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Halbleiter, 1
Halbleiter, Dioden
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Halbleiter, 2
Inhaltsverzeichnis
Aufbau & physikalische Eigenschaften von Halbleitern Veränderung der Eigenschaften mittels Dotierung Vorgänge am Übergang von dotierten Materialen Verhalten des pn-Übergangs Ideale / reale Dioden
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Halbleiter, 3
Einleitung: spezifische Leitfähigkeit
l: Länge des Materials
A: Querschnittsfläche des Materials
: Spezifischer Widerstand
: Spezifische Leitfähigkeit
R =𝜌 ∙ 𝑙
𝐴=
𝑙
𝜅 ∙ 𝐴
Die spezifische Leitfähigkeit ist proportional zur Elementarladung q, zur
Ladungsträgerdichte n und zur Beweglichkeit der Ladungsträger µ:
u. A. hängt die spezifische Leitfähigkeit von der Temperatur ab.
Die Einheit von ist 1/m oder S/m (S: Siemens).
Bem.: Elektronenladung q: q=1.60218e-19 As
𝜅 = 𝑛 ∙ 𝑞 ∙ 𝜇
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Halbleiter, 4
Einleitung: spezifische Leitfähigkeit
Nach der spezifischen Leitfähigkeit unterteilt man Stoffe in:
a) Supraleiter
Unterhalb einer materialabhängigen Temperatur sinkt der elektrische
Widerstand auf null und die Leitfähigkeit strebt gegen .
b) Leiter (z.B. alle Metalle)
Typischerweise (bei 25 °C): > 106 S/m.
c) Halbleiter (z.B. Silizium, Germanium)
Die spezifischen Leitfähigkeit liegt zwischen den Leitern und Nichtleitern.
d) Isolatoren (z.B. die meisten Nichtmetalle)
Typischerweise < 10−8 S/m.
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Halbleiter, 5
Einleitung: spezifische Leitfähigkeit
Material Bezeichnung in S/m
Silber Leiter 62.5 · 106
Kupfer Leiter 56 · 106
Gold Leiter 45 · 106
Aluminium Leiter 35 · 106
Zink Leiter 16.5 · 106
Nickel Leiter 14.3· 106
Kobalt Leiter 14.3· 106
Messing Leiter 13· 106
Eisen Leiter 10 · 106
Platin Leiter 9.5· 106
Zinn Leiter 8.3 · 106
Stahl Leiter 7 · 106
Chrom Leiter 6.2 · 106
Blei Leiter 5 · 106
Konstantan Leiter 2 · 106
Quecksilber Leiter 1.0 · 106
Germanium Halbleiter 2
Tellur Halbleiter 5 · 10−3
Silizium (undotiert) Halbleiter 3· 10−4
Selen Halbleiter 1 · 10−5
Glas Isolator 10−11…10−16
Porzellan Isolator 2 · 10−13 Quelle: wikipedia
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Halbleiter, 6
Eigenschaften Halbleiter
Germanium und Silizium sind chemisch vierwertig.
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Halbleiter, 7
Eigenschaften Halbleiter: Gitterstruktur
Germanium und Silizium sind chemisch vierwertig.
Damit ergibt sich ein störungsfrei aufgebautes, symmetrisches Kristallgitter in
Diamantgitterstruktur.
Dreidimensional Zweidimensional
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Halbleiter, 8
Siliziumgitter
Halbleiter: Silizium
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Halbleiter, 9
Eine aufgebrochene kovalente Bindung (Elektronenpaar) produziert ein
Elektron und ein Loch. Stromfluss ist möglich.
Halbleiter: Silizium
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Halbleiter, 10
Siliziumgitter dotiert mit 5-wertigem Atom ein Elektron ist frei verfügbar.
kann mit Loch aus kovalenter Bindung kombinieren, dessen Elektron frei ist
z.B. Phosphor
Halbleiter: Slilzium Typ n
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Halbleiter, 11
Siliziumgitter dotiert mit 3-wertigem Atom ein Loch ist frei verfügbar.
kann mit Elektron aus kovalenter Bindung kombinieren, dessen Loch frei ist
z.B. Bor
+
Halbleiter: Silizium Typ p
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Halbleiter, 12
Verhalten am pn-Übergang:
Die freien Ladungen in der Grenzzone pn (Raumladungszone) rekombinieren
Zone verarmt (Depletion) an freier Ladung, d.h. Elektronen im n und Löcher im p
Material verschwinden.
Die gebundene Ladungen der Atome der Gegenseite stossen
die hinteren freien Ladungen +, - von der Grenze weg.
Das pn-Übergang sperrt den Strom, über der Zone liegt ein elektrisches Feld.
- +
E
Halbleiter pn-Übergang
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Halbleiter, 13
Bei Anregen mit einem Strom I in Sperrrichtung fliesst nur ein geringer Strom IS,
der den winzigen Strom ID von diffundierenden Ladungsträgern aufwiegt.
Mehr freie Elektronen bzw. Löcher in p- bzw. n- Zone vergrössern die Rekombination.
Die Sperrschicht verbreitert sich, eine Spannung VR baut sich auf.
Die Diode sperrt.
Zur Erinnerung:
Elektronen fliessen von - nach +.
Stromrichtung ist von + nach -.
Bounded charges increase
E
-
-
-
-
-
-
Sperrender Halbleiter
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Halbleiter, 14
Bei Anregen mit einem Strom I in Flussrichtung fliesst ein Strom ID,
der Diffusion an Ladungsträgern verstärkt, d.h. viele freie Elektronen
bzw. Löcher in n- bzw. p- Zone überschwemmen die Sperrschicht.
Die Sperrschicht baut sich ab, eine kleine Flussspannung V entsteht.
Die Diode leitet.
Bounded charges decrease
E
-
-
-
-
-
-
+
+
-
-
Leitender Halbleiter
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Halbleiter, 15
Löcher in der p-Region und Elektronen in der n-Region heissen Majoritätsträger
Elektronen in der p-Region und Löcher in der n-Region heissen Minoritätsträger
Durch den Abbau der Sperrspannung werden Minoritätsträger leichter über
die ladungsfreie Zone diffundieren und dort mit den Majoritätsträgern rekombinieren.
Ein dauerhafter Strom ID fliesst um das Ladungsgleichgewicht zu erhalten.
+
- -
-
Halbleiterbezeichnungen
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Halbleiter, 16
Ideale Diode
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Halbleiter, 17
Analysemethode: 1. Feststellen ob positive Spannung über der pn-Strecke liegt
2. Falls ja, Flussstrom I berechnen, falls nein I = 0
Tipp: manchmal muss man eine Hypothese machen und dann verifizieren.
Ideale Diode: Analyse
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Halbleiter, 18
Bauformen von Dioden
SOD80 SOT23 DO35 DO41 TO220
Dioden sind die einfachsten diskreten Halbleiterbauelemente.
Sie werden als Gleichrichter und Spannungsreferenzen in Stromversorgungen,
für diverse Signalverarbeitungsanwendungen (z.B. Signalpfadschalter) und zu
Schutzzwecken (Überspannungsschutz) eingesetzt
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Halbleiter, 19
Die ideale Diode
Durchlassbereich
Sperrbereich
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wyrs,
Halbleiter, 20
Beispiele: ideale Diode
a) 0V; 2mA
b) 5V; 0A
c) 5V; 0A
d) 0V; 2mA
e) 3V; 3mA
f) 1V; 4mA
+3V: Rot; -3V: Grün
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wyrs,
Halbleiter, 22
Aufgaben: ideale Diode
Bestimmen Sie für beide Schaltungen jeweils I und V.
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wyrs,
Halbleiter, 22
D1 on, D2 on, I = 0.5 mA, V = 0 V D1 off, D2 on, I = 0 mA, V = -1.67 V
Aufgaben: ideale Diode
Bestimmen Sie für beide Schaltungen jeweils I und V.
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wyrs,
Halbleiter, 23
Die «reale» Diode wird in 3 Regionen unterteilt:
- Flussbetrieb (Forward-Bias)
- Sperrbetrieb (Reverse-Bias)
- Zenerbetrieb (Breakdown)
Die reale Diode
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wyrs,
Halbleiter, 24
Zenerbetrieb (Breakdown); Sperrbetrieb (Reverse-Bias); Flussbetrieb (Forward-Bias)
Beispiel: 1N914
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wyrs,
Halbleiter, 25
IS = Sättigungssperrstrom der Diode
VT = Temperaturspannung
n = Korrekturfaktor; 1 n 2
q = Ladung Elektron 1.6·10-19 As
k = Boltzmann Konstante 1.38·10-23 J/K
Typische Werte:
IS = 10-14 … 10-9 A
VT = ca. 25.3 mV bei 20 C
Folge von Temperaturabhängigkeit
von IS und VT:
Flussspannung vD nimmt um 2mV/C ab
bei wachsender Temperatur und
konstant bleibendem Strom
q
kTVT mit
Gleichung:
1exp
T
DSD
Vn
vIi
Reale Diode: Forward(-Bias) Region
Approximation (für iD>>IS) und n=1:
T
D
V
v
SD eIi
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wyrs,
Halbleiter, 26
Reale Diode: Reverse(-Bias) Region
Unter der Annahme, dass die Diodenspannung vD negativ ist und betragsmässig
einiges grösser als VT, aber kleiner als die Breakdown-Spannung, dann können
wir diese Region sehr grob approximieren mit:
Darum auch die Bezeichnung Sättigungssperrstrom für IS.
Reale Dioden können aber Sperrströme haben, die wesentlich grösser als –IS
sind. Eine Faustregel besagt, dass sich der Sperrstrom u.A. pro 10 K
Temperaturzunahme verdoppelt.
1exp
T
DSD
Vn
vIi
SD Ii
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wyrs,
Halbleiter, 28
Vereinfachte Kennlinie (blau) Ersatzbild im Schema
Die reale Diode: Vereinfachtes Model #1
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wyrs,
Halbleiter, 33
Vergleich reale Diode und vereinfachte Modelle
D
TD
I
Vr
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wyrs,
Halbleiter, 35
Gleichrichterdiode
z.B. 1N4004
Sperrspannung 400 V
Flussspannung 1 V@ 1A
Flussstrom (Peak) 30 A
Schaltzeit 1 s
Schaltdiode
z.B. 1N4448
Sperrspannung 100 V
Flussspannung 1 V@ 0.1A
Flussstrom (Peak) 0.5 A
Schaltzeit 10 ns
Schottky Diode
z.B. 1N5819
Sperrspannung 30 V
Flussspannung 0.5 V@ 1A
Flussstrom (Peak) 1A
Schaltzeit 0 ns
Einige Diodentypen & deren Eigenschaften
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wyrs,
Halbleiter, 36
Limiter-Schaltungen: Beispiele
jeweils Konstantspannungsmodell (vD=0.7V)
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wyrs,
Halbleiter, 40
Dioden sperren bei negativer Spannung
Dioden leiteten bei positiver Spannung
Analyse:
Annahme vD ist in Flussrichtung bestimmen von iD.
Ist iD in Flussrichtung stimmt Annahme sonst mit vD in
Sperrrichtung weiterfahren.
Jede Anwendung braucht die dafür optimierte Diode:
Netzteil, Schnelle Logik, Signaldetektion
Zusammenfassung
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wyrs,
Halbleiter, 41
Labor: Superdiode
Messen Sie vO & vA für sinusförmige Eingangssignale mit 4Vpp (0V DC) für die
Frequenzen f=10Hz, 100Hz, 1kHz & 10kHz.
Wählen Sie R=33k. (OP: 741 mit ±12V, Diode: z.B. 1N4148)
Stellen Sie mit dem KO auch die Kennlinie vO/vI dar.
Was stellen Sie fest? Woher kommt dieser Effekt?
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wyrs,
Halbleiter, 46
Labor: Diodenschaltungen
Diodenschaltung 1 (VQuelle =5Vpp, f=200 Hz, Ri=50)
a) Messen Sie die Spannung Vout mit dem
Voltmeter in DC-Stellung (Mittelwert).
b) Messen Sie den Ripple Vr in mV mit
dem Oszilloskop für RL = 47k, 4k7, 470 .
c) Für RL = 470 erhöhe man f auf 2 kHz und C auf
100 F.
Diodenschaltung 2
(VQuelle =5Vpp, f=1 kHz,
Ri=50)
a) Messen Sie die Spannung über C1 und C2 mit dem Voltmeter (DC-Stellung).
b) Messen Sie die Spannungsverläufe am Generator, über D1 und RL mit dem Oszilloskop
c) Was macht diese Schaltung?
Quelle
Quelle
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wyrs,
Halbleiter, 55
Aufgaben:
a) 0.7V; 1.72mA b) 5V; 0A
c) 5V; 0A
d) 0.7V; 1.72mA
e) 2.3V; 2.3mA f) 1.7V; 3.3mA
VT = 25.3 mV
bei 20 C T
D
V
v
SD eIi
Bestimmen Sie vD und iD einmal für das Konstantspannungsmodell und einmal für
die vereinfachte Exponentialform. Nehmen Sie an, dass vD=0.7V, wenn der Strom
iD=1mA.
Konstantspannungsmodell:
Vereinfachte Exponentialform:
b) 0.7136V; 1.7145mA
b) 5V; 0A d) 0.7136V; 1.7145mA
c) 5V; 0A e) 2.27916V; 2.27916mA
f) 1.7300V; 3.2700mA