung im metallischen Leiter
Metalle mit guter Leitfähigkeit haben alle die gleichen Eigenschaften
hinsichtlich ihrer Elektronen:
Ein oder zwei Valenzelektronen lösen sich leicht vom Atom
und diffundieren durch das Kristallgitter.
Wird Spannung angelegt, so erhält die Diffusion eine Vorzugsrichtung:
=> Strom fließt
Je höher die Temperatur des Metalls, desto heftiger ist die thermische
Eigenbewegung der Atome. Diese behindert die Diffusion in der
Vorzugsrichtung:
=> der Widerstand steigt mit der Temperatur
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Kaltleiter (PTC-Widerstand) - Heißleiter (NTC-Widerstand)
Schaltzeichen:
υ
υ
R/Ω
R/Ω
z. B.
oder
T/°C
Der Widerstand steigt
(meist proportional)
zur Temperatur
Alle Metalle sind
=> Kaltleiter .
Aber: Nicht alle Kaltleiter sind Metalle!
T/°C
Sinkt der Widerstand mit zunehmender
Temperatur, so sprechen wir von einem
Heißleiter.
Heißleiter werden meist aus
Halbleitermaterialien hergestellt.
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Anwendungsbeispiele
PTC-Widerstand als Temperaturwächter
NTC-Widerstand als Brandmelder
υ
Hupe
Relais
υ
υ
υ
Flüssigkeit, kälter
als Umgebungsluft
Lampe brennt
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Bändermodell für Halbleiter
Leitungsband
Valenzband
Nichtleiter
Halbleiter
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Dotierte Halbleiter
Der Halbleiterkristall ist aus einer regelmäßigen Folge von
„Einheitszellen“ aufgebaut.
Diese erhält man, indem man den Kristall aus seiner
Schmelze „zieht“.
Manchmal entstehen dabei Versetzungen und
Strukturänderungen im Kristall.
Man kann solche „Störstellen“ provozieren,
indem man der Schmelze eine kleine Menge
eines anderen Stoffes beimischt.
Dies nennt man dotieren.
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n-dotierte Halbleiter
Leitungsband
EL
(1)
ED
(2)
Valenzband
Die je ein Leitungselektron
gebenden Fremdatome
nennt man Donatoren.
(3)
Das Energieniveau ED der
Leitungselektronen liegt
dicht unter dem Leitungsband.
 Sie benötigen nur ganz
wenig Energie um ins
Leitungsband zu springen
Die Stromleitung in einem n-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch Elektronen.
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p-dotierte Halbleiter
Leitungsband
EA
EL
(1)
(2)
Valenzband
Die je ein Valenzelektron
aufnehmenden Fremdatome
nennt man Akzeptoren.
(3)
Das Energieniveau EA des
Leitungselektronen liegt
dicht über dem Valenzband.
 Die „freien Plätze“ der
Akzeptoren sind für Elektronen
aus dem Valenzband leicht
erreichbar.
Die Stromleitung in einem p-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch „Löcherleitung“
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pn-Übergang
p-dotiert
vor Kontakt:
Zwei elektrisch für sich neutrale Werkstoffe;
einer p-dotiert, der andere n-dotiert
n-dotiert
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
Löcher
fest gebundene Atomrümpfe freie Elektronen
p
Kontakt:
Diffusion von Löchern in die n-Schicht und
von Elektronen in die p-Schicht
„Diffusionsstrom“
n
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
Ladungsausgleich / Rekombination
nach Kontakt:
Ausbildung einer „Sperrschicht“;
auch „Raumladungszone (RLZ)“ genannt
p -
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
n
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Diode
Ein Halbleiterbauelement mit kombinierter pn-Leitung wird als Diode bezeichnet.
p
n
+
Löcher
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
Elektronenstrom:
techn. Stromrichtung:
Durchlassrichtung der Diode
freie Elektronen
Schaltzeichen:
p
Löcher
n
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
+
+
+
freie Elektronen
Anode
Kathode
p-Gebiet
n-Gebiet
Sperrrichtung der Diode
Ein pn-Übergang wirkt als Gleichrichter, er lässt den Strom nur in eine Richtung fließen.
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Diodenkennlinie
Durchlassbereich:
I (mA)
Bei „kleiner“ Spannung sperrt die
Diode den Strom wegen der
Ladungsträgerarmut in der RLZ.
U (V)
Ab einem (bautypischen)
Schwellenwert beginnt die
Diode zu leiten, da die
Ladungsträger nun genug Energie
besitzen, um die Sperrschicht
zu überwinden.
Sperrbereich: Bei Umpolung vergrößert sich die Sperrschicht.
Ab einer bestimmten Sperrspannung UR werden die Elektronen aus
ihren Kristallbindungen gelöst. Es kommt zum sog. Zenerdurchbruch.
Dabei steigt der Strom schlagartig an. Wird dieser Strom nicht begrenzt,
dann zerstört er die Diode.
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Bändermodell für eine Diode
vor Kontakt:
p-dotiert
n-dotiert
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
Löcher
freie Elektronen
fest gebundene Atomrümpfe
Kontakt:
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
+
+
Leitungsband
Valenzband
Rekombination
nach Kontakt:
-
-
-
+
+
+
-
-
-
+
RLZ
+
+
+
-
-
+
+
Energieschwelle =
Schwellspannung ∙ e
RLZ
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Diodenschaltungen
Einweggleichrichtung:
I1
I2
U2
U1
U1
U2
Brückenschaltung:
(Vollgleichrichtung)
U1
I1
U1
I2
U2
U2
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Diodenschaltungen
Einweggleichrichter mit Kondensator:
I1
I2
U2
U1
U1
U2
Brückenschaltung mit Kondensator:
I1
U1
U1
I2
U2
U2
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Leuchtdioden
Schaltzeichen:
Leuchten mit gleicher Lichtleistung im Vergleich
Leistung
Glühlampe
Energiesparlampe
Leuchtdiode
75 W
Lebensdauer
1000 h
Stückpreis
1€
Kosten*
1000 h 50000 h
14,50 € 725 €
15 W
8000 h
10 €
12,70 €
205 €
3W
50000 h
70 €
70,50 €
97 €
Anode
Kathode
* bei 0,18 € je kWh
p
+
n
-
Die in Durchlassrichtung angelegte Spannung bewirkt in
der Sperrschicht die Rekombinationen von Elektronen und
Löchern.
Dabei wird Energie in Form von Licht frei.
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Lichtabhängige Halbleiterelemente
Fotodioden:
Schaltzeichen:
Anode
Kathode
Die Gehäuse von Fotodioden besitzen ein transparentes Fenster oder
bestehen komplett aus transparentem Kunststoff.
Fotodioden zum Empfang infraroter Signale (z. B. Fernbedienung) besitzen einen
Tageslicht-Sperrfilter; sie sind z. B. in dunkel eingefärbtem Kunstharz vergossen.
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Solarzelle
-
+
-
-
-
-
-
-
-
+
+
RLZ
+
+
+
+
+
+
+
RLZ
Stromfluß von Elektronen aus metallischer Trägerplatte über p-Schicht in n-Schicht,
wobei die Lichtenergie die RLZ aufrecht erhält !
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Transistor (npn)
C
C
n
B
p
B
n
E
n
E
p
n
4V/0,04A
+
4,5 V
10 kΩ
-
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Transistor als Schalter
(Lichtschranke)
4V/0,04A
LDR
+
4,5 V
10 kΩ
Trifft Licht auf den LDR, so sinkt dessen Widerstand, es fällt an ihm eine geringere
Spannung als vorher ab. Da die Gesamtspannung am Spannungsteiler gleich bleibt,
muss nun am Potentiometer eine höhere Spannung als vor der Beleuchtung abfallen.
Somit hat aber auch die Spannung zwischen Basis und Emitter zugenommen.
Die Basis-Emitter-Diode wird leitend und es tritt der Transistor-Effekt ein.
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Transistor als Schalter
Steuerstromkreis
Laststromkreis
10 kΩ
Relais
4,5V
230 V
1 kΩ
+
LDR
Dämmerungsschalter:
Sinkt die Umgebungshelligkeit, wird der LDR hochohmig.
Dadurch liegt positives Potential an der Basis des Transistors
und das Relais schließt den Laststromkreis.
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Transistor als Verstärker
Darlington-Schaltung
Berührungsschalter:
110 Elektronen
12210
Elektronen
1 Elektron
111 Elektronen
IB = Basisstrom / Steuerstrom
IC = Kollektorstrom / Arbeitsstrom
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