2. halbleiterdioden - Berner Fachhochschule
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Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2. HALBLEITERDIODEN 2.1. EINLEITUNG Um zu verstehen, wie Halbleiterdioden, oder einfach Dioden funktionieren, ist es wichtig, sich mit den Eigenschaften von dotierten Materialien zu befassen. Später wird dieses Wissen auch zum Verständnis der Transistoren benötigt. 2.2. AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINER HALBLEITERDIODE _____________________________________________________________________________________ Ziel dieses Kapitels: Den Aufbau einer Halbleiterdiode verstehen. Die Funktionsweise einer Halbleiterdiode verstehen. Die Kennlinien von Halbleiterdioden interpretieren lernen. Die Eigenschaften von Halbleiterdioden kennen lernen. Einfache Anwendungen mit Dioden verstehen lernen. Schlüsselworte: P- bzw. N-Dotierung, PN-Übergang, Diode, Diodenkennlinie, Schwellspannung, Gleichrichter _____________________________________________________________________________________ 2.2.1. DER PN-ÜBERGANG Werden P und N dotierte Halbleitermaterialien zusammengefügt, entsteht ein sog. PN-Übergang. Da die Ladungsträgerkonzentrationen der Elektronen n und der Löcher p in den beiden Gebieten unterschiedlich sind, setzt Diffusion ein, und versucht, die Ladungsunterschiede auszugleichen. Es kommt zu Ladungsverschiebungen und somit zu einem Potentialunterschied zwischen den beiden Zonen N und P. P N A K P elektrisch neutral N elektrisch neutral Symbol negative Ladung überwiegt positive Ladung überwiegt P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 26 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Im P-Gebiet gilt: pp > np wobei p = Löcherkonzentration n = Elektronenkonzentration bedeuten. der Index p bedeutet P-Gebiet. Im N-Gebiet gilt: nn > pn wobei n = Elektronenkonzentration p = Löcherkonzentration bedeuten, der Index n bedeutet n-Gebiet. In beiden Gebieten ist das Produkt n p eine Funktion der Temperatur allein. ni = n p = f(T) 2 ni = Inversionsdichte, welche die Eigenleitung des Halbleiters bestimmt. Für Si gilt für ni = 1,5 10 10 @ 300K. Zahlenbeispiel: 23 3 10 3 Reines Silizium besteht aus ca. 10 Atomen/cm und besitzt 1,5 10 Ladungsträgerpaare/cm , d.h. ni =1,5 10 10 bei 300K. Durch dotieren mit 5-wertigem Material, mit z.B. 1,5 10 14 14 3 Atomen/cm , entsteht n- 3 leitendes Silizium mit nn = 1,5 10 Elektronen/cm . nn=1,5 10 damit pn 10 14 (reines Silizium) +1,5 10 (5-wertiges Material) ~ 1,5 10 ni2 1,5 1010 nn 1,5 1014 14 3 Elektronen/ cm . 2 1,5 10 6 Löcher /cm . 3 Die Ladungsträgerkonzentration nach dem Dotieren ist also: P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 27 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ nn > np und pp > pn. Die Elektronenkonzentration n im N-Gebiet ist grösser als im P-Gebiet, und die Löcherkonzentration p ist im P-Gebiet grösser als im N-Gebiet. Durch Diffusion der Ladungsträger gehen Elektronen aus dem N-Gebiet ins P-Gebiet, welches jetzt elektrisch nicht mehr neutral ist, sondern negativ geladen. Löcher ‘wandern’ aus dem P-Gebiet ins N-Gebiet, welches jetzt nicht mehr elektrisch neutral ist, sondern positiv geladen 2.2.2. DER STROMLOSE PN-ÜBERGANG Der oben beschriebene Vorgang führt zu einer Potentialdifferenz zwischen P und N Gebiet, der sog. Diffusionsspannung, die sich wie folgt beschreiben lässt: u diff U T ln mit UT pp nn UT ln pn np kT -23 , wobei k die Boltzmannkonstante (1,38 10 Ws/K) und e -19 e die Elementarladung des Elektrons (1.602 10 C) bedeuten. Beispiel für Udiff 14 nn = 1,5 10 /cm 6 np = 1,5 10 /cm 3 3 8 Udiff = 0,025 ln10 = 0.46V (T=300K). Bem: Diese Spannung Udiff kann von aussen nicht mit einem Messinstrument gemessen werden. P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 28 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.2.3. DER PN-ÜBERGANG MIT ANGELEGTER SPANNUNG IN SPERRRICHTUNG Bei Anlegen einer äusseren Spannung in Sperrrichtung werden die Majoritätsträger beider Gebiete des Grenzgebietes abgezogen. Es entsteht eine sehr dünne Schicht, in der keine Ladungsträger vorhanden sind, eine Isolierschicht sozusagen. Anode Kathode P N UAK<0V=UR (Spannung gemessen an der Anode bezüglich - + Kathode) Einige wenige Ladungsträger sind aber immer noch vorhanden und es fliesst deshalb ein sehr kleiner Reststrom IR. Messanordnung: Strom IR in Funktion von UR UR I IRmax U R UB - IR + IR = f(UR) Der Sperrstrom IR ist stark temperaturabhängig. P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 29 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Übersteigt die angelegte Spannung UR einen bestimmten Wert, so steigt der Strom IR lawinenartig an. Dieser Effekt wird Zenereffekt genannt (Zener 1934). Wird er nicht durch geeignete Massnahmen begrenzt, wird das Element zerstört. 2.2.4. DER PN-ÜBERGANG MIT ANGELEGTER SPANNUNG IN DURCHLASSRICHTUNG Bei Anlegen einer äusseren Spannung in Durchlassrichtung UAK > 0V = UF, werden die Majoritätsträger durch den PN-Übergang transportiert, und es fliesst ein Strom ID=IF. Messanordnung: IF = f(UF) D Xa: 700.0m Xb: 0.000 Yc: 42.00m Yd: 0.000 IF U A b 42m a-b: 700.0m c-d: 42.00m a c 35m R 28m I 21m 14m 7m UB + 0 0 167m 333m 500m 667m Ref=Ground X=167m/Div Y=current US 833m 1 d Sim UF (UAK > 0) Der Strom IF (IF F = Forward) steigt exponentiell mit der Spannung UF, wie aus Bild zu ersehen ist (grüne Kurve). Legt man eine Linie an die Kurve und verlängert sie bis zur x-Achse, erhält man den Schwellwert US. Der Strom IF in Durchlassrichtung wird erst bei Spannungen UF > US deutlich von Null verschieden. P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 30 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.2.5 VOLLSTÄNDIGE KENNLINIE EINES PN-ÜBERGANGES Die vollständige Kennlinie ist nachstehend gezeigt: Zum Vergleich ist auch die Kennlinie einer Germaniumdiode dargestellt. In Durchlassrichtung lässt sich der Strom IF = f (UF) folgendermassen beschreiben: IF IR max (e UF mUT 1) mit: UT kT ; (UT = 25mV bei Raumtemp.) e k =1,38E-23 J/K und T=°C+273; e=1,6E-19C: m ist ein empirischer Faktor 1<m<2. P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 31 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ In Sperrrichtung fliesst ein kleiner Reststrom IRmax. Diese sind typisch IRmax~10pA für Silizium IRmax~100nA für Germanium. Diese Werte sind stark temperaturabhängig und zwar gilt für Silizium ungefähr: UF T Ikonst . 2mV K 2.2.6. DER GLEICHSTROMWIDERSTAND R EINER DIODE Der Gleichstromwiderstand R einer Diode ist wie folgt definiert: R=U/I Da die Diode keine lineare Kennlinie hat unterscheidet man zwischen Durchlassrichtung und Sperrrichtung. a) Durchlassrichtung Bezeichnung RF; (F = Forward, = Durchlassrichtung) Beispiel: UF=0.9V; IF = 15mA; => RF=UF/IF=0,9V/15mA=60. IF RF variiert stark und ist als Parameter zur Beschreibung der Diodeneigenschaften ungeeignet. RF UF P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 32 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ b) Sperrrichtung Bezeichnung RR; (R = Reverse, = Sperrrichtung) Beispiel: UR = 20V; IR = 0.1 A =>RR = UR/IR = 200M UR Dieser Wert RR ist stark temperaturabhängig. IR 2.2.7. DER DYNAMISCHE WIDERSTAND r EINES PN-ÜBERGANGES. Der dynamische (auch differentieller) Widerstand r eines PN-Übergangs ist wie folgt definiert: Bezeichnung rF; (F = Forward, = Durchlassrichtung) rF dU U ; er entspricht der Tangente im betrachteten Punkt der Kennlinie dI I IF Im Durchlassbereich ist der differentielle Widerstand rF klein. Verglichen mit RF gilt: P IF r F < RF UF UF P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 33 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.2.8. VEREINFACHTE DIODENKENNLINIE. Für die meisten Anwendungen in der Praxis genügt folgende vereinfachte Diodenkennlinie: ID rF US UD Wobei die Grössen UD und ID folgende Bedeutung haben: UD = UAK ID = IAK => und UD = UF und ID = IF für UD > 0V UD = UR und ID = IR für UD < 0V. In Sperrrichtung ist der differentielle Widerstand rR sehr hoch und es gilt: rR >> rF 2.2.9. ERSATZSCHALTBILD EINER DIODE. In der Praxis genügt oft ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Diode, das obige Kennlinie erzeugt: US A + rF D K - P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 34 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Dies kann mit den Elementen ideale Diode D, Widerstand rF und Spannungsquelle US realisiert werden. ID Ge rF Si 0,3V 0,7V UD Der exponentielle Anstieg wird durch eine Gerade mit der Steigung rF ersetzt. Gezeigt sind im Bild Modelle für eine Silizium- und eine Germaniumdiode. 2.2.10. WEITERE VEREINFACHUNGEN. Falls der Widerstand rF vernachlässigt werden kann, ergibt sich ein noch einfacheres Modell. Hier wird nur die Schwellspannung US berücksichtigt. ID US UD Das entsprechende Modell ist im nachstehenden Bild gezeigt. D US A + K - P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 35 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Bei grossen Spannungen kann sogar die Schwellspannung US vernachlässigt werden, so dass das Modell noch einfacher wird. ID UD Die Diode wird als ideale Diode betrachtet und hat diese Eigenschaft. D A K Dieses Modell kommt z.B. bei Netzgleichrichtern zum Einsatz. _____________________________________________________________________________________ Verständnisfragen: 1. Was ist die Ursache für die Diffusionsspannung? 2. Welcher Zone entspricht die Anode? 3. In welcher Grössenordnung liegt die Breite der Diffusionsschicht in Sperrrichtung? 4. Was ist der Unterschied zwischen den Widerständen RF und rF? _____________________________________________________________________________________ P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 36 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.3. ANWENDUNGEN VON HALBLEITERDIODEN _____________________________________________________________________________________ Ziel dieses Kapitels: Die Funktionsweise von Schaltungen mit einzelnen Dioden, und Schaltungen mit mehreren Dioden verstehen lernen. Schlüsselworte: Gleichrichter, Zweiweggleichrichter, Brückengleichrichter, Graetzgleichrichter, Spitzengleichrichter. _____________________________________________________________________________________ 2.3.1. EINFACHSTE GLEICHRICHTERSCHALTUNG Folgende Schaltung soll analysiert werden: K A UD RL UL U0sint Gemäss Maschenregel (2. Kirchhoffscher Satz) gilt: U0sint + UD + UL = 0V Die Diode sei ideal, dann gilt: a) in Durchlassrichtung (U0sint > 0V) K A UD U0sint RL UL UL= U0sint; UD = 0V P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 37 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ b) in Sperrrichtung (U0sint < 0V) K A UD RL UL UL= 0V; UD = -U0sint U0sint Es ergeben sich folgende Spannungen: a) Generatorspannung U0 /2 t 3/2 -U0 b) Spannung uL Strom iL U0 I0 /2 3/2 2 t -U0 und /2 3/2 2 t -I0 UL = U0sint für U0sint > 0V iL = I0sint für U0sint > 0V UL = 0V iL = 0A für U0sint < 0V für U0sint < 0V. c) Spannung über der Diode U0 /2 3/2 t -U0 P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 38 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.3.2. SPITZENWERTGLEICHRICHTERSCHALTUNG MIT RC LAST Die folgende Schaltung zeigt einen sog. Spitzengleichrichter mit RC-Last R K A Uq=U0sint UD RL UL C Der Kondensator C dient als Energiespeicher und liefert Energie während der Phase, wo die Diode sperrt. Während dieser Zeit wird der Kondensator über RL entladen. RL entspricht dem angeschlossenen Verbraucher. Soll die Entladung klein sein, muss ein grosser Wert für C gewählt werden. Der Kondensator C wird immer dann aufgeladen, wenn die Spannung der Quelle Uq > UL ist. Für die Phase, wo die Diode leitet gilt: Rq Uq=U0sint UD RL UL RL UL C Für die Phase, wo die Diode sperrt, gilt: Rq Uq=U0sint UD C P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 39 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Die entsprechenden Spannungen und Ströme sind nachstehend gezeigt. U0 Sim Bem. Während der Phase I leitet die Diode UAK >0, während der Phase II sperrt sie UAK>0 Die maximale Spitzenspannung UDSP über der Diode beträgt: UDSP max 2U0 Der maximale Einschaltstrom beträgt ca. IDStoss U0 Rq Diese beiden Grössen sind zu berücksichtigen bei der Wahl der Diode. P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 40 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.3.3. ZWEIWEGGLEICHRICHTER MIT RC LAST Die folgende Schaltung zeigt einen sog. Zweiweggleichrichter mit RC-Last D1 Rq1 1N5406 uq1 = Ûq1 sint T1 230/2x10V + V1 -325/325V C1 RL uq2 = Ûq2 sint Ûq2 = Ûq1 50 Hz D2 Rq2 1N5406 Sim Die entsprechenden Ströme und Spannungen sind nachstehend abgebildet. Sim Jede Diode leitet während einer Halbperiode. Die Zeit des Wiederaufladens des Kondensators beträgt 10ms, was einer Frequenz von 100Hz entspricht. Die maximale Spitzenspannung UDSPmax der Dioden beträgt: UDSP max 2 Ûq P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 41 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ T1 1TO10 V1 -325/325V D1 D2 uq' uq 50 Hz + Andere Variante mit nur einer Transformatorwicklung: C1 RL uRL D3 D4 Sim uq' = Ûq' sint Die maximale Spitzenspannung UDSPmax einer Diode beträgt: UDSP max Û0' 2.3.4. NETZTEIL MIT POS. UND NEG. SPANNUNG MIT DIODENBRÜCKE T1 230/2x10V uq1 + V1 -325/325V C1 RL1 + D1 C2 RL2 U1 D2 uq D3 50 Hz U2 uq2 D4 Sim P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 42 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.3.5. SPANNUNGSVERDOPPLERSCHALTUNG Es ist mit untenstehender Schaltung möglich, eine Spannungsverdoppelung zu erzielen, ohne entsprechend hohe Spannungen der Quelle. V1 -10/10V CkuC D2 Rq2 10kHz Uq Rq1 u1 CL RL uL D1 Sim uq=Û0sint CK Koppelkondensator, CL Speicherkondensator Ohne Belastung (RL= ) beträgt die Spannung am Ausgang UL=2Û. 2.3.6. ELEKTRISCHE GRENZWERTE VON GLEICHRICHTERDIODEN Im folgenden werden die wichtigsten Grenzwerte einer Diode behandelt. Dies sind Grenzwerte, die nicht überschritten werden dürfen, ansonsten wird die Diode zerstört. 2.3.6.1. VRM(rep) auch VRRM (Maximum repetitive peak reverse voltage). Die maximale Spitzensperrspannung ist definiert als kurzzeitig zugelassener Wert der Sperrspannung, wobei wiederholende Spitzen zugelassen sind. Wird dieser Wert überschritten, so sind thermische Überlastung des Kristalls die Folge, die zur Zerstörung der Diode führen. Die Verlustleistung in Sperrrichtung für Gleichstrom berechnet sich wie folgt: PREV = VRM(rep) IRM. P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 43 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.3.6.2. VR Reverse Voltage Dies ist die zulässige maximale Gleichspannung ohne überlagerte Spitzen, weder wiederholend noch einmalig. 2.3.6.3. VRM (nonrep) (VRSM), Maximum Reverse nonrepetitiv peak Voltage Dies ist die zulässige maximale einmalige Spitzenspannung in Sperrrichtung. 2.3.6.4. I0, maximaler mittlerer Durchlassstrom Dies ist der zulässige maximale Mittelwert des Stromes durch die Diode. Dies ist der Wert, der mit einem DC Meter gemessen wird. 2.3.6.5. IFM(rep) auch (IFRM) Maximum Repetitiv Forward current Dies ist der maximal zugelassene wiederholende Strom in Durchlassrichtung. Dieser Strom ist im Zusammenhang mit Ladekondensatoren besonders zu beachten. 2.3.6.6. IFM(surge) auch (IFSM) Maximum Surge Forward current Einmaliger Stossstrom unter bestimmten Bedingungen die dem Datenblatt zu entnehmen sind. Speziell bei Ladekondensatoren wichtig. 2.3.6.7. Verlustleistung in Durchlassrichtung Die Verlustleistung für Gleichstrom lässt sich wie folgt berechnen. PV = IF UF (Durchlassrichtung) Wird vereinfachtes Diodenmodell verwendet, so errechnet sie sich wie folgt: US A + rF D K - UF = US + (rF I) und damit PV = (US + (rF I)) I P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 44 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Für nicht gleichstromartige Spannungen und Ströme müssen die Funktionen der Zeit zur Berechnung verwendet werden. uF ( t) U S rF iF ( t) und für die Verlustleistung pV (t) gilt: p V ( t) U S iF ( t)rF iF2 ( t) Für den Mittelwert der Verlustleistung P V gilt: T PV T T U r 1 p V ( t )dt S iF ( t )dt F iF2 ( t )dt T T T 0 0 0 Beispiel: Gesucht ist die Verlustleistung P V für folgende Stromform ID I0 T1 t T T = Periodendauer t1 PV t1 US r I0 ( t )dt F I02 ( t )dt T T 0 0 US r I0 t 1 F I02 t 1 T T t1 (US I0 rF I02 ) . T P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 45 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Verständnisfragen: 1. Wie verläuft der Strom in Funktion der Zeit bei Schaltung Seite 37? 2. Wie berechnet sich sein Spitzenwert? 3. Was ist der Unterschied der Stromform von Schaltung Seite 39 gegenüber jener von Seite 37? 4. Warum ist die Spannung UDSPmax ~2Uq? 5. Wie ist die Polarität des Kondensators CK der Spannungsverdopplerschaltung Seite 43? 6. Was passiert, wenn die Spannung VR überschritten wird? 7. Was passiert, wenn der Strom IFM(rep) überschritten wird? _____________________________________________________________________________________ P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 46 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.4. WÄRMELEITUNGSMODELL _____________________________________________________________________________________ Ziel dieses Kapitels: Analogie zwischen einem Wärmekreis und einem elektrischen Kreis kennen lernen. Dimensionieren eines Kühlkörpers beherrschen lernen. Schlüsselworte: Wärmewiderstand, Konstantstromquelle, Kühlkörper _____________________________________________________________________________________ 2.4.1. EINLEITUNG Bei Dioden, die bei grossen Strömen betrieben werden, können grosse Leistungen umgesetzt werden. Dies führt zu entsprechend grosser Wärmeentwicklung im Halbleiterkristall. Man steht also vor dem Problem, die im Halbleiter entwickelte Wärme abzuführen. Dies geschieht meistens mit Hilfe eines Kühlkörpers. Der Kühlkörper ist so zu dimensionieren, dass der Halbleiterkristall des Halbleiterelementes die Grenztemperatur von ca. 175 °C bei Silizium nicht übersteigt. Das untenstehende Modell zeigt eine Analogie zwischen dem thermischen Kreis und einem entsprechenden elektrischen Kreis. Mit diesem Modell kann auf einfache Weise die Wärmeproblematik beherrscht werden. 2.4.2. DAS WÄRMELEITUNGSMODELL TABELLE ZUM WÄRMELEITUNGSMODELL ANALOGIE WÄRME Verlustleistung SYMBOL P EINHEITEN Watt ELEKTRISCHE GRÖSSEN Konstantstromquelle T °C Wärmewiderstand °C/W Widerstand Wärmekapazität c Ws/°C Kapazität (Kondensator) Temperaturzunahme Spannungsanstieg P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 47 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ WÄRMELEITUNGSMODELL Verlustleistung Kristall Kristalltemperatur T J Gehäuse Isolator JG Gehäusetemperatur T G GK Kühlkörpertemperatur T T K J UmgebungstemperaturT T KU G U Kühlkörper T K JU = JG + GK + T U KU Absoluter Nullpunkt; 0°K T Kristalltemperatur T Gehäusetemperatur T Kühlkörpertemperatur T Umgebungstemperatur J G K U Hier gilt Leistung x Wärmewiderstand = Temperaturänderung, oder, wenn man die Kristalltemperatur berechnen will: TJ = PJG + PGK + PKU + TU TJ = P(JG + GK + KU) + TU wobei auch für den Gesamtwärmewiderstand JU geschrieben werden kann: JU = JG + GK + KU P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 48 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Hierbei gilt: JU = Totaler Wärmewiderstand (Junction-Umgebung) JG = Kristall-Gehäuse Wärmewiderstand GK = Gehäuse-Kühlkörper Wärmewiderstand KU = Kühlkörper-Umgebung Wärmewiderstand Für die Kristalltemperatur gilt also: TJ = PJU + TU Beispiel: P = 10 Watt (maximale Verlustleistung) GK = 0.4 °C/W (Glimmerplättchen)Totaler JG = 2.4 °C/W (50W Gehäuse) TJmax = 175°C TU = 50°C KU = (175 50 ) 0.4 2.4 9.7C / W 10 Das heisst für obige Anforderungen muss ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 9.7°C/W gewählt werden. _____________________________________________________________________________________ Verständnisfragen: 1. Was bedeutet der thermische Widerstand? 2. Nach welchen Kriterien wird ein Kühlkörper ausgewählt? 3. Welche Eigenschaften hat eine Stromquelle? _____________________________________________________________________________________ P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 49 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.5. SPEZIELLE DIODEN _____________________________________________________________________________________ Ziel dieses Kapitels: Kennen lernen von Spezialdioden für verschiedenste Anwendungen. Verstehen lernen, wie Spezialdioden einzusetzen sind. Schlüsselworte: Zenerdiode, Kapazitätsdiode, Schottkydiode, Photodiode, LED. _____________________________________________________________________________________ 2.5.1. DIE ZENERDIODE Diese Diode wird in Sperrrichtung im Durchbruchgebiet betrieben. Sie werden hauptsächlich zur Spannungsstabilisierung eingesetzt. Die Spannungen reichen von einigen Volt bis ca. 200 Volt. Weiter gibt es Zenerdioden für verschiedenste Leistungen von 500mW bis einige Watt. Die in der Diode umgesetzte Leistung beträgt: PV = IZ UZ A K Symbol: Leistungshyperbel Die maximale Verlustleistung wird durch die Leistungshyperbel, wie in Bild oben begrenzt. P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 50 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Zwischen Null und ca. 5Volt ist der Temperaturkoeffizient negativ. Über 6 Volt ist er positiv. Bei 6V ist er praktisch 0V/K. Zenerdioden werden in der Regel zur Spannungsstabilisierung eingesetzt. Anwendungsbeispiel: RV I K IL RV Vorwiderstand + Ui+/-Ui UE 18V IZ D1 RL UD=UZ RL Lastwiderstand (IZ fliesst in Sperrrichtung!) - Sim Am oberen Knoten gilt: I = IZ + IL Über RV liegt die Spannung URV = Ui - UZ Bem: Es ist besonders darauf zu achten, dass, falls IL = 0, IZ = I ist, die Zenerdiode maximal belastet wird. Der differentielle Widerstand rdiff od. rZ berechnet sich wie folgt: UZ IZmin rZ = U Z I Z rdiff IZmax IZ P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 51 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Verständnisfragen: 1. Was ist die typische Anwendung einer Zenerdiode? 2. Was bedeutet die Leistungshyperbel? 3. Warum muss der Minimalstrom durch eine Zenerdiode beachtet werden? _____________________________________________________________________________________ 2.5.2. DIE KAPAZITÄTSDIODE Der PN-Übergang besitzt eine kleine Kapazität, wenn die Diode in Sperrrichtung gepolt ist. Je nach angelegter Spannung ist die Diffusionsschicht schmaler oder breiter und damit auch diese kleine Kapazität. Diesen Effekt nützt man bei der sog. Kapazitätsdiode aus, die so einen spannungsabhängigen Kondensator darstellt. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Kapazität berechnet sich wie folgt: C C0 U 1 R Udiff wobei C0 = Kapazität für Si bei UR = 0V Udiff = Diffusionsspannung für Si bei Zimmertemperatur ~ 0.6 V = Zahl, vom Halbleitermaterial abhängiger Exponent 1/6 ½ Symbol: Anwendungsbeispiel: C1 4.7pF V1 -100m/100mV C3 L1 1MHz 100uH C2 10nF 100pF 100k R2 D1 BBY40 + UR 1V UR (Steuerspannung) - Sim Bem: Die Kapazitätsdiode wird in Sperrrichtung betrieben. P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 52 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Solche Kapazitätsdioden, auch als Varactor bezeichnet, finden Anwendung in Oszillatorschaltungen aller Art. So werden sie z.B. eingesetzt zum Abstimmen einer Resonanzfrequenz wie bei Radio und Fernsehtunern, oder zur automatischen Frequenzabstimmung (AFC), oder zur Frequenzmodulation. Die Kapazität einer solchen Diode in Funktion der Spannung sieht etwa folgendermassen aus: Falls für eine Anwendung mehrere Kreise abgestimmt werden müssen, so sind gepaarte Kapazitätsdioden zu verwenden. _____________________________________________________________________________________ Verständnisfragen: 1. Auf welchem Effekt beruht die Kapazitätsdiode? 2. Wie wird die Kapazitätsdiode auch noch genannt? 3. Wie gross ist etwa der Kapazitätsbereich einer Kapazitätsdiode? _____________________________________________________________________________________ P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 53 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.5.3. DIE SCHOTTKY-DIODE Um einen PN-Übergang zu verwirklichen, kann auch ein Halbleitermaterial mit einem Metall kombiniert werden. Der Aufbau sieht etwa folgendermassen aus: Anode Kathode Symbol: Eine Diode mit einem solchen Aufbau hat folgende Eigenschaften: - sie reagiert äusserst rasch beim Umpolen, dh. kurze Schaltzeiten - niedrige Schwellspannung ~0.4V - relativ kleine Sperrspannung (<60V). Anwendung: Schottky-Dioden werden wie gewöhnliche Siliziumdioden eingesetzt. Speziell dort, wo hohe Frequenzen (bis 500MHZ) vorkommen, oder wenn niedrige Schwellspannungen vorteilhaft sind (Verluste in Gleichrichterschaltungen bei niedrigen Spannungen und grossen Strömen). In Low Power Schottky TTL-Schaltungen (LSTTL) zur Erhöhung der Schaltfrequenz. _____________________________________________________________________________________ Verständnisfragen: 1. Was sind die Vorteile einer Schottky-Diode? 2. Welchen Nachteil hat sie? 3. Wo wird sie vorteilhafterweise eingesetzt? _____________________________________________________________________________________ P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 54 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.5.4. DIE FOTO-DIODE Wird ein PN-Übergang von Licht bestrahlt, so lösen die Photonen des Lichtes, wenn sie energiereich genug sind, Elektronen aus dem Atomverband des Kristallgitters heraus. Es werden Elektronen-Lochpaare gebildet. Diesen Vorgang nennt man innerer Fotoeffekt. Wird ein PN-Übergang, also eine Diode für diesen Zweck eingesetzt, so nennt man sie Fotodiode. Sie wird in Sperrrichtung betrieben. Ohne Licht fliesst nur ein äusserst kleiner Sperrstrom. Erfolgt Bestrahlung im oben genannten Sinn, so erhöht sich der Strom markant. Die Abhängigkeit dieses Sperrstromes von der Lichtintensität ist sehr linear über mehrere Dekaden. Die Energie eines Photons beträgt: 2 E = h, der Impuls p = h/c = mc und die Energie E = pc = mc . wobei: h, die Planksche Konstante , die Frequenz des Lichtes p, der Impuls des Photons m, die Masse des Photons und c, die Lichtgeschwindigkeit bedeuten. Der Aufbau einer Fotodiode sieht folgendermassen aus: Aufbau einer Silizium-Planar-Fotodiode Symbol Schema für den Betrieb einer Fotodiode: RL UR - UL + P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 55 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Die zugehörige Kennlinie zeigt folgende Grafik: I(A) 0 10 -1 10 -2 10 -3 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 EV 2 EV = Beleuchtungsstärke, [EV] = lm/m = lx Beispiele: Arbeitsplatzbeleuchtung ca. 700 - 1000 lx Tageslicht ca. 3’000 - 7’000 lx. _____________________________________________________________________________________ Verständnisfragen: 1. Wie beeinflusst das Licht ein PN-Übergang? 2. Wie wird eine Fotodiode betrieben? 3. Wie ist der Zusammenhang zwischen Licht und Strom durch die Diode? _____________________________________________________________________________________ 2.5.5. DIE LUMINESZENZDIODE LED Ein PN-Übergang kann auch Licht emittieren, wenn das geeignete Material und die entsprechenden Dimensionen gewählt werden. Als Material werden Galliumarsenid (Ga AS), oder Galliumarsenidphosphid (Ga As P) und andere verwendet. Liegt Spannung in Durchlassrichtung an, so emittiert sie Licht. Die Wellenlänge reicht inzwischen von blau bis infrarot. Mit blau lässt sich auch die Farbe weiss realisieren. P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 56 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ Der Aufbau einer LED sieht folgendermassen aus: Das Licht wird durch die Elektronen und die Löcher des elektrischen Stromes durch die sog. Rekombination am PN-Übergang erzeugt. Die Lichtquanten, also die Photonen, durchdringen die sehr dünne (ca. 1.5m) Halbleiterschicht und gelangen als sichtbares Licht nach draussen. Die Kennlinien ähneln jenen gewöhnlicher Dioden. Die Schwellspannungen sind aber deutlich höher. Sie liegen bei ca. 1.5V für Infrarotdioden, bei 2,2V bei rot und ca. 4V für blaue LED. Dies sind nur ungefähre Werte! Anwendungen sind: - punktförmige Leuchtanzeigen - Siebensegmentanzeigen für Zahlendarstellung. - Anordnungen in Matrixform für div. Darstellungen - 16 Segment Anzeigen für alphanumerische Darstellungen. Als Sonderausführungen gibt es auch LED’s, die mit Zwei verschiedenen Kristallen bestückt sind und antiparallel geschaltet sind. Mit diesen lassen sich zwei Farben mit nur einer LED darstellen. _____________________________________________________________________________________ Verständnisfragen: 1. Wie entsteht Licht in einer LED? 2. Welche Farben gibt es? 3. Kann man grafische Darstellungen realisieren mit LED’s? _____________________________________________________________________________________ P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 57 Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK _____________________________________________________________________________________ 2.5.6. DER OPTOKOPPLER Kombiniert man eine Fotodiode mit einer LED, so erhält man einen sog. Optokoppler. Allgemein besteht ein Optokoppler aus einer lichtemittierenden Quelle und einem lichtempfindlichen Empfänger. Mit einem Optokoppler lassen sich z. B. analoge oder digitale Signale übertragen. Ein Optokoppler dient hauptsächlich der galvanischen Trennung von Datenquelle und Empfängerschaltung, um Störungen durch Potentialunterschiede zu vermeiden. Als Lichtquelle kommen - Glühlampen, - LED, als Lichtempfänger - Fotodioden, - Fototransistoren, - Fotowiderstände, - Fotozellen in Frage. _____________________________________________________________________________________ Verständnisfragen: 1. Wozu ist ein Optokoppler nützlich? 2. Welche Einschränkung gibt es bezüglich Übertragungsfrequenz speziell bei Verwendung eines Fotowiderstandes? _____________________________________________________________________________________ P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 58
