Kapitel 2 - public.fh
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Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Elektronische Bauelemente 2. Halbleiterdiode 2.1 pn-Übergang Die elementare Struktur für den Aufbau elektronischer Schaltungen sind aneinander grenzende komplementär dotierte Halbleitermaterialien. Beim Übergang eines n-dotierten Halbleiters zu einem p-dotierten Gebiet ergibt sich der sogenannte pn-Übergang. An dieser Stelle treffen nun die freien Ladungsträger aufeinander. Da sie eine entgegengesetzte Polarität ihrer Ladung aufweisen, neutralisieren sie sich innerhalb einer Zone um den pnÜbergang herum. Man spricht dabei von Rekombination. In dem Übergangsbereich entsteht dabei eine von Ladungsträgern freie Zone, so dass keine Leitfähigkeit mehr gegeben ist. Daher nennt man diesen Bereich eine Sperrschicht. Gleichzeitig ergibt sich durch die Rekombination von Elektronen und Löchern eine Raumladungszone mit einer sogenannten Diffusionsspannung ∆U, die der weiteren Drift der Ladungsträger aufeinander zu entgegen wirkt. Entstehung der Diffusionsspannung beim pn-Übergang Die sich gegenüberstehenden Raumladungen wirken wie ein Plattenkondensator. Ein pn-Übergang wirkt also kapazitiv. Die Größe dieser Kapazität hängt neben der Fläche des pn-Überganges auch von der Tiefe der Raumladung in die jeweils andere Dotierungszone ab. Die Tiefe der Raumladung wiederum wird von der jeweiligen Dotierung beeinflusst und kann zudem durch eine von außen angelegte Spannung verändert werden. 12 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Elektronische Bauelemente Spannt man das p-dotierte Halbleitergebiet positiv gegenüber dem n-dotierten Gebiet vor, werden die freien Ladungsträger aus beiden Bereichen aufeinander zu getrieben. Die Ausdehnung w der Sperrschicht nimmt ab, bis sie letztlich verschwindet und der pn-Übergang leitend wird. Wird hingegen die angelegte Spannung umgepolt, so werden die Ladungsträger voneinander weg gezogen. Damit vergrößert sich die Ausdehnung der Sperrschicht, der pn-Übergang sperrt und ist nichtleitend. Abhängigkeit der Sperrschichtausdehnung w von einer angelegten externen Spannung U Ein in Sperrrichtung vorgespannter pn-Übergang lässt allerdings einen kleinen Sperrstrom fließen. Dieser Strom ergibt sich durch thermische Generation von Elektronen-Loch-Paaren im ansonsten ladungsträgerfreien Raumladungsgebiet (innerhalb w2). Diese Generation kann natürlich genauso durch Bestrahlung mit Licht (zusätzlich) von statten gehen und den Sperrstrom entsprechend ansteigen lassen. 13 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Elektronische Bauelemente 2.2 Diodenkennlinie Der beschriebene pn-Übergang entspricht dem Aufbau einer Halbleiterdiode. An den externen Anschlüssen der Diode wird die Spannung positiv von der p- zur n-Dotierung definiert und der entsprechende Strom positiv von außen in das p-Gebiet hinein gezählt. Die Strom/Spannungskennlinie zeigt dabei deutlich das unterschiedliche Verhalten des pnÜbergangs bei positiver oder negativer angelegter Spannung (Gleichrichtereigenschaft): UU I = I s ⋅ e T − 1 typische Werte: UT = 40mV 0 (exakter Wert bei 300 K: 26mV) IS ≈ 10µA (Germanium) IS ≈ 10nA (Silizium) Typische Kennlinie einer Halbleiterdiode Bei zu großer negativer Spannung wird die Sperrschicht schlagartig leitend, der Strom steigt dann sehr steil an. Dies erklärt sich dadurch, dass bei dieser Spannung (Zenerspannung) innerhalb der Raumladungszone gebundene Ladungsträger durch eine zu hohe Feldstärke aus ihren Bindungen gerissen werden. Dies kann auch durch eindiffundierende Ladungsträger erfolgen, die dann in der Sperrschicht weitere Ladungsträger aus ihren Bindungen herausschießen (Lawineneffekt). 14 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Elektronische Bauelemente 2.3 Ersatzschaltbild der Diode Wird die Diode im leitenden Bereich betrieben, kann man ihr je nach Vorspannung U0 (Arbeitspunkt) einen differentiellen Leitwert bzw. Widerstand zuweisen, der für eine Aussteuerung mit einer ausreichend kleinen Wechselspannung maßgeblich ist. Weiterhin wirkt auch die bereits erläuterte Sperrschichtkapazität. Beides wird in dem Wechselspannungsersatzschaltbild einer Halbleiterdiode berücksichtigt. Zusammenhang von nicht linearer Kennlinie und differentiellem Leitwert Schaltbild Ersatzschaltung 15 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Elektronische Bauelemente 2.4 Diodentypen und Anwendungen Der klassische Einsatz einer Diode ist ihre Funktion als Gleichrichter. Häufig geht man hier von einer idealisierten Kennlinie aus, die zwischen ideal leitend und ideal sperrend betrieben wird. Man vernachlässigt dabei die typische Flussspannung von ca. 0,7 V. Ideale Diodenkennlinie (Gleichrichterkennlinie) Einweg-Gleichrichterschaltung Eingangsspannung Ausgangsspannung nicht geglättet Ausgangsspannung mit Glättung (Kondensator) 16 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Elektronische Bauelemente Beim Einsatz einer Diode in einem Netzteil muss der zugehörige Kondensator möglichst groß sein, um idealerweise eine konstante Ausgangsspannung (Gleichspannung) ohne Welligkeit zu gewährleisten. Ohne ausgangsseitige Belastung entspricht diese Gleichspannung dem Scheitelwert der eingangsseitigen Wechselspannung Û. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich über der Diode in Sperrrichtung eine Spannung von 2Û ergibt: Netzteil Spannungen vor und hinter der Diode 17 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Elektronische Bauelemente Zweiweg-Gleichrichterschaltung (Graetzgleichrichterschaltung) Eingangsspannung Ausgangsspannung nicht geglättet Ausgangsspannung mit Glättung (Kondensator) 18 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Elektronische Bauelemente Wird die Diode mit ihren realen Eigenschaften betrachtet, muss ihre Kennlinie beim Entwurf einer Schaltung berücksichtigt werden. Sie ist hier nicht mehr als ideales Bauelement anzusehen. Als Beispiel sei eine Serienschaltung aus Widerstand und Diode an einer Spannungsquelle U0 gegeben: Bedingt durch die Serienschaltung ist leicht einzusehen, dass durch den Widerstand und die Diode der gleiche Strom I0 fließt. Anderseits gilt U0 = U R + U D Gesucht ist bei gegebenem Widerstand, bekannter Quellenspannung U0 und vorliegender Diodenkennlinie der Strom I0. Die obige Darstellung liefert einen Arbeitspunkt an der Diode, der durch die beiden Gleichwerte UD und I0 gekennzeichnet ist. Überlagert sich jetzt eine Wechselspannung u(t) auf die Quellenspannung U0 führt das auch zu Wechselgrößen an der Diode, die sich dem Arbeitspunkt überlagern. Quellenspannung: Diodenspannung: Strom: U 0 + u0 (t ) U D + u D (t ) I 0 + i0 (t ) 19 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Elektronische Bauelemente Bei ausreichend kleiner Wechselaussteuerung ist für die Wechselgrößen die Steigung der Diodenkennlinie maßgeblich (differentieller Leitwert bzw. Widerstand als Steigung der Kennlinie am Arbeitspunkt). Diodenkennlinie mit Arbeitspunkt und zusätzlicher Wechselaussteuerung Durch Verschiebung des Arbeitspunktes verändert sich die Steilheit der Diodenkennlinie. Damit kann man einen steuerbaren Widerstand realisieren (im Extremfall einen Schalter). Im Verbund mit einem Spannungsteiler ist damit eine elektronische Amplitudensteuerung möglich. Kapazitive Ein- und Auskopplung der Wechselgröße u1(t) (Randbedingung: RV ; RL >> R1 ; r ) Resultierender Spannungsteiler für die Wechselgrößen u2 (t ) = r ⋅ u1 (t ) R1 + r 20 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Elektronische Bauelemente Berechnung der Diodensteilheit U UU UT T I = I s⋅ e − 1 ≈ I s⋅e Diodenkennlinie: (die Näherung ist für U>0 sehr gut erfüllt) I Is Aufgelöst nach U: U = U T ⋅ ln Steigung: 1 1 U dU = UT ⋅ ⋅ = T =r dI I / Is Is I differentieller Widerstand mit UT=26 mV bei 300 Kelvin ergibt sich I r 1 mA 26 Ω 10 mA 2,6 Ω 100 mA 0,26 Ω 1A 0,026 Ω Der Einsatz von Dioden als Schalter liefert die Basis der klassischen Diodenlogik, mit der unterschiedliche Gatterbausteine realisiert werden können. AND-Gatter OR-Gatter X1 0 0 1 1 X2 0 1 0 1 Y 0 0 0 1 X1 0 0 1 1 21 X2 0 1 0 1 Y 0 1 1 1 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Zenerdiode Elektronische Bauelemente In Sperrrichtung ergibt sich bei jeder Diode bei einer definierten Spannung (Zenerspannung UZ) ein Durchbruch. Die Kennlinie knickt scharf ab. Man kann Dioden hierfür durch besondere Dotierungen mit geringer Sperrschichtdicke für Durchbruchspannungen zwischen typisch 3...100 V herstellen. Anwendungsbeispiel: Stabilisiertes Netzteil mit Zenerdiode 22 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Kapazitätsdiode Elektronische Bauelemente Durch die Raumladungszone in der Sperrschicht einer Diode ergibt sich eine Kapazität, die in ihrer Größe von der vorhanden Sperrspannung abhängig ist. Je größer die Sperrspannung ist, desto tiefer erstreckt sich die Raumladungszone in die p- und nGebiete hinein. Die Schwerpunkte der beiden Raumladungen rücken also voneinander weg. Wie bei einem Plattenkondensator verringert sich daher die resultierende Kapazität. Mit steigender Sperrspannung wird also die Kapazität kleiner. Anwendungsbeispiel: Spannungsgesteuerter Oszillator (Voltage Controlled Oscillator - VCO) Häufig werden zwei Kapazitätsdioden in einem Gehäuse in einer Schaltung eingesetzt. Hier ergibt sich dadurch eine Serienschaltung der beiden Dioden. Der Schwingkreis hat damit eine Resonanzfrequenz von ω0 = 2π ⋅ f 0 = 1 L0 ⋅ (C0 + 12 Cd ) Dies ist auch die Schwingfrequenz des Oszillators. Durch eine geeignet gewählte Steuerspannung USteuer kann die Oszillatorfrequenz verändert werden. Prinzip: Steuerspannung steigt (Sperrspannung steigt) Sperrschicht breiter und damit Kapazität kleiner Resonanz- bzw. Schwingfrequenz steigt 23 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Elektronische Bauelemente Ausschnitte aus dem Datenblatt der zweifach Kapazitätsdiode BB212 (entnommen aus Datenblatt Philips): 24 Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald Schottky-Diode Elektronische Bauelemente Hier wird anstelle eines pn-Überganges eine Metall-HalbleiterSchichtfolge verwendet. Dabei wird beim Halbleiter typischerweise eine n-Dotierung verwendet. Die freien Elektronen aus dem n-Halbleiter driften dabei in das energetisch günstigere Metall und es bildet sich an der Grenzfläche im nGebiet eine positive Raumladungszone (durch die fehlenden Elektronen). Damit liegt auch hier eine Sperrschicht vor. Der Vorteil der Schottkydiode liegt in der geringeren Trägheit beim Umschalten zwischen Sperr- und Durchlassbetrieb. Ihr Einsatz ist also z.B. bei sehr schnellen Schaltvorgängen bis in den Gigahertzbereich gegeben. Tunneldiode Die Tunneldiode besteht aus einem pn-Übergang zwischen zwei sehr hoch dotierten Halbleitern. Durch die hohe Dotierung wird die Raumladungszone bzw. die Sperrschichtausdehnung sehr klein. Die jeweiligen Majoritätsträger können dabei diese sehr dünne Sperrschicht „durchtunneln“. Die Kennlinie einer Tunneldiode unterscheidet sich stark von einer normalen Diode. In klassischer Sperrichtung ergibt sich unmittelbar ein Durchbruch wie bei einer Zenerdiode. In Durchlassrichtung hingegen weist die Tunneldiode eine Kennlinie mit negativem Kurvenverlauf auf, der differentiell einem negativen Widerstand entspricht. Damit ist es möglich, einen Schwingkreis zu entdämpfen und Oszillatoren zu realisieren. Das gilt vorzugsweise vor allem für sehr hohe Frequenzen. 25
