2 Dioden 2.1 Der PN-£“bergang 2.1.1 Der PN-£“bergang ohne ... Die Kennliniengleichung des PN-£“bergangs

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  • 2 Dioden 2.1 Der PN-Übergang 2.1.1 Der PN-Übergang ohne äußere Spannung

    Ein PN-Übergang entsteht immer dann, wenn P- und N-Material direkt in Berührung kommen, z. B. also dann, wenn ein Halbleitermaterial auf der einen Seite mit Akzeptoren und auf der anderen mit Donatoren dotiert wird. Dazu bringt man in das Kristallgitter des Siliziums andere Atome ein, die nicht vier, sondern entweder 5 Valenzelektronen haben (für n-Dotierung, z.B. Phosphor oder Arsen) oder nur drei (für p-Dotierung, in der Regel Bor).

    n-Dotierung

    Das fünfte Valenzelektron wird nicht für eine Bindung gebraucht, es bleibt nur locker an das Fremdatom gebunden. Aus dieser Bindung kann es mit geringem Energieaufwand herausgerissen und frei im Silizium beweglich werden.

    p-Dotierung

    Die ungesättigte Bindung nimmt begierig jedes zufällig vorbeikommende freie Elektron auf.

    Die folgende Skizze zeigt die Vorgänge bei der Herausbildung einer Raumladungszone an einem PN- Übergang. Die thermischen Bewegungen der freien Elektronen und Löcher ermöglichen diese Wanderung, die als Diffusion bezeichnet wird. In der Umgebung des PN-Übergangs entsteht daher eine Schicht, in der praktisch keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Dieser Bereich, der im P-Material durch die negativen Ionen negativ, im N-Material durch die positiven Ionen positiv geladen ist, wird als Raumladungszone bezeichnet.

    Die entstehende Diffusionsspannung kann von außen nicht direkt gemessen werden. Sie beträgt je nach dem verwendeten Halbleitermaterial, der Stärke der Dotierung und der herrschenden Temperatur zwischen 0,1 und über 2 V.

  • 2.1.2 PN-Übergang in Durchlassrichtung

    Liegt Plus am P- und Minus am N-Material, so ist ein PN-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt.

    Die angelegte äußere Spannung, bei der der PN-Übergang niederohmig wird, heißt Schwellspannung, Schleusenspannung oder Flussspannung. Sie hat ungefähr den gleichen Wert wie die Diffusionsspannung. Mit steigender Temperatur sinkt die Schwellspannung (die Diffusionsspannung steigt). Der Temperaturkoeffizient der Schleusenspannung beträgt -2 mV/K.

    2.1.3 PN-Übergang in Sperrrichtung

    Liegt Plus am N-Material und Minus am P- Material, so ist ein PN-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt.

    Über einen gesperrten PN-Übergang fließt nur der sehr kleine Sperrstrom. Bei zu hohen Sperrspannungen bricht der PN- Übergang durch und kann in diesem Bereich zerstört werden. Mögliche Durchbrucharten:

    Wärmedurchbruch: Durch ansteigende Verlustleistung und unzureichende Strombegrenzung.

    Avalanche-(Lawinen-)Durchbruch (bei Spannungen meist größer als 6V): Je größer die Sperrspannung ist, desto stärker werden die in der Raumladungszone entstehenden freien Elektronen beschleunigt. Ab einer bestimmten Größe der Sperrspannung reicht ihre Bewegungsenergie aus, um beim Anstoßen an ein Atom aus diesem weitere freie Elektronen herauszuschlagen. Diese werden durch die äußere Spannung wieder so stark beschleunigt, dass sie aus den Atomen, gegen die sie stoßen, wieder freie Elektronen herausschlagen. Dadurch entstehen in der Raumladungszone plötzlich sehr viele freie Ladungsträger, so dass der PN-Übergang niederohmig wird.

    Zener-(Feld-)Durchbruch (bei Spannungen meist unter 6V): Bei sehr starker Dotierung am PN-Übergang entsteht wegen der großen Raumladungsdichte eine sehr schmale Raumladungszone. Dadurch besteht in der Raumladungszone eine sehr große elektrische Feldstärke, die beim Anlegen einer Sperrspannung noch erhöht wird. Übersteigt die Feldstärke den Wert von ca. 20 kV/mm, so werden durch sie Elektronen der äußeren Schale aus den Atomen gerissen. Dadurch steigt die Zahl der Ladungsträger wiederum stark an.

  • Die Kennliniengleichung des PN-Übergangs kann man mit der Gleichung

      

       

       1TUm

    U

    S eII 21 m Steigungsfaktor

    beschreiben. Der Steigungsfaktor gibt eine Kennlinienkorrektur für Hochstrominjektion an. Der Sättigungsstrom kann aus Bauelementeparametern berechnet werden und liegt in der Größenordnung von ca. A15105  .

    Für den Durchlassbereich ( 1 )(

    TU U

    e ) gilt TU U

    SF eII  und für den Sperrbereich ist

    SR II  .

    Die Thermospannung UT lässt sich wie folgt ermitteln:

    e Tk

    UT 

     K

    Ws k 231038066,1  . Ase 191060219,1 

    (UT Thermospannung, k Boltzmannkonstante, T absolute Temperatur in K, e Elementarladung) Für den praktischen Gebrauch kann man für die Flussspannung

     

      

      1ln

    S

    F TF I

    I UU

    davon ausgehen, dass bei konstant gehaltenem Durchlassstrom IF die Durchlassspannung pro Grad Temperaturerhöhung um ca. 2 mV abnimmt (TK=- 2 mV/K).

  • Sperrschichtkapazität

    Die Sperrschicht besteht aus einer Verarmungszone der Dicke xp + xn=xges. Wenn man alle Randeffekte vernachlässigt, ergibt sich die Sperrschichtkapazität zu

    ges s x

    A d A

    C  

    oder mit dem Ausdruck für die Sperrschichtweite

    ges s U

    Ne AC

    2 

     

    n (Größenordnung im pF-Bereich)

    Die Abbildung zeigt den Verlauf der Sperrschichtkapazität über der angelegten Spannung. Weil sie eine über die Sperrspannung elektrisch steuerbare Kapazität ist, wird sie gerne dann benutzt, wenn eine einstellbare Kapazität erforderlich ist, z.B. für den Senderabgleich in Empfängerschaltungen. Die dafür speziell gebauten Kapazitätsdioden (Varicaps) sind weit verbreitete Bauelemente. In Durchlassrichtung steigt die Sperrschichtkapazität zwar auf hohe Werte an, ist aber wegen des parallel geschalteten pn-Übergangs nahezu kurzgeschlossen und daher technisch nicht brauchbar. Der bei UD erreichte Kapazitätswert liegt etwa bei dem Vierfachen der Nullkapazität Cso.

    Diffusionsspeicherladung

    An der Sperrschicht lässt sich auch in Durchlassrichtung ein Speichereffekt beobachten. Die Diffusionskapazität bestimmt Grenzfrequenz und Schaltgeschwindigkeit der Bauelemente, bei denen die Minoritätsträgerinjektion an Sperrschichten der wesentliche Funktionsträger ist, also bei Dioden mit pn-Übergang und bei bipolaren Transistoren.

  • Für den pn-Übergang bedeutet dies, dass das Umschalten von Durchlass- auf die Sperrrichtung verzögert erfolgt, weil die Diffusionskapazität erst entladen werden muss. Die

    gespeicherten Ladungsträger diffundieren jetzt auf die Sperrschicht zu und fließen als stark erhöhter Sperrstrom ab. Die dadurch entstehende Verzögerungszeit heißt Rückwärtserholungszeit (reverse recovery time) oder Sperrverzögerungszeit. Die Abbildung zeigt den Verlauf des Stromes durch den pn-Übergang nach Umschalten der Spannung

    von Durchlass- auf Sperrrichtung. Die schraffierte Fläche entspricht der Diffusionsspeicherladung.

    2.2 Diodenschaltungen 2.2.1 Elektrisches Verhalten der Diode

    Wechselspannung ist groß gegen die Durchlassspannung

    Die Durchlassspannung der Diode ist bei vernachlässigtem ohmschen Spannungsabfall:

    S

    F TF I

    I UU ln

    Diese Spannung ändert sich nur logarithmisch, d.h. sehr wenig mit dem Durchlassstrom. Eine kurze Beispielsrechnung zeigt, dass sich die Durchlassspannung im Bereich der technisch interessanten Ströme nur von ca. 0,4V bis maximal 0,9V ändert, obwohl der Strom über viele Zehnerpotenzen variiert wird. Betreibt man eine Diodenschaltung beispielsweise an der üblichen Netzwechselspannung von 230V, so ist die Voraussetzung

    VUU F )9,0...4,0( sicherlich gut erfüllt. Zeichnet man die Diodenkennlinie in ein Diagramm für große Spannungen und Ströme, so lassen sich Durchlassspannung und Sperrstrom nicht mehr erkennen und die Diode wird zum idealen Gleichrichter.

    In der folgenden Schaltung ist der Durchlassstrom

    LL

    F

    L

    RL F R

    tu R

    Utu R

    U I

     sinˆsinˆ  

     

  • 2.2.2 Gleichrichterschaltungen

    Einweggleichrichter mit Ladekondensator

    Die Ausgangsspannung des Einweggleichrichters der zuvor besprochenen Schaltung ähnelt einer Gleichspannung nur wenig. Baut man aber einen Ladekondensator ein, unterdrückt man also die verbliebenen Wechselkomponenten, so erhält man eine Ausgangsspannung, die einer Gleichspannung ähnlicher ist.

    Die Spannung am Lastwiderstand ist einer Gleichspannung ähnlicher geworden. Der Ladekondensator wird periodisch auf die Spitzenspannung aufgeladen und entlädt sich während des größeren Teils der Periode über den Lastwiderstand.

  • Zweiweggleichrichter

    Zweiweggleichrichter nutzen beide Halbschwingungen der Wechselspannung aus. Man unterscheidet zwei Arten:

    Die Mittelpunktsschalt ung erfordert eine symmetrische Wechselspannungsq uelle, die z.B. ein Transformator mit Mittelanzapfung sein kann. Den Spannungsverlauf am Lastwiderstand zeigt das folgende Bild.

    Die Brückenschaltung (Graetz-Schaltung) nach folgendem Bild erfordert keine symmetrische Spannung, aber 4 Dioden. Viele Hersteller bieten für diesen Zweck 4 Dioden in einem gemeinsamen Gehäuse an.

    Während der positiven Halbschwingung leiten die Dioden 1 und 3, während der negativen die Dioden 2 und 4. Der Spannungsverlauf am Lastwiderstand gleicht dem der Mittelpunktsschaltung.

    Spannungsvervielfacher

    Der Einweggleichrichter mit Ladekondensator lässt sich zu spannungsvervielfachenden Gleichrichterschaltungen erweitern. Die nächste Abbildung zeigt d

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