Halbleiterdioden

6.
Halbleiterdioden
6.1 Halbleiteraufbau und -eigenschaften
Ein Gebiet, in dem ein P-Leiter und ein N-Leiter flächig aneinander grenzen, bezeichnet man als
PN-Übergang. Ein PN-Übergang stellt eine Halbleiterdiode dar.
PN-Übergang ohne äußere Spannung
Am PN-Übergang dringen die Elektronen des N-Leiters durch ihre thermischen Bewegungen in
den P-Leiter und umgekehrt Löcher des P-Leiters in den N-Leiter ein. Diesen Vorgang bezeichnet
man als Diffusion.
Die Elektronen und Löcher rekombinieren beiderseits des PN-Übergangs in einer sehr hochohmigen Grenzschicht G, so dass die Ladungsträgerdichten nn und np etwa der Eigenleitungsdichte ni entsprechen. Bei gleichem Dotierungsgrad für Donatoren und Akzeptoren bildet sich ein
symmetrischer PN-Übergang aus.
P - Zone
N - Zone
PN-Übergang
P-Zone
N-Zone
ρ
b
a
x
E
x
G
Loch
Donator-Ion
ϕ
Akzeptor-Ion
Elektron
Grenzschicht beim PN-Übergang
In der Grenzschicht überwiegen die Ionenladungen,
so dass sich im N-Leiter eine positive Raumladung
und im P-Leiter eine negative Raumladung
ausbilden. Der Quotient aus Raumladung und
Volumen wird als Raumladungsdichte ρ bezeichnet.
x
UD
G
Diffusionsspannung UD an einer
Grenzschicht
Die elektrische Feldstärke E in Längsrichtung ergibt sich aus der Raumladung ρ.
x
E = −
dϕ
1
= ⋅ ∫ ρ ⋅ dx
dx
ε a
(6.1)
Das Potential ϕ bezogen auf das rechte Ende der N-Zone wird nach Gl. 6.2 berechnet.
b
ϕ =
∫ E ⋅ dx
(6.2)
x
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 50
Die an der Grenzschicht G auftretende Potentialdifferenz wird Diffusionsspannung UD genannt.
Diese Spannung lässt sich an den äußeren Anschlüssen nicht messen, da sie in gleicher Größe an
den Grenzschichten Metall-Halbleiter mit umgekehrter Polarität auftritt.
Bei Metallen wird diese Spannung auch Kontaktspannung genannt, die bei Temperaturunterschieden der Kontaktstellen als Thermospannung messbar wird (Thermoeffekt).
Das elektrische Feld in der Grenzschicht wirkt der Diffusion der Majoritätsträger entgegen. Die
Grenzschicht ist einige µm breit; die Feldstärke beträgt einige kV/cm.
Die Diffusionsspannung hängt vom Dotierungsgrad, von der Temperatur und von der Halbleiterart ab. Die Diffusionsspannung UD kann, wenn für die N-Zone die Majoritätsträgerdichte
(Elektronen) nn, für die P-Zone die Majoritätsträgerdichte (Löcher) np und die Eigenleitungsdichte
ni des Halbleiters bekannt sind, nach Gl. 6.3 berechnet werden.
 nn ⋅ np 
k ⋅T

(6.3)
U D = − U T ⋅ ln 
mit U T =
2 
e
 ni 
Temperaturspannung UT, Temperatur T,
Elementarladung e = 1,6 · 10-19 As,
Boltzmannkonstante k = 1,38 · 10-23 Ws/K.
Bei Zimmertemperatur und normaler Dotierung beträgt die Diffusionsspannung UD ≈ 0,3 V bei
Germanium und UD ≈ 0,6 V bei Silizium.
PN-Übergang an äußerer Spannung in Sperrrichtung
Wird der Pluspol einer Spannungsquelle mit der N-Zone und der Minuspol mit der P-Zone des
Halbleiters verbunden, so haben die äußere Spannung U und die Diffusionsspannung UD den gleichen Richtungssinn. Die beweglichen Ladungsträger werden durch das äußere elektrische Feld
von den Rändern der Grenzschicht abgezogen. Die Raumladungszonen verbreitern sich durch
eine äußerer Spannung in Sperrrichtung. Im äußeren Stromkreis fließt der kleine Sperrstrom IS.
IS
U
P-Zone
N-Zone
UD
UD + U
Verbreiterung der Grenzschicht an einem in Sperrrichtung gepolten PN-Übergang
Der Sperrstrom entsteht durch die in der Grenzschicht in geringer Anzahl vorhandenen
Minoritätsträger, die vom elektrischen Feld über den PN-Übergang hinwegbewegt werden.
Bei konstanter Temperatur erreicht der Sperrstrom einen Sättigungswert, d.h. er ist von U nahezu
unabhängig. Im praktischen Betrieb erwärmt sich die Sperrschicht mit steigender Spannung, so
dass der Sperrstrom mit U ansteigt.
Die Sperrstromdichte JS bei Zimmertemperatur liegt für Germanium bei JS ≈ 0,2 mA/cm2 und für
Silizium bei JS ≈ 0,002 mA/cm2. Bei Germanium sind Sperrschicht-Temperaturen von 70 ... 85°C
zulässig; Silizium darf bis 200°C betrieben werden.
Die Grenzschicht mit ihrer sehr geringen Leitfähigkeit liegt zwischen den gut leitenden Zonen (PZone, N-Zone). Sie bildet das Dielektrikum eines Kondensators. Die Kapazität der Sperrschicht
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 51
CS kann näherungsweise aus der Dicke d der Grenzschicht, der Übergangsfläche A und der
Dielektrizitätszahl ε berechnet werden.
ε⋅A
U
(6.4)
CS =
mit d = d 0 ⋅ 1 +
d
UD
Die Dicke d0 der Grenzschicht bei Zimmertemperatur ohne äußere Spannung beträgt für Silizium
bei sehr hohen Dotierungen rd. 0,1 µm und rd. 100 µm bei sehr niedrigen Dotierungen (εr ≈ 12 bei
Silizium).
Bei Halbleiterdioden für sehr hohe Sperrspannungen werden die leitenden Zonen hoch dotiert
(gute Leitfähigkeit) und in der Nähe des PN-Überganges wird mit einer niedrigen Dotierung eine
breite Grenzschicht (niedrige elektrische Feldstärke) erzielt.
Bei Überschreiten einer bestimmten Spannung tritt - fast unabhängig von der Temperatur - eine
plötzliche, starke Zunahme des Sperrstromes auf.
Bei hoch dotiertem Halbleitermaterial (dünne Sperrschicht d = 0,1 ... 0,2 µm) kann die elektrische
Feldstärke dort so hohe Werte erreichen, dass Elektronen aus den Gitteratomen ausgelöst werden,
die die Sperrschicht abbauen. Die Diode wird leitend. Dieser Effekt heißt Zenereffekt (ZenerDurchbruchspannung ≤ 6,5 V).
Bei schwach dotiertem Halbleitermaterial (breite Sperrschicht) können die Ladungsträger dort so
stark beschleunigt werden, dass sie beim Zusammenstoß mit Gitteratomen weitere Ladungsträger
herausschlagen. Sie verursachen damit ein lawinenartiges Anwachsen des Sperrstromes. Diesen
Effekt nennt man Avalanche-Effekt (Avalanche-Durchbruchspannung ≥ 4,5 V).
Wird der Strom nach Überschreiten der Durchbruchspannung so begrenzt, dass die Stromwärme in der Sperrschicht keine Zerstörung der Kristallstruktur hervorruft, dann sind die
Durchbruchvorgänge reversibel. Die Grenzschicht ist nach Unterschreiten der Durchbruchspannung wiederhergestellt.
Wird der Pluspol einer Spannungsquelle mit der P-Zone und der Minuspol mit der N-Zone des
Halbleiters verbunden, so liegt die äußere Spannung U in Gegenrichtung zur Diffusionsspannung
UD.
I
U
P-Zone
N-Zone
UD
UD + U
PN-Übergang an äußerer Spannung in Durchlassrichtung
Verkleinerung der Grenzschicht an einem in Durchlassrichtung gepolten PN-Übergang
Frei bewegliche Ladungsträger werden durch das äußere Feld in die Grenzschicht hineingetrieben, wodurch die Raumladung teilweise abgebaut wird. Die Grenzschicht wird schmaler.
Die elektrische Feldstärke zwischen den Raumladungsgebieten wird kleiner und damit die Potentialdifferenz an der Grenzschicht geringer.
Bei U = UD ist die Grenzschicht vollständig abgebaut.
Bei U ≤ UD werden Elektronen aus der N-Zone und Löcher aus der P-Zone von der äußeren
Spannung über den PN-Übergang getrieben und rekombinieren beiderseits des PN-Übergangs. In
der P-Zone fließt dabei ein Löcherstrom, in der N-Zone ein Elektronenstrom.
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 52
I
R
U
P-Zone
N-Zone
Löcherstrom
Rekombinationszone
Elektronenstrom
In Durchlassrichtung gepolter PN-Übergang mit abgebauter Grenzschicht
Nach dem Abbau der Grenzschicht besitzt der Halbleiter nur noch den geringen Bahnwiderstand.
Es fließt der Durchlassstrom, der im Wesentlichen durch den äußeren Widerstand R bestimmt
wird.
Im Durchlassbereich der Diode lässt sich die Strom-Spannungskennlinie iD = f{u} näherungsweise durch die modifizierte Shockley-Formel beschreiben:
u
m ⋅ UT
k ⋅T
(6.5)
e
Der Sperrstrom IS ist ähnlich wie die Eigenleitfähigkeit σe (Gl. 5.11) stark temperaturabhängig.
Der Emissionskoeffizient (Korrekturfaktor) m liegt im Bereich 1 ≤ m ≤ 2.
Bei realen Dioden muss die äußere Spannung uD noch den Spannungsfall Rb · iD in den neutralen
Zonen und an den Kontakten des Halbleiters decken.
 i 
(6.6)
u D = R b ⋅ i D + m ⋅ U T ⋅ ln 1 + D 
IS 

i D = IS ⋅ (e
− 1)
mit U T =
In vielen Schaltungen kann die Strom-Spannungskennlinie im Durchlassbereich der Halbleiterdiode durch die Näherung nach Gl. 6.7 angegeben werden.
u D = R b ⋅ iD + UD
(6.7)
In Datenblättern wird der Bahnwiderstand Rb häufig als konstanter, differentieller Widerstand rF
und die Diffusionsspannung UD als Schleusenspannung UT0 bezeichnet.
Mit steigender Temperatur sinkt die Schleusenspannung der Halbleiterdiode und gleichzeitig
verkleinert sich der Durchlasswiderstand geringfügig.
6.2 Bauarten von Halbleiterdioden
Flächendioden
Bei Flächendioden erstreckt sich der pn-Übergang über eine größere Fläche. Sie wird als
diffundierte Flächendiode oder als Planardiode hergestellt.
Siliziumdioxid
Anodenanschluss
Anode
Anode
Kathode
Kathode
P
N
Kathodenanschluss
Planar-Flächendiode im Schnitt Schaltzeichen der Diode
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
Gehäuseformen
FB Technik, Abt. E+I 53
Flächendioden sind meist Si-Dioden. Sie können große Stromstärken vertragen und haben höhere
Sperrspannungen als entsprechende Ge-Dioden. Je größer die Sperrschichtfläche einer Flächendiode, desto größer ist ihre Sperrschichtkapazität. Flächendioden mit großer Sperrschichtkapazität
sind nicht für HF-Anwendungen geeignet.
Die Schaltzeiten von Flächendioden wachsen mit der Sperrschichtkapazität. Mit Hilfe der
Planartechnik können heute Flächendioden mit kleiner Sperrschichtfläche und sehr kurzen
Schaltzeiten hergestellt werden. Die sehr widerstandsfähige und gasdichte Siliziumdioxidschicht
(SiO2) schützt den fertig dotierten Halbleiter.
Spitzendioden
Spitzendioden und ihre Sonderbauform, die Golddrahtdiode, werden meist als Germaniumdioden
gebaut.
Auf ein kleines n-leitendes Germaniumkristall wird ein spitzer Draht aufgesetzt und mit dem
Kristall verschweißt. Der Draht enthält als Legierungsbestandteile geeignete Akzeptoratome.
Während des Schweißvorganges dringen diese in das Germaniumkristall ein und erzeugen eine
sehr winzige p-leitende Zone (rd. 50 µm Durchmesser).
Ge
Anode
Kathode
P
Spitze
Metalldraht
Ge-Halbleiter
Glasgehäuse
Spitzendiode im Schnitt
N
Kristallausschnitt
Aus der kleinen Fläche des pn-Überganges folgt eine sehr kleine Sperrschichtkapazität
(CS ≈ 0,2 pF). Spitzendioden sind deshalb für Hochfrequenz sehr gut geeignet.
Die Golddrahtdiode ist eine Sonderform der Spitzendiode. Der Golddraht wird stumpf auf das
stark dotierte Kristall geschweißt (Durchmesser der Sperrschichtfläche ≈ 100 µm). Der Durchlasswiderstand ist besonders gering.
Leistungsdioden
Leistungsdioden sind heute nahezu ausschließlich Siliziumdioden. Sie werden für sehr hohe
Sperrspannungen (Stoßspitzensperrspannung URSM > 5 kV) und sehr große Durchlassströme
(periodischer Spitzenstrom IFRM > 5 kA) gebaut.
Das eigentliche Halbleiterelement ist eine dünne (0,2 mm - 0,4 mm), einkristalline Siliziumscheibe mit einer Fläche von 1 mm2 bis 70 cm2, die durch Diffusionsprozesse eine N-Zone und
eine P-Zone erhält.
Durch Anbringen metallischer Kontakte - die eine Seite durch Legieren auf eine rd. 1 mm starke
Molybdän- oder Wolfram-Trägerplatte und die andere Seite durch Aufdampfen von Aluminium
oder Silber - entsteht eine Halbleitertablette.
Bei großen Leistungen wird die Halbleitertablette in zweiseitig kühlbare Scheibenzellen
eingesetzt und bei kleinen und mittleren Leistungen in Kompaktbausteinen (Powerblock) elektrisch isoliert (Metalloxidschicht mit guter Wärmeleitfähigkeit) eingebaut. Mehrere Halbleiterdioden in einem Gehäuse sind hier zu einer Gleichrichterschaltung (B2-Schaltung für Wechselspannung,
~
B6-Schaltung für Drehspannung) verschaltet. Die
~
~
Montage von Kompaktbausteinen auf einem Kühl~
~
körper ist einfach.
B2-Schaltung
G. Schenke, 1.2008
B6-Schaltung
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 54
Da die Wärmekapazität des Halbleiterkristalls relativ klein ist, muss durch ausreichende Kühlung
(Kühlkörper, Ventilation der Kühlluft) eine thermische Überlastung (sonst Zerstörung) vermieden
werden.
Si-Dioden
Ge-Dioden
Brückengleichrichter (B2, B6)
Kennwerte und Grenzwerte
Die Hersteller von Halbleiterdioden geben Datenblätter heraus. In diesen Datenblättern sind die
Daten und Kennlinien der Halbleiterdioden genau beschrieben. Bei den Daten ist zwischen
Grenzwerten und Kennwerten zu unterscheiden.
Grenzwerte sind Werte, die der Anwender nicht überschreiten darf, ohne eine sofortige
Zerstörung des Bauelementes zu riskieren.
Kennwerte sind Werte, die Eigenschaften des Bauelementes im Betriebsbereich (typische Werte,
Nennwerte, Garantiewerte) beschreiben.
Wichtige Grenzwerte:
- Spitzensperrspannung URM (höchster Augenblickswert der Spannung an der Diode in
Sperrrichtung),
- Richtstrom IFAV (höchster arithmetischer Mittelwert des Diodenstromes),
- Durchlassstrom IFRMS (maximaler Durchlassstrom bei ϑj, echter Effektivwert),
- Periodischer Spitzenstrom IFRM (größter zulässiger Spitzenstrom, der periodisch wiederkehren
darf),
- Stoßstrom-Grenzwert IFSM (Höchstwert eines einzelnen Stromimpulses, meistens ϑj = 25°C),
- Verlustleistung Ptot (größte zulässige Gesamtleistung),
- Sperrschichttemperatur ϑj (größte zulässige Temperatur des Kristalls im Bereich der Sperrschicht).
Wichtige Kennwerte:
- Durchlassspannung UF (bei bestimmtem Durchlassstrom),
- Sperrstrom IR (bei bestimmter Sperrspannung und Temperatur),
- Sperrschichtkapazität CS, Cj (bei bestimmter Sperrspannung),
- Sperrverzögerung trr (unter bestimmten Bedingungen),
- Wärmewiderstand Rth (Sperrschicht - Gehäuse - Kühlkörper - umgebende Luft).
Vorwärtskennlinie IF = f{UF}
Die Vorwärtskennlinie wird auch als Durchlasskennlinie bezeichnet. Sie stellt den Vorwärtsstrom
IF in Abhängigkeit von der Vorwärtsspannung UF dar. Die Vorwärtskennlinie ist temperaturabhängig. Bei höheren Temperaturen nimmt die Vorwärtsspannung ab (Ge rd. 1,5 mV/K und Si rd.
2,5 mV/K).
Der Gleichstromwiderstand in Vorwärtsrichtung rF ist abhängig vom Vorwärtsstrom IF. Bei
steigendem Vorwärtsstrom verringert sich rF. Unterhalb der Schleusenspannung U(T0) ist rF sehr
hoch.
U
rF = F
(6.8)
IF
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 55
50
ϑj = 100°C
40
IF
mA
30
Vorwärtskennlinie bei verschiedenen
Sperrschichttemperaturen
ϑj = 25°C
20
10
0
0
0,2
0,4
0,6
UF / V
0,8
1,0
Der differentielle Widerstand in Vorwärtsrichtung
rf kennzeichnet die Steilheit in einem bestimmten
Punkt der Vorwärtskennlinie (Tangente im
Arbeitspunkt). Eine gleichbleibende Sperrschichttemperatur ϑj wird vorausgesetzt. Der
differentielle Widerstand rf ist stets kleiner als der
Gleichstromwiderstand in Vorwärtsrichtung rF.
dU F
(im Arbeitspunkt)
(6.9)
dI F
Der differentielle Widerstand rf wird bei der Kleinsignalaussteuerung der Kleinsignalwiderstand
im Arbeitspunkt.
rf =
Rückwärtskennlinie IR = f{UR}
Der Rückwärtsstrom (Sperrstrom) IR ist stark temperaturabhängig. Eine Temperaturzunahme von
∆ϑj ≈ 7 K bewirkt eine Verdoppelung des Rückwärtsstromes. Bei Germaniumdioden ist IR bei
gegebener Sperrschichttemperatur ϑj um den Faktor ≈ 103 höher als bei vergleichbaren
Siliziumtypen. Der Gleichstromwiderstand in Rückwärtsrichtung rR ist besonders bei Si-Dioden
hochohmig.
U
rR = R
(6.10)
IR
Kleinsignalkapazität Ctot
Nach DIN 41853 ist Ctot die Kapazität, die bei einem festgelegten Arbeitspunkt auf der Rückwärtskennlinie und kleiner Aussteuerung zwischen den Anschlüssen der Diode gemessen wird.
Die Kleinsignalkapazität Ctot setzt sich aus der Sperrschichtkapazität Cj und Streukapazitäten
zwischen den Anschlussleitungen und dem Gehäuse zusammen. Die Sperrschichtkapazität ist
abhängig von der angelegten Rückwärtsspannung.
Schaltverhalten
Das Schaltverhalten von Halbleiterdioden wird durch den Durchlassverzug und einen Sperrverzug
gekennzeichnet.
- Beim Einschalten vergeht eine sehr kurze Zeit (Durchlassverzug), ehe der Durchlassstrom
fließt, weil zuerst Ladungsträger aus den hochdotierten Zonen in den PN-Übergang injiziert
werden müssen. Diese Verzögerung wird bei Schaltungsberechnungen häufig vernachlässigt.
- Beim Ausschalten einer Halbleiterdiode erlischt der Strom nicht im Nulldurchgang, sondern
fließt zunächst in negativer Richtung weiter, bis der PN-Übergang von Ladungsträgern frei ist
und Sperrspannung übernommen werden kann. Der Sperrstrom hat einen Spitzenwert iRRM
und klingt nach Ablauf der Spannungsnachlaufzeit ts schnell ab.
Im Stromkreis vorhandene Induktivitäten führen zu einer Überspannung uRM, die nach Ablauf der
Rückstromfallzeit tf auf die Sperrspannung UR abklingt. Die im Bild schraffierte Fläche ist die
Nachlaufladung Qs. Sie wird neben der Rückstromspitze iRRM und der Sperrverzugszeit trr zur
Beschreibung des Sperrverzuges verwendet. Die Größen iRRM, trr und Qs sind abhängig von der
Sperrschichttemperatur ϑj, vom Durchlassstrom iF und von der Stromsteilheit diF/dt.
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 56
i
iF
t
0
0,25 · iRRM
iRRM
0,9 · iRRM
ts
Abschalten einer Diode
tf
trr
u
t
0
duR/dt
uR
uRM
Verlustleistung P
Die Verlustleistung P einer Halbleiterdiode setzt sich zusammen aus den Durchlassverlusten in
Vorwärtsrichtung, den Sperrverlusten in Rückwärtsrichtung und den Umschaltverlusten. Die
Umschaltverluste treten im Wesentlichen während der Sperrverzögerungszeit trr auf; sie sind nur
bei hohen Frequenzen von Bedeutung. Die Sperrverluste können meistens vernachlässigt werden.
Die Durchlassverluste P werden aus dem zeitlichen Verlauf der Leistung p{t} berechnet.
T
P =
T
1
1
⋅ ∫ p{t} ⋅ dt = ⋅ ∫ u F ⋅ i F ⋅ dt
T 0
T 0
(6.11)
Für die Durchlassspannung uF gilt näherungsweise:
u F = U (T 0) + rf ⋅ i F
(6.12)
iF in A
0,4
0,3
0,2
Vorwärtskennlinie einer
Halbleiterdiode
0,1
0
0
0,2
0,4
U(T0)
G. Schenke, 1.2008
0,6
0,8
uF in V
Bauelemente der Elektrotechnik
1
FB Technik, Abt. E+I 57
Nach Gl. 6.11 und Gl. 6.12 werden die Durchlassverluste P näherungsweise berechnet.
T
1
P = ⋅ ∫ ( U (T 0) + rf ⋅ i F ) ⋅ i F ⋅ dt = U (T 0) ⋅ I FAV + rf ⋅ I 2Feff
T 0
(6.13)
Wärmewiderstand Rth und thermische Ersatzschaltung
Die Wärme durch die Verlustleistung P der Halbleiterdiode wird über den Wärmewiderstand Rth
an die Umgebungsluft abgeführt.
Bei Halbleitern wird als Temperatur der Wärmequelle die Sperrschichttemperatur ϑj eingesetzt;
die Temperatur der Umgebungsluft wird ϑa genannt. Bei freihängender Anordnung (z.B. Montage
auf einer Leiterplatte ohne Kühlkörper) kann die Verlustleistung P ≤ 2 W über den Wärmewiderstand Sperrschicht-Umgebungsluft RthJA abgeführt werden.
ϑ j − ϑa
P =
(6.14)
R thJA
Wärmeableitung von der
Gehäuseoberfläche an die
Umgebungsluft
Sperrschicht
ϑa
RthJA
ϑj
Ptot
Umgebungsluft
Wärmewiderstand der freihängenden Anordnung
Halbleiter für größere Leistungen werden auf einen Kühlkörper montiert, da die Wärmeableitung
unmittelbar vom Gehäuse des Bauelementes an die Umgebungsluft nicht ausreicht. Die
abstrahlende Oberfläche wird durch den Kühlkörper vergrößert.
Es sind die drei Wärmeϑj
widerstände zu berücksichtiPtot
gen:
RthJC
RthJC Sperrschicht-Gehäuse,
RthJC
RthCK Gehäuse-Kühlkörper
RthCK
(Wärmeleitpaste, bei isolierter Montage GlimmerscheiRthCK be),
RthKA Kühlkörper-UmgeRthKA
bungsluft.
RthKA
Wärmeableitung
an die Umgebungsluft
ϑa
Wärmewiderstand bei Kühlkörpermontage
Für den Gesamtwärmewiderstand RthJA gilt:
R thJA = R thJC + R thCK + R thKA
Bei Kühlkörpermontage kann die Verlustleistung P nach Gl. 6.16 abgeführt werden.
ϑ j − ϑa
P =
R thJC + R thCK + R thKA
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
(6.15)
(6.16)
FB Technik, Abt. E+I 58
Der Wärmewiderstand von Kühlkörpern
RthKA wird in K/W angegeben. Bei Profilkühlkörpern bezieht sich der Listenwert auf
50-mm-Abschnitte.
Der Wärmewiderstand RthKA für quadratische, blanke und senkrecht freistehende
Aluminiumbleche kann der nachfolgenden
Abbildung entnommen werden.
Bei waagrechter Montage muss die ermittelte Fläche um 30 % größer sein, bei geschwärzten Blechen kann die Fläche 30 %
kleiner sein.
Wärmewiderstand von
Aluminiumblechen, Kantenlänge
quadratischer, blanker Bleche bei
senkrechter Anordnung
Halbleiterdioden im Schaltkreis
Ist ein Netzwerk bis auf ein Bauelement (z.B. eine Diode) linear, so wird für die übrige Schaltung
die lineare Ersatzspannungsquelle oder die lineare Ersatzstromquelle berechnet.
Für die Reihenschaltung aus linearer Ersatzspannungsquelle und Diode gilt:
U 0 − U F1 − I F1 ⋅ R1 = 0
(6.17)
Die Spannungsaufteilung erfolgt graphisch. Zur Konstruktion der Widerstandskennlinie ist neben
der Leerlaufspannung U0 der Kurzschlussstrom Ik = U0/R1 der Ersatzspannungsquelle erforderlich.
IF1
IF
Ik
R1
UF1
U0
IF1
U0
0
0
UF1
UF
Ersatzspannungsquelle und Halbleiterdiode, graphische Ermittlung des Vorwärtsstromes
und der Teilspannungen
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 59
Auszüge aus den Datenblättern der Silizium-Epitaxial-Planar-Diode 1N 4148
Anwendungen:
Extrem schnelle Schalter
Vergleichstypen:
1N 4149, 1N 4449, 1N 914, 1N 916
Abmessungen in mm:
1,9 0,55
Kathode
26
3,9
Normgehäuse nach DIN 41880
DO 35
m < 0,15 g
26
Absolute Grenzdaten (Absolute maximum ratings):
- Periodische Spitzensperrspannung (Repetitive peak reverse voltage)
- Sperrspannung (Reverse voltage)
- Stoßdurchlassstrom (Surge forward current, tP ≤ 1 µs)
- Periodischer Durchlassspitzenstrom (Repetitive peak forward current)
- Durchlassstrom (Forward current)
- Durchlassstrom, Mittelwert (Average forward current, UR = 0)
- Verlustleistung (power dissipation, l = 4 mm)
bei ϑa = 45°C
bei ϑa ≤ 25°C
- Sperrschichttemperatur (Junction temperature)
- Lagerungstemperaturbereich (Storage temperature range)
URRM = 100 V
UR = 75 V
IFSM = 2000 mA
IFRM = 450 mA
IF = 200 mA
IFAV = 150 mA
PV = 440 mW
PV = 500 mW
ϑj = 200°C
ϑstg = -65 ... +200°C
Wärmewiderstand (Thermal resistance)
- Sperrschicht - Umgebung (Junction - ambient, l = 4 mm)
RthJA = 350 K/W
Kenngrößen (Characteristics, ϑj = 25°C)
- Durchlassspannung (Forward voltage, IF = 10 mA)
- Sperrstrom (Reverse current) bei UR = 20 V
bei UR = 20 V, ϑj = 150°C
bei UR = 75 V
- Durchbruchspannung (Breakdown voltage, IR = 100 µA)
- Diodenkapazität (Diode capacitance)
(UR = 0, f = 100 MHz, UHF = 50 mV)
- Richtwirkungsgrad (Rectification efficiency)
(f = 100 MHz, UHF = 2 V)
- Rückwärtserholzeit (Reverse recovery time)
Min.
UF
IR
IR
IR
U(BR) 100 V
CD
ηr
trr
Typ
0,72 V
Max.
1,0 V
25 nA
50 µA
5 µA
2 pF
45 %
8 ns
1,0
IF = 100 mA
UF 0,8
V
0,6
10 mA
Vorwärtsspannung UF der Si-Diode
1N 4148 in Abhängigkeit
der Sperrschichttemperatur ϑj bei
verschiedenen Vorwärtsströmen
1 mA
0,4
0,1 mA
0,2
0
-20
G. Schenke, 1.2008
0
20
40
60
ϑj / °C
80
100
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 60
1000
1000
100
IR
nA
100
IF
mA
10
1
0,1
10
Streugrenze
0
0,5
UF / V
1,0
1
1,5
Vorwärtskennlinie IF = f{UF}
der Si-Diode 1N 4148 bei tj = 25°C
Streugrenze
1
10
UR / V
100
Rückwärtskennlinie IR = f{UR}
der Si-Diode 1N 4148 bei tj = 25°C
Auszüge aus den Datenblättern der Silizium-Diffusions-Dioden 1N 4001 ... 1N 4007
Anwendungen:
Gleichrichter
3,1 0,9
Abmessungen in mm:
Kathode
26
6,4
26
Absolute Grenzdaten (Absolute maximum ratings):
- Sperrspannung, Periodische Spitzensperrspannung
(Reverse voltage, Repetitive peak reverse voltage)
-
Kunststoffgehäuse
DO 7
m < 0,5 g
1N 4001
1N 4002
1N 4003
1N 4004
1N 4005
1N 4006
1N 4007
Stoßdurchlassstrom (Surge forward current, tP ≤ 1 µs)
Durchlassstrom, Mittelwert (Average forward current, UR = 0)
Sperrschichttemperatur (Junction temperature)
Lagerungstemperaturbereich (Storage temperature range)
Wärmewiderstand (Thermal resistance)
- Sperrschicht - Umgebung (Junction - ambient, l = 25 mm)
Kenngrößen (Characteristics, ϑj = 25°C)
- Durchlassspannung (Forward voltage, IF = 1 A)
- Sperrstrom (Reverse current) bei UR = URRM
UR = URRM, ϑj = 100°C
G. Schenke, 1.2008
RthJA = 85 K/W
Min.
UF
IR
IR
Bauelemente der Elektrotechnik
UR = URRM = 50 V
UR = URRM = 100 V
UR = URRM = 200 V
UR = URRM = 400 V
UR = URRM = 600 V
UR = URRM = 800 V
UR = URRM = 1000 V
IFSM = 50 A
IFAV = 1 A
ϑj = 175°C
ϑstg = -65 ... +175°C
Typ
0,95 V
60 nA
5 µA
Max.
1,1 V
10 µA
50 µA
FB Technik, Abt. E+I 61
10
IR
µA
Sperrstrom IR der Si-Dioden
1N 4001 .... 1N 4007 in
Abhängigkeit der relativen
Spitzensperrspannung
UR / URRM
ϑJ = 100°C
1
0,1
ϑJ = 25°C
0,01
0
20
40
60
80
UR / URRM in %
100
10
iF
A
Augenblickswert des Durchlassstromes iF der Si-Dioden
1N 4001 .... 1N 4007 in Abhängigkeit
des Augenblickswertes der
Durchlassspannung uF
ϑJ = 25°C
Pulsbreite =300 µs
1% Lastspiel
1
0,1
0,01
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
uF / V
ϑJ = 25°C
f = 1 MHz
u~ = 50 mVp-p
10
Sperrschichtkapazität Cj der
Si-Dioden 1N 4001 .... 1N 4007
in Abhängigkeit der
Sperrspannung UR
Cj
pF
1
0,1
G. Schenke, 1.2008
1
10
UR / V
100
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 62
6.3 Zenerdioden
Z-Dioden sind besonders dotierte Si-Dioden. Sie werden in Sperrrichtung bei der Zenerspannung
UZ0 niederohmig. Im Durchlassbereich verhalten sie sich wie normale Si-Dioden. Der
niederohmige Zustand in Sperrrichtung wird durch zwei Effekte hervorgerufen, durch den
Zenereffekt und durch den Lawineneffekt. Durch entsprechende Dotierung werden Z-Dioden mit
Zenerspannungen von 2 V bis 600 V hergestellt.
Zenereffekt
Die Sperrspannung verursacht in der Sperrschicht der Z-Diode eine hohe elektrische Feldstärke.
Bei einer Feldstärke von rd. 20 V/µm werden auf die Elektronen im Kristallgitter so große Kräfte
ausgeübt, dass Elektronen aus den Kristallbindungen herausgerissen werden. Gleichzeitig entstehen Löcher, die sich wie positive Ladungsträger verhalten. Die Sperrschicht enthält freie
Ladungsträger und ist damit leitfähig.
Der Zenerdurchbruch ist temperaturabhängig; je mehr die Atome durch Wärmeeinfluss
schwingen, um so kleiner ist die Durchbruchspannung (negativer Temperaturbeiwert).
Bei Z-Dioden mit einer Zenerspannung UZ0 ≤ 5 V wird die sehr schmale Grenzschicht (hohe
Dotierung) aufgrund des Zenereffekts leitfähig.
Lawineneffekt
Die Ladungsträger des geringen Sperrstromes und die durch den Zenereffekt freigemachten
Elektronen werden durch das elektrische Feld stark beschleunigt. Durch ihre große Energie
können sie andere Elektronen aus ihren Kristallbindungen schlagen. Die Zahl der Elektronen
steigt lawinenartig an. Die Sperrschicht ist jetzt mit freien Ladungsträgern überschwemmt und
damit niederohmig. Dieser Lawineneffekt wird auch Avalanche-Effekt genannt. Im Prinzip ist es
eine Stoßionisation im Inneren des Kristalls. Der Lawineneffekt wird bei Z-Dioden mit einer
Zenerspannung UZ0 ≥ 5 V wirksam.
Durchbruchverhalten und Regeneration der Sperrschicht
Bei Zenerdioden überlagern sich Zenereffekt und Lawineneffekt besonders im Bereich
5 V ≤ UZ0 ≤ 15 V. Man spricht von einem Z-Durchbruch der Sperrschicht.
Nach dem Z-Durchbruch ist eine Begrenzung des Stromes unbedingt erforderlich, da sonst die ZDiode zerstört wird. Sinkt die Spannung unter den Wert von UZ0, so werden keine Ladungsträger
mehr freigesetzt. Die Sperrschichtzone verarmt an Ladungsträgern. Noch vorhandene freie
Elektronen rekombinieren.
Vom Hersteller wird ein höchstzulässiger Strom IZmax und eine höchstzulässige Verlustleistung
Ptot angeben.
Zener-Dioden BZX 55 (0,7 W) und BZX 85 (1,3 W)
Kennlinien, Kennwerte, Grenzwerte
Die Kennlinie einer Z-Diode in Sperrrichtung besteht aus dem Sperrbereich, dem Knickbereich
und dem Stabilisierungsbereich (Durchbruchsbereich). Der Arbeitspunkt der Zenerdiode liegt im
Stabilisierungsbereich. Die Nennspannung der Zenerdiode UZN (auch Zenerkennspannung UZK
genannt) wird bei einem bestimmten Strom IZ (meist 5 mA) angegeben. Diese Spannung liegt
geringfügig über der Spannung UZ0, bei der der Durchbruch beginnt.
Aus dem Anstieg der Durchbruchskennlinie erhält man den differentiellen Widerstand rZ.
dU Z
rZ =
(6.18)
dI Z
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 63
Die Durchbruchskennlinien von Z-Dioden mit Zenerspannungen 6 V ≤ U ≤ 8 V verlaufen besonders steil. Ihr differentieller Widerstand rZ ist sehr klein.
Z-Dioden mit der Nennspannung UZN ≤ 6 V besitzen einen negativen Temperaturkoeffizient αZ,
da der Durchbruch vorwiegend durch den Zenereffekt erfolgt.
Bei Z-Dioden mit der Nennspannung 6 V < UZN < 8 V ist der Temperaturkoeffizient αZ ≈ 0, da
der Durchbruch durch Zener- und Lawineneffekt gemeinsam erfolgt. Z-Dioden mit der
Nennspannung UZN ≥ 8 V besitzen einen positiven Temperaturkoeffizient αZ, da der Durchbruch
vorwiegend durch den Lawineneffekt erfolgt.
20
10
UZ / V
UZN
IF = f{UF}
IF
mA 10
5
0,5
IZmess (Messstrom)
1
UF / V
10
IZ = f{UZ}
20
IZ
mA
Schaltzeichen
der Z-Diode
30
Vorwärts- und Rückwärtskennlinie der Z-Diode
Der Betrag der Verschiebung von UZN beträgt:
∆U ZN = U ZN ⋅ α Z ⋅ ∆ϑ j
(6.19)
∆UZN Betrag der Verschiebung von UZN
Zenerspannung bei 25°C (IZ = 5 mA)
UZN
Temperaturkoeffizient
αZ
∆ϑj
Temperaturerhöhung der Sperrschicht über 25°C
Die Verlustleistung Ptot ergibt sich aus der anliegenden Diodenspannung UZ und dem fließenden
Strom IZ.
Ptot = U Z ⋅ I Z
(6.20)
Kennwerte der Z-Diode:
Differentieller Widerstand
rZ
Nennzenerspannung
UZN
Temperaturkoeffizient (auch TKZ)
αZ
Wärmewiderstand (Sperrschicht-Umgebungsluft)
RthJA
Grenzwerte der Z-Diode:
IZmax
Höchstzulässiger Strom
Höchstzulässige Verlustleistung
Ptot
ϑj
Maximale Sperrschichttemperatur
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 64
Z-Dioden im Schaltkreis
Z-Dioden eignen sich hervorragend zur Spannungsstabilisierung. Außerdem benutzt man ZDioden als Begrenzerdioden.
~
IZ
R1
=
UZ
Ui
R2
Spannungsstabilisierung mit einer Z-Diode
Für die Dimensionierung der Spannungsstabilisierung muss der kleinste Strom IZmin der
Zenerdiode und der größte Strom IZmax berechnet werden.
Ui min − U Z
UZ
−
(6.21)
R1
R 2 min
U
UZ
− UZ
−
(6.22)
I Z max = i max
R1
R 2 max
Auszüge aus den Datenblättern der Silizium-Epitaxial-Planar-Z-Dioden BZX 85/C ...
I Z min =
Anwendungen:
Spannungsstabilisierung
Abmessungen in mm:
2,5
Kathode
26
4,1
0,85
Normgehäuse nach DIN 41880
DO 41
m < 0,3 g
26
Absolute Grenzdaten (Absolute maximum ratings):
- Verlustleistung (power dissipation, l = 4 mm)
bei ϑa = 25°C
- Sperrschichttemperatur (Junction temperature)
- Lagerungstemperaturbereich (Storage temperature range)
PV = 1,3 W
ϑj = 175°C
ϑstg = -65 ... +175°C
Wärmewiderstand (Thermal resistance)
- Sperrschicht - Umgebung (Junction - ambient, l = 4 mm)
RthJA = 110 K/W
Kenngrößen (Characteristics, ϑj = 25°C)
- Durchlassspannung (Forward voltage, IF = 200 mA)
Typ
BZX 85/C 2V7
BZX 85/C 3V3
BZX 85/C 3V9
BZX 85/C 4V7
BZX 85/C 5V1
BZX 85/C 5V6
BZX 85/C 6V8
BZX 85/C 8V2
BZX 85/C 10
BZX 85/C 12
BZX 85/C 15
BZX 85/C 18
G. Schenke, 1.2008
UZ/ V
2,5
3,1
3,7
4,4
4,8
5,2
6,4
7,7
9,4
11,4
13,8
16,8
... 2,9
... 3,8
... 4,1
... 5,0
... 5,4
... 6,0
... 7,2
... 8,7
... 10,6
... 12,7
... 15,6
... 19,1
TKUZ
10-4/K
-8 ... –5
-8 ... –5
-7 ... –2
-3 ... +4
-1 ... +4
0 ... +4,5
+1,5 ... +6
+3 ... +7
+4 ... +8
+4,5 ... +8,5
+5,5 ... +9
+6 ... +9
Min.
Typ
UF
rzj bei IZ
Ω
mA
<20 80
<20 80
<15 60
<13 45
<10 45
<7
45
<3,5 35
<5
25
<7
25
<9
20
<15 15
<20 15
Bauelemente der Elektrotechnik
rzj bei IZ
Ω
mA
<400 1
<400 1
<500 1
<600 1
<500 1
<400 1
<300 1
<200 0,5
<200 0,5
<350 0,5
<500 0,5
<500 0,5
Max.
1,0 V
IR bei
µA
<150
< 40
< 10
<3
<1
<1
<1
<1
< 0,5
< 0,5
< 0,5
< 0,5
UR
V
1
1
1
1,5
2
2
4
5
7
8,4
10,5
12,5
FB Technik, Abt. E+I 65
200
2,0
l
l
160
1,6
Ptot
W
RthJA
K/W
1,2
120
l = 4 mm
10 mm
20 mm
l
0,8
80
0,4
40
0
-50
0
50
100 150
ϑa / °C
ϑL = konstant
0
0
200
Gesamtverlustleistung der BZX 85/C...
in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur
l
5
10
15
l / mm
20
25
Wärmewiderstand der BZX 85/C...
in Abhängigkeit der Drahtlänge
300
IZ = 1 mA
2 mA
1000
100
5 mA
RZj
Ω
f = 1 MHz
ϑa = 25°C
300
Cj
10 mA
30
pF
20 mA
100
10
UR = 0 V
2V
30
3
5V
20 V
10
30 V
0
10
20
30
40 50
UZ / V
60
Sperrschichtkapazität der BZX 85/C...
in Abhängigkeit der Zenerspannung
G. Schenke, 1.2008
1
1
3
10
UZ / V
30
100
Differentieller Widerstand der BZX 85/C...
in Abhängigkeit der Zenerspannung
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 66
6.4 Spezielle Dioden
Kapazitätsdioden
Kapazitätsdioden werden aus Silizium oder Galliumarsenid hergestellt. Ihre Kapazität lässt sich
mit der Rückwärtsspannung verändern. Sie wird vorwiegend zur Abstimmung von HF-Schwingkreisen eingesetzt.
Die Gesamtkapazität der Diode CD setzt sich aus der Sperrschichtkapazität Cj (siehe Cs in Gl. 6.4)
und der Gehäusekapazität Cs (parasitäre Gehäusekapazität) zusammen.
Der Parallelwiderstand rj ist der differentielle Sperrschichtwiderstand (abhängig von UR). Der
Serienwiderstand rs besteht aus dem eigentlichen Halbleiterwiderstand (Halbleiterbahnwiderstand
und Widerstand der Anschlüsse). Bei sehr hohen Frequenzen muss auch die Streuinduktivität Ls
berücksichtigt werden.
Kathode
Anode
Schaltzeichen
und Ersatzschaltbild der
Kapazitätsdiode
rj
rs
Ls
Cj
Die Güte Q, die der Kehrwert des
Verlustfaktors tanδ ist, nimmt mit
steigender Sperrschichttemperatur ab und
mit steigender Sperrspannung zu.
Cs
Q =
1
1
=
tan δ
2π ⋅ f ⋅ C D ⋅ rs
(6.23)
Auszüge aus den Datenblättern der Silizium-Planar-Kapazitäts-Zweifachdiode BB 204
Anwendungen: Abstimmung von zwei getrennten Schwingkreisen und Gegentaktschaltungen
im UKW-Bereich
Abmessungen
0,5
in mm:
A2
K
A1
2,54
4,2
Kunststoffgehäuse nach DIN 41868
T0 92
m < 0,2 g
5,2
5,2
2
12,4
Absolute Grenzdaten (Absolute maximum ratings):
- Sperrspannung (Reverse voltage)
- Durchlassstrom (Forward current)
- Lagerungstemperaturbereich (Storage temperature range)
Kenngrößen (Characteristics, ϑj = 25°C)
- Sperrstrom (Reverse current) bei UR = 30 V
- Durchbruchspannung (Breakdown voltage, IR = 10 µA)
- Diodenkapazität (Diode capacitance), grün (green)
blau (blue)
(UR = 3 V, f = 1 MHz)
(UR = 30 V, f = 1 MHz)
- Kapazitätsverhältnis (Capacitance ratio)
(f = 100 MHz, CD (3 V) / CD (30 V))
- Serienwiderstand (Serial resistance)
(CD = 38 pF, f = 100 MHz)
G. Schenke, 1.2008
UR = 30 V
IF = 100 mA
ϑstg = -65 ... +150°C
Min.
IR
U(BR)
CD
CD
CD
CD
rs
Bauelemente der Elektrotechnik
Typ
32 V
34 pF
37 pF
2,5
Max.
50 nA
39 pF
42 pF
14 pF
2,65
2,8
0,3 Ω
0,4 Ω
FB Technik, Abt. E+I 67
80
ϑj = 25°C
f = 1 MHz
60
BB 204 blau
CD
pF
40
BB 204 grün
Kapazität CD der KapazitätsZweifachdiode BB 204 in Abhängigkeit
der Sperrspannung
20
0
0,1
1
UR / V
10
100
Tunneldiode
Tunneldioden sind Germaniumdioden mit extrem starker Dotierung. Die durch Ladungsträgerdiffusion entstehende Sperrschicht ist wegen der hohen Dotierung extrem dünn, so dass sie von
Elektronen ab eines bestimmten Energiezustandes durchlaufen werden kann.
Tunneleffekt
IF
Gipfelpunkt
Gipfel- I
strom P
∆U
AP
∆I
Diodenkennlinie
Tal- I
strom V
UR
IR
UP
Gipfelspannung
UV
Talspannung
UF
Vorwärtskennlinie der Tunneldiode
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 68
Wird an die Tunneldiode in Durchlassrichtung eine Spannung UF = 10 mV angelegt, so fließt ein
Strom, obwohl die Sperrschicht noch nicht abgebaut ist. Die Sperrschicht wird von den
Elektronen „durchtunnelt“.
Anode
Kathode
Schaltzeichen der Tunneldiode
Gipfelpunkt P (65 mV ≤ Up ≤ 110 mV, IP) und Talpunkt V (UV ≈ 300 mV, IV) kennzeichnen eine
Tunneldiode. Im Bereich von P bis V ist der differentielle Widerstand rj, auch RN genannt,
negativ. Da die Sperrschicht der Tunneldiode sehr dünn ist, tritt der Zenerdurchbruch schon bei
sehr kleinen Spannungswerten auf. Sie hat somit praktisch keinen Sperrzustand. Für die Tunneldiode gilt die Ersatzschaltung der Kapazitätsdiode entsprechend.
Werden Tunneldioden im negativen Widerstandsbereich betrieben, so wirken sie wie aktive
Bauelemente. Mit ihnen können Verstärkerstufen und Oszillatoren bis in den Gigahertzbereich
aufgebaut werden.
Backwarddioden sind spezielle Germanium-Tunneldioden. Aufgrund ihrer besonderen Dotierung
und eines abgewandelten Aufbaues zeigen sie nur ein geringes Strommaximum. Backwarddioden
können kleinste Wechselspannungen auch bei höchsten technisch genutzten Frequenzen gleichrichten.
Suppressor-Diode
Die Suppressor-Diode ist in Aufbau und Wirkungsweise mit der Z-Diode vergleichbar. Beide
Dioden werden in Rückwärtsrichtung betrieben.
Die Suppressor-Diode wird zur Begrenzung von Überspannungsspitzen eingesetzt. Hohe
Impulsbelastbarkeit und Ansprechverhalten in wenigen Picosekunden sind ihre besonderen
Merkmale.
Schottky-Dioden
Schottky-Dioden sind Metall-Halbleiter-Dioden. Eine Metallzone (Al, Mo, Ni) ist mit einer nSilizium-Zone eng verbunden. Da die Elektronen im n-Silizium einen höheren Energiezustand
haben als die Elektronen im Metall, wandern überwiegend Elektronen von der n-Silizium-Zone in
die Metallzone. Durch die Ladungsträgerdiffusion entsteht eine Raumladungszone.
Bei einer bestimmten Breite der RaumladungsAnode
zone stellt sich durch das elektrische Feld ein
Metallelektrode
Gleichgewichtszustand ein. Die Kräfte des
Siliziumdioxid elektrischen Feldes verhindern ein weiteres
PN-ÜberN
Übertreten von Elektronen aus der n-SizliziumSilizium
gang
N+
Zone in das Metall.
Gehäuseboden, Kathode
Schottky-Diode im Schnitt
Polt man eine Schottky-Diode in Sperrrichtung (Kathode positiver als Anode), so wird die Raumladungszone verbreitert.
Wird die Schottky-Diode in Durchlassrichtung (Anode positiver als Kathode) gepolt, so wird die
Raumladungszone abgebaut. Elektronen, also nur Majoritätsträger, fließen von der n-SiliziumZone in die Metallzone. Die bei Vorwärtspolung vom n-Silizium in das Metall injizierten
Elektronen besitzen relativ viel Energie. Man bezeichnet sie deshalb als heiße Elektronen. Die
Schottky-Diode wird deshalb auch "Hot-Carrier"-Diode (HCD) genannt.
Die Schottky-Diode besitzt etwa die halbe Schleusenspannung einer pn-Diode gleicher
Dotierungsstärke. Sie besitzt nämlich nur einen halben pn-Übergang; die etwa 0,3 nm dicke
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
FB Technik, Abt. E+I 69
Raumladungszone auf der Metallseite liefert praktisch keinen Beitrag zur Schleusenspannung
(0,2 V ≤ U(T0) ≤ 0,5 V). Die Vorwärtsverluste sind gering.
10
IF = f{UF}
IF
mA
5
UR / V
40
30
50
20
SchottkyDiode
Ge-Spitzendiode
10
0,5
SchottkyDiode
Ge-Spitzendiode
100
UF / V
1
IR
µA
200
IR = f{UR}
300
Vorwärts- und Rückwärtskennlinie der Ge-Spitzendiode und der Schottky-Diode
Der Übergang vom Durchlasszustand in den Sperrzustand erfolgt sehr rasch, da keine Minoritätsträger ausgeräumt werden müssen. Das Schalten vom Sperrzustand in den Durchlasszustand
erfordert wenig Zeit, da die Sperrschicht sehr schnell abgebaut ist.
Die Schottky-Diode ist eine extrem schnelle Schalterdiode. Typische Anwendungen sind:
Samplingschaltungen, Begrenzer, Detektoren und Mischer bis in den Mikrowellenbereich.
Das schlechte Sperrverhalten lässt sich durch einen p-Schutzring (Guardring) verbessern. Mit
Guardring kann die Sperrspannung einige hundert Volt betragen. Soll die Speicherzeit durch den
parallelen pn-Übergang nicht vergrößert werden, dann muss ein Metall (z.B. Mo) verwendet
werden, das auf n- wie auf p-Material einen sperrenden Kontakt bildet. Der Schutzring ist dann
bei jeder Polarität gesperrt.
Metall
Guard-Ring
SiO2
p
p
SiO2
n
Epi-Schicht
Schottky-Diode mit Schutzring
n+-Si-Substrat
Auszüge aus den Datenblättern der Niederspannungs-Schottky-Schutzdioden SL22 und
SL23 für Oberflächenmontage
Anwendungen:
Niederspannungsgleichrichter für hohe Frequenzen, Verpolungsschutz
Abmessungen in mm:
0,152 ... 0,305
3,30 ...3,94
1,95 ... 2,20
4,06 ... 4,57
2,13 ... 2,44
0,76 ... 1,52
Kunststoffgehäuse, D0-214AA, m = 0,093 g
G. Schenke, 1.2008
Bauelemente der Elektrotechnik
0,203
5,21 ... 5,59
FB Technik, Abt. E+I 70
Absolute Grenzdaten (Absolute maximum ratings):
SL22 SL23
- Periodische Spitzensperrspannung (Repetitive peak reverse voltage) URRM = 20 V 30 V
14 V 21 V
- Sperrspannung (Reverse voltage)
UR =
60 A
- Stoßdurchlassstrom (Surge forward current)
IFSM =
2A
- Durchlassstrom (Forward current)
IF =
- Sperrschichttemperatur (Junction temperature)
ϑj = -55 ... +125°C
ϑstg = -55 ... +150°C
- Lagerungstemperaturbereich (Storage temperature range)
Wärmewiderstand (Thermal resistance)
- Sperrschicht - Umgebung (Junction - ambient)
RthJA =
Kenngrößen (Characteristics, ϑj = 25°C)
- Durchlassspannung (Forward voltage, IF = 1,0 A, ϑj = 125°C)
(IF = 1,0 A, ϑj = 25°C)
(IF = 2,0 A, ϑj = 125°C)
(IF = 2,0 A, ϑj = 25°C)
IR
- Sperrstrom (Reverse current) bei ϑj = 25°C
IR
bei ϑj = 100°C
100
70
ϑj = 125°C
10
IF
A
IFSM
ϑj = 25°C
A
Typ
0,230 V
0,390 V
0,280 V
0,430 V
UF =
UF =
UF =
UF =
75 K/W
Max.
0,280 V
0,395 V
0,320 V
0,440 V
0,4 mA
10 mA
60
60 Hz
50
40
1
30
50 Hz
20
0,1
10
0,01
0
0,5
1,0
1,5
0
1
10
100
Anzahl der Netzperioden
UF / V
Vorwärtskennlinie (IF = f{UF}) und Stoßdurchlassstrom IFSM in Abhängigkeit der
Netzperioden der Schottky-Dioden SL22 und SL23
1000
Sperrschichtkapazität
in Abhängigkeit der
Sperrspannung
(Cj = f{UR})
der Schottky-Dioden
SL22 und SL23
300
Cj
pF
100
0,1
0,3
G. Schenke, 1.2008
1
UR / V
3
10
30
Bauelemente der Elektrotechnik
100
FB Technik, Abt. E+I 71