Halbleiter - GIBB Files TS

Halbleiter
Halbleiter
IT-Handbuch S. 99-101
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Halbleiter
Das einfachste Halbleiter-Element: Die Diode – ein elektrisches Ventil
Das einfachste elektronische sogenannte Halbleiterelement heisst Diode. Und hat ein eigenartiges
Verhalten: Sie funktioniert als elektrisches Ventil, das den Strom nur in einer Richtung durchlässt.
Sie hat grossen technischen Nutzen, z.B. in jedem Netzgerät als Gleichrichter. Mehr später.
Anode
Nebenstehend das Schaltsymbol der Diode.
Der Pfeil zeigt die Richtung an, in der ein Strom fliessen kann
(also die Durchlassrichtung).
Der Strich zeigt die Richtung an, in der der Strom blockiert
wird (also die Sperrrichtung).
Katode
Die Anschlüsse heissen Anode und Katode (unabhängig
von der Polarität der äusseren Spannung)
Der Halbleiterkristall wird in verschiedenste Schutzgehäuse
eingebaut, aus dem die Anschlüsse herausragen. Meist wird
auf Kleingehäusen an der Seite der Katode ein Strich
angebracht. Dort ist auch der Strich im Schaltsymbol.
Die beiden untersuchten Anordnungen (zeichnen):
Kommentar:
Kommentar:
Die Ventil-Funktion anhand von Beispielen: Erklären oder kommentieren Sie die Schaltungen:
Mit Dioden lassen sich auch logische Verknüpfungen, also digitale Schaltungen realisieren! Das
obige Beispiel ist prinzipiell bereits eine logische Verknüpfung; ein Logikgatter, das auf verschiedene
Eingangszustände verschiedene Ausgangszustände liefert.
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Eigenschaften der Diode
•
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Die Diode ist ein elektrisches Ventil
Je nach Polarität einer angeschlossenen Spannung verhält sich also die Diode verschieden.
Wenn man Spannung und Strom bei einer Diode misst, bekommt man kein konstantes Verhältnis.
Die Diode ist somit kein lineares Element wie ein Widerstand, das heisst, das ohmsche Gesetz gilt nicht.
Eine Grafik welche Strom und Spannung aufzeigt, nennt man Kennlinie. Zur Aufzeichnung dieser Grafik trägt
man den Strom I durch ein Element bei verschiedenen Spannungen U über einem Element auf. Dies ergibt
dann die Kurve.
-> Schreibe die Achsen mit Werten an!
Achtung: Grafik asymmetrsich: Die Skalen links und oben enthalten grössere Werte als rechts und unten!
Bei einer Diode (oder jedem
andern Element) kann man mit
der Schaltung unten die
U-I-Kennlinie rechts ermitteln.
Möglicher Messaufbau:
UF
IF
UR
UBr
IR
Durchlassspannung (forward) = ungefährer Spannungsabfall im Durchlassbetrieb
Durchlassstrom bei UF
Sperrspannung (Rückwärtsspannung, U reverse)
Durchbruchspannung (U-break), abhängig vom Diodentyp, sollte möglichst hoch sein (>100V).
Sperrstrom bei UR
Vergleich: Bei einem Widerstand sind Strom und Spannung immer proportional, die Grafik ergäbe also eine
Gerade! (-> Zeichnen Sie eine Widerstandskennlinie in die Grafik!)
Aus dem Diagramm ist ableitbar:
Rechte Seite des Diagramms (Diode in Durchlassrichtung):
• Wenn man die Spannung über 0.7 steigert, steigt der Strom so extrem schnell und stark an,
dassdie Diode in Rauch aufgehen würde. Einen Wert von +3V kann man nicht erreichen und
sucht ihn im Diagramm vergeblich.
• Der Spannungsabfall kann aber kleiner sein als 0,7V (bis null oder auch negativ)
Linke Seite des Diagramms (Diode in Sperrrichtung):
• Wenn man die Spannung von 0 steigert (nach links ins Negative), dann steigt der Strom kaum an
(die Diode sperrt eben. Erst bei der rel. hohen Breakspannung (Durchbruchspannung) „schlägt“
die Spannung durch die Sperrschicht, der Strom steigt schlagartig an und kann eine empfindliche
Diode sofort zerstören.
Faustregel: Eine Silizium-Diode verursacht normalerweise im Durchlassbetrieb einen
Spannungsabfall von ca. 0,7 Volt. (Spannungsabfall=Spannung über der Diode)
(Bei Germaniumdioden ist der Spannungsabfall ca. 0,3V, und die Kennlinie ist weniger steil.)
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Beispiele und Uebungen zur Dioden als Ventile
1. Zeichne die möglichen Stromwege ein:
2. Denken Sie sich ein Ladenlokal mit zwei
gegenüberliegenden Eingängen mit elektrischen
Türen. Funktionsschema: Jede Türe hat einen
Oeffnungsknopf (Schalter), der auf den
entsprechenden Türmotor wirkt. Zusätzlich soll eine
Klingel ertönen, wenn die Türknopf 1 oder 2
gedrückt wird.
.
Beschreiben Sie in Worten, zu welchem Zweck
die beiden Dioden eingesetzt sind. Überlegen Sie
dabei, was wäre, wenn die Dioden fehlten oder
überbrückt wären.
In den folgenden Beispielen hat die Diode kaum eine erkennbare praktische Bedeutung. Die Beispiele
dienen der Anwendung des Spannungsabfalls und dem Verständnis der Diodenkennlinie.
3. Berechne, welcher Strom durch die Schaltung
fliesst.
5. Ergänze die „Blackbox“ mit Dioden, so dass sie
genau die folgende Wahrheitstabelle erfüllt.
Jede Lampe soll dabei genau gleich hell leuchten
(gleich viel Spannungsabfall „erleiden“)
4.
Wie gross ist der Strom in dieser Schaltung?
Wie gross ist die Spannung U über der Diode?
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Anwendung: Digitale Logik (logische Verknüpfungen) dank Dioden
Mit Dioden kann man logische Verknüpfungen von zwei Eingängen E1 und E2 zum Ausgang A
realisieren. Mt den Schaltern an den Eingängen können die logischen Zustände 0 (0V) und 1 (5V)
erzeugt werden. Am Ausgang misst man die logischen Zustände 0 (nahe 0 Volt) und 1 (nache 5 V):
OR-Verknüpfung
AND-Verknüpfung
OR-Funktion:
Der Ausgang A ist genau dann logisch 1, wenn
E1 oder E2 (oder beide) logisch 1 sind.
AND-Funktion:
Der Ausgang A ist genau dann logisch 1, wenn
E1 und E2 logisch 1 sind.
Sobald mind. 1 Eingang auf 1 steht, so fliesst
Strom über die Diode. Sie erzeugt 0,7V
Spannungsabfall, so dass Ua auf 4,3 V liegt, was
einer logischen 1 entspricht.
Wenn nämlich nur einer (oder beide) der
Eingänge auf 0 stehen, so fliesst Strom über die
Diode, welche 0,7V Spannungsabfall erzeugt, Ua
liegt parallel zur Diode, also führt der Ausgang
auch 0,7 V, was einer logischen 0 entspricht.
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Innere Funktion von Halbleitern
Elektrizität ist grundsätzlich auf elektrische Leiter angewiesen.
Das Gegenteil davon ist der Isolator.
Widerstände sind ein Zwischending, sie leiten den Strom schlecht, aber
immer gleich schlecht.
Der Halbleiter sollte eigentlich Je-nach-dem-Leiter heissen.
Das heisst, diverse Bedingungen beeinflussen die Leitfähigkeit eines
Halbleiters. Der gleiche Halbleiter kann einmal sehr gut leiten, einmal
extrem schlecht.
Halbleiter werden in der Elektronik in vielfältiger Form verwendet. Dazu
zählen vor allem die halbleiterbasierten Integrierten Schaltungen (ICs,
wie Mikroprozessoren, Mikrocontroller, usw.) und diverse Bauelemente
der Leistungselektronik (z. B. Transistoren). Weitere
Anwendungsbereiche mit zunehmender Bedeutung sind die Photovoltaik (Solarzellen) sowie Detektoren und
Strahlungsquellen in der Optik bzw. Optoelektronik (Leuchtdioden, Lichtleiter-Sende- und empfangsdioden,
Fotodetektoren).
1. Geschichte
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden die Elektronenröhren entwickelt, die entscheidend dazu beitrugen,
dass die Nachrichtentechnik den technologischen Durchbruch schaffte. Die Dominanz der Vakuumröhre hielt
etwa bis 1957 an, obwohl mit ihrem Einsatz eine Reihe von Nachteilen verbunden sind. Sie waren
stossempfindlich und ihre Lebensdauer betrug nur wenige Jahre. Die Röhren waren voluminös und benötigten
auch im Standby mehr als 1 Watt elektrische Leistung für die Heizung.
Aufgrund der vielen Nachteile der Vakuumröhre suchten die Physiker intensiv nach einem Ersatz-Bauelement,
das ähnlich wie die Röhre Steuerungs- und Verstärkerfunktionen übernehmen konnte. Sehr bald
konzentrierte sich das Interesse der Forscher auf Halbleitermaterialien wie Germanium, Silizium und Selen
(Metalle und Isolatoren schieden aus, da ihr Leitverhalten von außen nicht wesentlich beeinflusst werden
konnte).
¾ Der erste Computer (Z3) von Konrad Zuse (1941) war ausschließlich aus 2600 Relais aufgebaut.
¾ Einer der ersten Großrechner "ENIAC" in den USA arbeitete im Jahr 1946 mit 14468 Elektronenröhren.
Eine Spezialröhre ist bis heute im Einsatz, wird nun aber verdrängt: Bildschirmröhren bei TV und PC!
1939 war ein großer Schritt in der Entwicklung die Erfindung
Diode des deutschen Physikers Walter Schottky, ein
elektronisches Ventil aus Halbleitermaterial.
Um die gleiche Zeit als Schottky seine Spitzendiode entwickelte,
arbeitete William Shokley in den Bell Laboratorien (USA) an einer
elektronischen Schalteinheit, welche die elektromechanischen
Schalter in den Telefonzentralen ersetzen sollte. Auch er wandte
sich den Halbleitermaterialien zu. Nach dem Krieg wurde bei Bell
ein leistungsfähiges Team aus Ingenieuren, Chemikern und Physikern zur Entwicklung des gewünschten Halbleiterverstärkers
gebildet. Die Führung übernahmen die Physiker Shockley, Bardeen und Brattain.
1947 gelang der entscheidende Durchbruch mit der Entwicklung
des Transistors (Bild rechts)
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2. Halbleiterkristalle
Als
Grundmaterial
zur
Herstellung
von
Halbleiterbauelementen dient heute hauptsächlich Silizium.
Auch Legierungen wie z.B. Galliumarsenid werden
verwendet. Die Materialien sind dabei in Kristallform
(regelmässige Aufbaustruktur).
Kristallbau am Beispiel Silizium
Die Eigenleitfähigkeit
In einem hochreinen und kalten Siliziumkristall sind alle Bindungselektronen (Valenzelektronen) durch
benachbarte Atome gebunden. Unter realen, „warmen“ Bedingungen kann aber Strom fliessen. Gründe dafür
sind:
Durch die Wärmebewegung können sich Valenzelektronen bei
gewissen Stofffen wie Silizium (ebenden Halbleitern) leicht von
ihren Atomen lösen. Solche Elektronen dienen nun als Ladungsträger. Wenn man diese Ladungsträger mit einer Spannungsquelle
„anschiebt“, kann ein Strom fliessen. Das freigewordene Elektron
hinterlässt ein ‘Loch’, in welches ein freies Nachbar-Elektron nachrücken kann usw. Fängt ein Loch wieder ein freies Elektron ein, so
spricht man von Rekombination. Zur Eigenleitung tragen also die
freien Elektronen und die entstandenen Löcher bei. Im reinen
Halbleiter sind gleichviele Löcher wie Elektronen vorhanden.
Diese Leitungseffekte werden begünstigt durch:
Oberflächenleitfähigkeit: Den Atomen auf der Oberfläche fehlt das 4 Nachbaratom. Das 4. Valenzelektron
kann zur Bildung eines Stromes beitragen.
Verunreinigungen: Trotz grosser Vorsicht bei der Produktion sind immer eine gewisse Anzahl Fremdatome im
Silizium eingebaut. Diese Störstellen bewirken freie Ladungsträger.
Temperatur: Je grösser die Wärme eines Körpers ist, umso stärker schwingen die Atom an ihren Plätzen. Wird
die Temperatur zu gross, so können Bindungen aufreissen und Elektronen werden frei. Dieser Strom,
hervorgerufen durch die Temperatur, hat dabei den grössten Anteil!
3. Dotierung
Die Halbleitermaterialien müssen einen hohen Reinheitsgrad aufweisen. Auf 10 Milliarden Siliziumatome darf
nur 1 Fremdatom vorhanden sein! Zuerst wird ein Silizium-Ein-Kristall hergestellet,der dann leitfähiger bei
bestimmten Bedingungen gemacht werden muss. Dies wird durch gezieltes ‘Verunreinigen’ mit bestimmten
Fremdatomen bewirkt. Dieser Vorgang heisst Dotieren und kann durch 3- oder durch 5-wertige Fremdatome
erfolgen. Auf ungefähr 1 Mio Halbleiteratome fällt dann 1 Fremdatom, welches den regelmässigen Kristallbau
‘stört’ und die Leitfähigkeit erhöht.
Dotieren mit 5-wertigen Elementen (z.B. Phosphor).
Nur 4 Elektronen für Bindung nötig, 1 Elektron ist also
frei: → n-Leitung, Elektronenleitung
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Dotieren mit 3-wertigen Elementen (z.B. Aluminium).
Es wären 4 Elektronen für Bindung nötig. 1 Elektron
fehlt also (Loch): → p-Leitung, Löcherleitung
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4. Vom Werkstoff zum Elektronikbauteil: der p-n-Übergang
Wenn man zwei verschiedene (P / N) Halbleiterwerkstoffe zusammenbaut, entsteht bereits das einfachste
elektronische Halbleiterelement: Die Diode. Durch das Zusammenfügen entsteht ein p-n-Übergang.
Die verschiedenen Atome
nahe
der
Grenzschicht
„sehen“ einander und wirken
aufeinander. Atome in der
Grenzschicht können den
Platz wechseln, weil sie von
gegenteilig geladenen Teilen
angezogen werden. Dieser
Vorgang heisst Diffusion.
Löcher
wandern
nach
rechts Æ
Å Elektronen wandern nach
links .
Aus dem n-Material wandern
Elektronen in das p-Material
und hinterlassen eine positive
Ladung. Umgekehrt wandern Löcher in das n-Material und hinterlassen im p-Material eine negative Ladung. Bei
dieser ‘Vermischung’ finden Rekombinationen statt.
5. Die Sperrschicht
Es gibt also eine Grenzschicht, wo das Ladungsgleichgewicht gestört ist (Raumladungszone). Die p-nÜbergangs-Schicht, wo sich die Diffusionsspannung aufbaut, heisst auch Raumladungszone, pn-Übergang oder
Sperrschicht. Was passiert, wenn man eine äussere Spannung an den pn-Übergang anschliesst?
Pluspol der Quelle an der p-Zone
Links der Halbleiter ohne Quelle,
Sperrschicht aufgrund Diffusion:
Pluspol der Quelle an der n-Zone:
rechtes Bild: Quellenspannung z.B. 2V
Löcher und Elektronen von den Polen der Quelle abgestossen und
bewegen sich zur Sperrschicht. Wenn der Pluspol an die p-Zone gelegt
wird, wird die Sperrschicht dünner und kann bei genügend Spannung
(bei Silizium ca. 0.7 V) ganz verschwinden, der pn-Übergang leitet gut,
es fliesst ein Strom.
-> Durchbetrieb
Rechtes Bild: Quellenspannung z.B. 2V
Löcher und Elektronen durch die Quelle angezogen. Dadurch wird die
Sperrschicht breiter und hochohmiger; der pn-Übergang sperrt.
-> Sperrbetrieb
.
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Halbleiter
Wichtige Anwendung: Dioden als Gleichrichter: Netzgeräte
Dioden sind elektrische Ventile. Sie können Wechselstrom gleichrichten.
Problemstellung:
Sämtliche Geräte mit Elektronik (vom Taschenradio bis zum PC) benötigen grundsätzlich
Gleichstrom. Das Stromnetz liefert aber Wechselstrom, zudem eine meist zu hohe und gefährliche
Spannung. Beispiel: Handyladegeräte: Wie macht man aus der Netzspannung von 230 Volt
Wechselspannung die benötigten beispielsweise 5 Volt Gleichspannung?
Lösung:
Mehrstufiges Wandlungsverfahren: das konventionelle Netzteil (im Gegensatz zum Schaltnetzteil):
1. Transformieren von 230 V Wechselspannung auf 12 V Wechselspannung mittels Transfomator.
2. Gleichrichten der Wechselspannung zu Gleichspannung mittels einem Gleichrichter (Dioden).
3. Glätten des pulsierenden Gleichstroms mittels Siebketten (meist Kondensatoren)
4. Stabilisieren (Konstanthalten) der Gleichspannung mittels Halbleitern (früher sog. Zenerdioden,
heute integrierte Spannungsregler
Blockschaltbild eines Netzgerätes
IL
UE
Netzspannung Transformator
~
Gleichrichter
U1
Spannungsstabilisierung
Glättung/Stabilisierung
UL
RL
Last/Verbraucher
Für Stufe 1 brauchen wir einen Transformator (Trafo). Er wandelt eine Wechselspannung in eine
andere (kleinere) Wechselspannung mit gleicher Frequenz um.
Der Effekt beruht auf Induktion: Die Primärspule erzeugt ein veränderliches Magnetfeld, die Sekundärspule
induziert aus dem veränderlichen Magnetfeld eine Spannung.
Man kann nur Wechselspannunen auf diese direkte Art transformieren!
Für Stufe 2 kommt nun die Diode zum Einsatz. Da wir Gleichstrom wollen, müssen wir den negativen
Teil der Wechselspannung (wenn der Strom rückwärts fliessen will) "herausfiltern", abklemmen:
Man nimmt dazu beispielsweise das Ventil, die erste Diodenschaltung, den Einweggleichrichter.
U1 (t) =
Spannungsverlauf
vor dem Trafo, Netzseite
U2 (t) =
Spannungsverlauf
nach dem Trafo
U3 (t) =
Spannungsverlauf
Nach der Diode
über dem Verbraucher
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Die untere Schaltung ist nur eine Vorbereitung der nächsten Gleichrichterart; sie hat den gleichen
Effekt wie die obere Schaltung, nur reduziert sich U3 um 2 x 0.7V.
Die negative Halbwellle bleibt beim Einweggleichrichter ungenutzt (sie wird gespart), was aber auch
weniger Energienutzung bedeutet. Deshalb erfand man den Vollweggleichrichter.
Ausgehend von diesem Einweggleichrichter ergänzt
man die Schaltung zu vier Dioden:
Bei umgekehrter Stromrichtung vom Trafo her wird der
Strom mittels zusätzlicher Dioden in gleicher Richtung
durch den Verbraucher gelenkt
Die rechte Schaltung kann man einfacher vorteilhafter wie folgt zeichnen
(hier nun ohne Transformator, dieser gilt als die Wechselspannungsquelle):
Diese Schaltung heisst Vollweggleichrichter oder Brückengleichrichter
Stromfluss bei positiver Halbwelle
Stromlauf (farbig einzeichnen)
Spannungsverlauf am Verbraucher
nur bei Betrachtung der positven Halbwelle!
Stromfluss bei negativer Halbwelle
Stromlauf (farbig einzeichnen)
Spannungsverlauf am Verbraucher
nur bei Betrachtung der negativen Halbwelle!
Das Ergebnis ist ein etwas „besserer“ Gleichstrom als beim Einweggleichrichter:
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Es ist die Überlagerung beider Halbwellen.
Auch dieser Gleichstrom ist pulsierend, er
enthält abwechselnd die beiden Sinus-Halbwellen, die eben gleich-gerichtet sind.
Dieser Gleichstrom genügt schon für viele Anwendungen wie z.B. Motoren-Antrieb oder einfache
Ladegeräte. Er „brummt“ jedoch, und kann deshalb noch nicht für Audiogeräte verwendet werden.
Stufe 3
Stufe ist die Siebschaltung, eigentlich ein elektrisches Filter. Sie gibt dem ungleichmässigen,
pulsierenden Gleichstrom einen flacheren Verlauf. Damit wird er ent-brummt. Man verwendet dazu
einen Kondensator, einen Ladungsspeicher. Da ein Kondensator Ladung schnell speichern und
abgeben kann, setzt man ihn als „Ausgleichsbecken“ ein für die Zeit, in welcher der Trafo keine
Spannung liefert und die Sinuswelle auf null geht.
Der Kondensator C heisst Lade-Kondensator. Er
hat eine relativ grosse Kapazität und ist meist ein
Elektrolytkondensator (gepolt), abgekürzt nennt
man ihn Lade-Elko.
C = Lade-Elko, RL= Lastwiderstand, Verbraucher
Aufgabe: Simulieren Sie den Einweg- und Vollweggleichrichter mit Siebkondensator am PC!
- skizzieren Sie einen Verlauf der Spannungen in den folgenden Grafiken
- beschreiben Sie den Einfluss der Werte von Lastwiderstand und des Siebkondensator!
Einweggleichrichter mit Siebkondensator:
Vollweggleichrichtung mit Siebkondensator:
ausfüllen!
ausfüllen!
Erkenntnis: Der Gleichstrom wird umso „schöner“ (flacher); besser, und auch höher,
- je …………………………………..……..…… und
- je …………………………………………………………………………………………….…
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Stufe 4 wird eingesetzt, um die Gleichspannung elektronisch zu begrenzen oder zu regeln:
Spannungbegrenzung mit einer Zener-Diode
(Spannung leicht lastabhängig, hohe Verluste)
Einsatz eines integrierten Spannungsreglers:
(Spannung lastunabhängig, kleinere Verluste)
Schaltnetzteile (PC-Netzteile, Laptop-Netzteile, leichte Netzteile, Ladegeräte)
Bei diesen Netzteilen wird mit viel Elektronik ein vollständiger Spannungs-Regelkreis
aufgebaut. Er liefert dedarfsgerecht Energie.
Die Wandler-Frequenz ist viel höher als 50Hz, der Trafo dadurch kleiner und leichter, die
Netzteile viel kompakter, leichter und effizienter.
Blockschaltbild:
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Weitere Diodenarten / Spezialdioden
4. Die Zenerdiode
Zenerdioden können zur Spannungsregelung (Spannungsbegrenzung) verwendet werden.
Schaltzeichen:
Nebenstehend die U-I-Kennlinie einer Z-Diode,
gebaut für 6 Volt. Im Durchlassbereich ist sie
identisch mit der Kennlinie einer normalen Diode.
Unterschied: Im Sperrbereich ein klarer Durchbruch
(Leitung) bei relativ kleiner, genau definierbarer
Stelle, im Bild ein Beispiel mit 6V
Rückwärtsspannung.
Auf den Dioden ist meist die Zener-Kennspannung
angegeben. Es ist die Spannung, bei der ein gewisser
Strom (meist 5mA) fliesst. Es sind Werte möglich von
2,7V bis mehrere hundert Volt.
Zenerdioden werden in Sperrichtung betrieben. Warum?
•
•
•
Im Sperrbetrieb besteht eine bestimmte, relativ tiefe Durchbruchspannung, die
Zenerspannung (ohne "h", es hat nichts mit "zehn" zu tun). Die Zenerdiode wird absichtlich so
hergestellt, diese plötzliche Leit-Eigenschaft bewusst so eingesetzt.
Wenn man die Zenerdiode in Sperrrichtung schaltet, beginnt sie ab einer bestimmten Spannung
zu leiten. Sie wird dabei nicht zerstört wie eine normale Diode.
Im Durchlassbetrieb würden sie wie normale Dioden funktionieren (0,7V).
Einfachste Schaltung zur Spannungsstabilisierung:
In diesem Beispiel mit einer 7-V-Zenerdiode (Normalbetrieb
in Sperrrichtung) wird die Spannung am Lastwiderstand
RL auf 7 Volt begrenzt, auch wenn U1 schwankt.
"Begrenzt" bedeutet, UL kann tiefer sein, aber nicht höher.
Je nach Verhältnis Rv/RL.
Der Vorwiderstand Rv übernimmt jeweils die
Restspannung (U1-UL)
Zur Erinnerung: Falls eine Diode in
Durchlassrichtung (wie im Bild) geschaltet
würde, begrenzt sie die Spannung an RL auf 0,7
Volt.
Das gleiche gilt für eine Zenerdiode, wenn sie
„verkehrt“ (also in Durchlassrichtung) schaltet.
Erklärung des Stabilisierungseffekts (oder besser: der Begrenzung):
Alles, was höher als die Zenerspannung liegt, wird durch die Zenerdiode
abgeleitet (wie beim Stöpsel eines Brunnens). Wenn die Spannung zu hoch
wird, fliesst Strom durch die Zenerdiode, wird am Lastwiderstand vorbei
durch die Diode geleitet, und in der Diode in Wärme umgewandelt. So bleibt
UL fast konstant. Wenn U1 unter die Zenerspannung fällt, sackt auch UL ab.
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5. Leuchtdioden, Laserdioden / Dioden-Laser
Leuchtdioden sind heute die weitestverbreiteten Signalisierungs- und Anzeigeelemente. Sie ersetzten
in diesen Anwendungen die Glühlämpchen seit Jahren schon. Schon Jahrzehnte alt sind die LEDDisplays, meist rotleuchtende 7-Segment-Anzeigen (z.B. Radiowecker).
Häufigste Bezeichnung: LED
(= Light emitting Diode, Licht
aussendende Diode).
Schaltzeichen:
Damit eine Leuchtdiode leuchtet,
muss sie in Durchlassrichtung
betrieben werden.
Meist ist ein Vorwiderstand
erforderlich, der genau berechnet
werden muss (Beispiel unten).
Aufbau, Funktion:
Durch spezielle Dotierung erreicht man, dass unter Spannungseinfluss Elektronen im Kristall oft mit
Löchern zusammentreffen (Rekombination). Dabei wird Energie in Form von Licht freigesetzt. Die pZone ist dünn genug, so dass das Licht entweichen kann. Die Sperrschicht ist in einem transparenten
Gehäuse untergebracht.
Vorteile gegenüber Glühlämpchen:
Seit etwa dem Jahr 2006 massiv zunehmende Bedeutung in der Beleuchtungstechnik!
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Viel höhere Lebensdauer: bis 1'000'000 Stunden statt nur 1000 wie Lämpchen
Besserer Wirkungsgrad (mehr Licht mit weniger elektrischer Leistung)
Alle Farben ohne Einfärbung des Glases möglich (von UV bis Infrarot)
Mehrfarbige LEDs sind möglich (verschieden leuchtende Kristalle in einem Gehäuse)
Extreme Leuchtstärken erreichbar, zum Teil augengefährdend!
Sehr schnelle Reaktion, geeignet für Nachrichtenübertragung (modulierbar)
Elektrische Daten / Eigenschaften:
LEDs sind für einen typischen Durchlassstrom IF (Iforward, Vorwärtsstrom) gebaut.
Gebräuchlichste Werte für einfache Anzeige-LEDs sind 2 mA und 20mA. LED-Leuchten um 100mA,
extrem helle LEDs haben bis mehrere A.
Der Spannungsabfall UF (Vorwärtsspannung) liegt höher als bei normalen Dioden und ist vor allem
von der Leuchtfarbe abhängig (ca. 1,4V bis 4V). Bei typischen Strom beträgt er 1,4 bis 4 Volt.
LEDs haben andererseits sehr kleine zulässige Sperrspannungen UR (Ureverse,
Rückwärtsspannung) . Es ist deshalb darauf zu achten, dass man sie nicht verkehrt anschliesst,
denn bei fehlender Strombegrenzung gehen sie so kaputt.
Beispiel:
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Berechne Rv für folgende Schaltung:
Quelle U=12V, Diodendaten:
Uf=1,7V Diodenstrom If = 20mA
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Halbleiter
Noch spezieller sind Laserdioden, welche sog. kohärentes
Laserlicht abgeben. Sie arbeiten mit hohen Stromdichten im
Halbleiterkristall.
Anwendungen: CD, DVD, Laserdrucker, Barcode-Leser, LaserPointer, Lichtwellenleiter/Glasfaserdatentechnik und viele mehr.
Gute Zusammenfassung in Wikipedia.
Vorsicht: Laserlicht ist konzentriert und gefährlich für die Augen.
Besonders heimtückisch ist unsichtbares Laserlicht wie in CD-ROMLaufwerken und CD-Playern.
Wichtig deshalb gerade hier das Warnsymbol:
Auch neuere LED-Taschenlampen können die Augen schädigen.
6. Fotodioden
Eine Fotodiode ist die Umkehrung der
Leuchtdiode. Der pn-Übergang ist für
Licht zugänglich. Sie leitet umso besser,
je mehr Licht sie emfängt.
Fotodioden werden in Sperrichtung
betrieben. Die höchstzulässige
Sperrspannung beträgt meist 20 bis 30
Volt.
U ist proportional zum Strom und damit
zum Lichteinfall.
Das
Schaltzeichen ist
analog dem der
Leucht-diode.
Die Pfeile
bedeuten
Licht.
Betrieb einer Fotodiode:
Es gibt Si- und Ge-Fotodioden. Eigenheiten:
• Bei Dunkelheit sperrt sie wie normale Dioden (kleiner Sperrstrom).
• Durch Beleuchtung werden in der Sperrschicht freie Elektronen erzeugt.
Der Sperrstrom kann dabei um viele Zehnerpotenzen steigen, die Diode leitet.
• Gut linear, deshalb für Lichtmessung geeignet. Aehnlich wie in Digitalkameras (CCD-Sensoren)
• Die Fotodiode reagiert sehr schnell. Deshalb ist sie geeignet als Empfänger für moduliertes Licht
bei der Nachrichtenübertragung, z.B. durch Lichtwellenleiter.
Jede Sperrschicht ist lichtempfindlich. Deshalb sind Dioden in einem undurchsichtigen Gehäuse.
Früher gab es Dioden im Glasgehäuse, das schwarz angestrichen werden musste. Auch
Leuchtdioden sind lichtempfindlich.
7. Optokoppler
Das ist die Kombination von Lichtsender und Lichtempfänger in einem Gehäuse.
Sinn und Vorteile von Optokopplern:
• Signalübertragung ohne elektrischen Kontakt (galvanische Trennung)
• Optokoppler sind rückwirkungsfrei, eine Signal-„Einbahnstrasse“
Anwendungsbeispiel:
In Modems:
Optokoppler mit
Leuchtdiode als Sender
und
Fotodiode als Empfänger:
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