Halbleiter
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6. Halbleiter 6.1 Was sind eigentlich Halbleiter Halbleiter sind Festkörper, die sich abhängig von ihrem Zustand als Leiter oder als Nichtleiter verhalten können. Halbleiterwerkstoffe HauptsächlicheAnwendung Si Silizium Dioden, Transistoren, Integrierte Schalt., Solarzellen Ge Germanium Hochfrequenz-Transistoren GaAs Galliumarsenid InSb Indiumantimonid InAs Indiumarsenid Leuchtdioden, Laser, Hochfrequenztransistoren Hallgeneratoren CdS Cadmiumsulfid Fotowiderstände, Solarzellen SiC Siliziumcarbid Leuchtdioden Das wichtigste Halbleitermaterial ist Silizium. Halbleitermaterialien müssen extrem rein sein. (ca. 1 Fremdatom auf 109 Halbleiteratome.) Bei extrem niedrigen Temperaturen ist Silizium ein Isolator. Jedes Atom hat 4 Elektronen, die mit den Elektronen der 4 Nachbarn eine feste Doppelbindung bilden. Bei Erwärmung brechen diese Bindungen teilweise auf, es stehen freie Elektronen zur Verfügung. Sie hinterlassen ein „Loch“, das man sich wie eine positive Ladung vorstellen kann. (Es fehlt ja ein Elektron.) Elektronen und Löcher stehen für einen Ladungstransport zur Verfügung und sind im elektrischen Feld beweglich. 6. Halbleiter 6.2 Dotierte Halbleiter Zur Herstellung von elektronischen Komponenten werden Kristalle benötigt, die einen Elektronenüberschuss (n-dotiert) oder einen Löcherüberschuss (=Elektronenmangel, pdotiert) haben. Diese Materialeigenschaften erhält man durch gezielten Einbau von Fremdatomen in das Kristallgitter. p-Dotierung Es werden einzelne Siliziumatome durch Atome eines Materials ersetzt, dass weniger als 4 Valenzelektronen enthält. Es entsteht ein zusätzliches Loch für jedes Fremdatom, ein positiver Ladungsträger. Materialien: Bor 1 n-Dotierung Es werden Atome mit zusätzlichen Elektronen in den Kristall eingebaut, so dass ein Elektronenüberschuß entsteht. Materialien: Phosphor, Arsen (!!!!!!) Filmlink: http://www.youtube.com/watch?v=Oy0X_fKUDjc 1 Abbildungen: http://olli.informatik.uni-oldenburg.de/weTEiS/weteis/halbleiter.htm 6. Halbleiter 6.3 Die Halbleiterdiode Die Halbleiterdiode ist das einfachste elektronische Bauelement. Es besteht lediglich aus einer n-dotierten und einer p-dotierten Zone. 6.3.1 PN-Übergang in Durchlassrichtung Eine äußere Gleichspannung wird so angelegt, dass der Pluspol am PGebiet und der Minuspol am N-Gebiet liegt. Von der Spannung werden die Elektronen im N-Gebiet und die Löcher im P-Gebiet in Richtung Sperrschicht und darüber hinaus getrieben, wo sie rekombinieren. Da die Spannungsquelle ständig Ladungsträger nachliefert, fließt ein Strom. Bildquelle: Leonhard Stiny: Grundwissen Elektrotechnik, Franzis-Verlag 6. Halbleiter 6.3.2 PN-Übergang in Sperrrichtung Freie Elektronen im N-Gebiet wandern in Richtung Pluspol und die Löcher in Richtung Minuspol. Die Grenzschicht verarmt noch stärker an freien Ladungsträgern. Die ursprüngliche Sperrschicht wird noch breiter, der Widerstand höher. Ab einer gewissen Sperrspannung kommt es zum „Durchbruch“, d.h. der Strom steigt plötzlich stark an. (Zener- oder Lawinendurchbruch) 6. Halbleiter 6.3.3 Die reale (Kleinsignal-)Diode Der Flussstrom liegt zunächst deutlich unter 1 mA, ab der „Knickspannung“ (0,6 .. 0,7 V bei Si, 0,3 ..0,4 V bei Ge) erfolgt dann ein rascher Anstieg. Der maximale Flussstrom liegt bei Kleinsignaldioden meist zwischen 100 mA und einigen A. Darüber wird die Diode thermisch überlastet. Der Sperrstrom liegt in der Größenordnung von einigen nA. Die Durchbruchspannung liegt typischerweise bei ca. 100V 6. Halbleiter 6.3.4 Ermittlung von Diodenstrom und -spannung Gleichung 1: R ID + Ud = USS (Maschenregel) Gleichung 2: Diodenkennlinie Die Gradengleichung wird in das Diagramm mit der Diodenkennlinie eingetragen. ID = 0 => UD = USS = 2V UD = 0 => ID = USS / R = 2 mA Der Schnittpunkt ist der „Arbeitspunkt“. Arbeitspunkt: UD = 0,7 V, ID = 1,3 mA 6. Halbleiter 6.3.5 Diodentypen Unterscheidungskriterien: Material (Si, Ge (heute kaum noch), GaAs) Funktionsprinzip (z.B. Zenerdiode, Kapazitätsdiode) Anwendung (z.B. Universal-, Schalter-, Abstimmdiode) Photodiode Der Strom durch einer in Sperrrichtung betriebenen Diode steigt mit der Beleuchtungsstärke der Sperrschicht an. Lumineszensdiode Leuchtdioden (LED) werden aus Gallium-Arsenid-PhosphidVerbindungen hergestellt. Bei Betrieb in Durchlassrichtung senden sie eine Strahlung aus. Es sind Dioden für rotes, gelbes, grünes, infrarotes und auch für blaues Licht lieferbar. Zur Strombegrenzung müssen LEDs immer mit einem Vorwiderstand oder einer Konstantstromquelle betrieben werden. Die zulässige Sperrspannung liegt sehr niedrig (3V .. 6V), so dass bei Verpolung eine Zerstörung droht. Film: Tutorial LED: http://www.youtube.com/watch?v=9TMSiYRgvEU&feature=share&list=PLCBBBE57D0994BB27 Kapazitätsdiode Eine in Sperrrichtung betriebene Diode kann technisch als Kondensator verwendet werden, dessen Kapazität mit der Sperrschicht geändert werden kann. Anwendung: Empfänger und automatische Scharfabstimmung in Radios und Fernsehern. Schottkydiode Schottky-Dioden enthalten keinen PN-Übergang. Eine Metallfläche ist direkt mit einem N-Halbleitermaterial (Si) verbunden. Bereits bei einer Durchlassspannung von ca. 0,35 V erfolgt ein steiler Stromanstieg. (PN-Diode: 0,6 .. 0,7 V) Die gespeicherte Ladung ist sehr klein, so dass Schottky-Dioden für sehr schnelle Schalter (< 1 ns) und hohe Frequenzen (> 15 GHz) eingesetzt werden können. Zenerdiode Eine Zenerdiode wird im Durchbruchbereich betrieben. Zenerdioden sollten im Durchbruchbereich eine möglichst vertikale Kennlinie haben, d.h. die Spannung sollte unabhängig vom Strom sein. Zenerdioden sind mit verschiedenen Durchbruchspannungen lieferbar, z.B. 3,3V / 6,8V / 12 V / 15 V 5% Anwendung: Spannungsstabilisierung, Überspannungssicherung 6. Halbleiter 6.3.6 Anwendung von Dioden Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden Film zu Z-Dioden: http://www.youtube.com/watch?v=y-NqIosSb0g&feature=share&list=PLCBBBE57D0994BB27 6. Halbleiter Halbwellengleichrichter 6. Halbleiter Vollweggleichrichter Nachteil: Es ist ein Transformator mit Mittelanzapfung notwendig! 6. Halbleiter Brückengleichrichter Freilaufdiode 6. Halbleiter 6.3.6 Aufgaben zu Halbleiterdioden Aufgabe I Zeichnen Sie eine Schaltung mit einem Brückengleichrichter (Trafo, Gleichrichter, Lastwiderstand) und skizzieren Sie den Stromfluss in der positiven und der negativen Halbwelle der Eingangsspannung. Aufgabe II S1 S2 1 offen offen 2 offen geschlossen 3 geschlossen offen 4 geschlossen geschlossen In einer Reihenschaltung aus zwei Glühlampen, zwei Schaltern und einer 6VWechselspannungsquelle sind die Lampen und Schalter wie in der Abbildung zu sehen mit Dioden überbrückt. Geben Sie an, welche Lampe(n) für alle 4 möglichen Kombinationen der Schalterstellungen leuchtet/leuchten und skizzieren Sie den Stromfluß auf einem Extrablatt. L1 L2 Aufgabe III: An die Eingänge A und B sollen über Umschalter entweder 5V oder 0V angelegt werden können. Erstellen Sie für beide Schaltungen eine Tabelle für die Signale A, B, X. Aufgabe IV: Leuchtdiode a. Welche Vorteile bieten LEDs gegenüber Glühlampen? b. Eine Leuchtdiode soll über einen Vorwiderstand an eine Batterie angeschlossen werden. Zeichnen Sie die Schaltung mit der richtigen Polarität der Bauteile. c. Die Leuchtdiode hat eine Schwellspannung von 1,6 V. Welcher Vorwiderstand ist nötig, wenn ein Strom von 12mA bei einer Batteriespannung von 4,8V durch die Diode fließen soll? 6. Halbleiter Aufgabe V: Kennlinie Für den Durchlassbereich von D1 und D2 wurde die oben abgebildete Kennlinie ermittelt. Das Strommessgerät zeigt 30mA an. a. Wie groß ist der Strom durch D1 und D2? b. Berechnen Sie die Spannung die an R1 abfällt und dessen Widerstand. c. Berechnen Sie den Widerstand der beiden Dioden für den gegebenen Arbeitspunkt. Aufgabe VI: Welche Lampe leuchtet? Aufgabe VII: Zenerdiode Gegeben: U0 = 20 V Uz = 6,8 V Pzmax = 1 W R2 = 200Ω a. Wie groß ist der maximal zulässige Strom durch die Diode? (147 mA) b. Wie groß sind die Ströme I1 und I2 bei einem Kurzschluss oder bei Leerlauf am Ausgang? c. Bestimmen Sie Rv, so dass die Zenerdiode niemals überlastet wird. (90 Ω) 6. Halbleiter 6.4 Transistoren Bis in die 1950er Jahre war die Vakuumröhre für alle Verstärker und (die meisten) Gleichrichter alternativlos. Ende der 1940er Jahre führte jedoch die Forschung an Halbleitermaterialien zum ersten funktionsfähigen Transistor, einem zuverlässigen, kleinen und energiesparenden Schalter und Verstärker. Film zur Einführung aus der Reihe Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik : http://www.youtube.com/watch?v=8sj3wbThjs0 6.3.1 Der Bipolartransistor Der Name Bipolartransistor rührt daher, dass am Stromfluss beide Ladungsträger beteiligt sind, d.h. sowohl Elektronen, als auch Löcher. Ein Bipolartransistor ist aus 3 Schichten aufgebaut, wobei die beiden äußeren die gleiche Dotierung haben und die mittlere die entgegengesetzte. Je nach Dotierung unterscheidet man NPN und PNP-Transistoren. Die drei Anschlüsse haben die Namen Emitter, Basis und Kollektor. PNP-Transistor NPN-Transistor Quelle: wikipedia.de 6. Halbleiter Film zur Funktionsweise des NPN-Transistors: http://www.youtube.com/watch?v=3WftQdffkgM Aufbau von Transistoren Quelle:wikipedia.de Film zu den Kennlinien eines Transistors: (!!!) http://www.youtube.com/watch?v=b4OpUqBI9WU Datenblatt des Kleinleistungstransistors BC548: http://arduino.cc/documents/datasheets/BC547.pdf Der Transistor in Leifi-Physik: http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/transistor Arbeitsauftrag: Bearbeiten Sie die Musteraufgaben aus Leifi-Physik. http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/transistor/aufgaben# 6. Halbleiter 6.3.1.1 Betriebszustände des Bipolartransistors I. Aktiver Bereich (IC = β IB) Im aktiven Bereich leitet die BE-Diode und die CB-Diode sperrt. Der Transistor arbeitet dann als Stromverstärker: Der Basisstrom wird um den Faktor b verstärkt am Kollektor wiedergegeben (typ.: b = 100). Anwendung: Stromverstärker II. Sättigung (IC < β IB) In der Sättigung beginnt die BC-Diode zu leiten und die Stromverstärkung verringert sich. Zwischen Kollektor und Emitter liegt dann eine Sättigungsspannung von typ. 0,2V. Anwendung: Schalter im Zustand „AN“ III. Cut-Off (IC = IB = 0) Im Cutoff-Bereich sperren beide Dioden. Es fließt kein Basisstrom und daher auch kein Kollektorstrom. Anwendung: Schalter, Zustand „AUS“. 6. Halbleiter 6.3.1.2 Grafische Arbeitspunktbestimmung beim Bipolartransistors Beispiel Kleinsignalverstärker: 7. Halbleiter Eingangskreis: Ausgangskreis: 6. Halbleitertechnik Nichtlineare Verzerrungen: Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik 6-19 6. Halbleitertechnik Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik 6-20 6. Halbleitertechnik Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik 6-21 6. Halbleitertechnik Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik 6-22 6. Halbleitertechnik 6.3.2 Der Feldeffekttransistor 6.3.2.1 Sperrschicht-FET (Junction-FET/JFET) Leitender Kanal aus n-dotiertem Halbleiter. An beiden Enden des Kanals Anschlüsse (Drain, Source) Entlang des Kanals p-dotierter Halbleiter mit Gate-Anschluß Sperrspannung am pn-Übergang bewirkt nichtleitende Raumladungszone, die den Kanal einschnürt Steuerung der Kanalbreite durch UGS Kanalverengung für UDS > 0 Eine genauere Betrachtung der Feldeffekttransistoren befindet sich bei den MOS-FET, die heute eine dominierende Rolle spielen. Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik 6-23 6. Halbleitertechnik 6.3.2.2 MOS-FET (Metall-Oxid-Silizium) Für alle Feldeffekttransistoren gilt: IG = 0 I S = ID Filme zu selbstsperrenden MOS-Fets: Funktionsweise: http://www.youtube.com/watch?v=9gvFMHAbR70 MOSFET als Schalter: http://www.youtube.com/watch?v=Te5YYVZiOKs (englisch) Herstellung Halbleiter-Chip: http://www.youtube.com/watch?v=kuANgMCRnqY Selbstleitend Depletion-Typ Selbstsperrend Enhacement-Typ Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik 6-24 6. Halbleitertechnik Vergleich von n-Kanal-FETs Schaltsymbole Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik 6-25 6. Halbleitertechnik 6.3.3 Vergleich FET <=> Bipolartransistor Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik 6-26
