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 Leuchtdioden, Laser, Hochfrequenztransistoren InSb Indiumantimonid InAs Indiumarsenid Hallgeneratoren CdS Cadmiumsulfid Fotowiderstände, Solarzellen SiC Siliziumcarbid Leuchtdioden Das wichtigste Halbleitermaterial ist Silizium. Halbleitermaterialien müssen extrem rein sein. (ca. 1 Fremdatom auf 10 9 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.
26
Embed
Erkennen, was die Welt im Innersten zusammenhält.trampicturebook.de/mc/media/etp/ETP-Skript-06-Halbleiter.pdf6. Halbleiter 6.1 Was sind eigentlich Halbleiter Halbleiter sind Festkörper,
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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
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 P-Gebiet 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.
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.
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
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
In einer Reihenschaltung aus zwei Glühlampen, zwei Schaltern und einer 6V-Wechselspannungsquelle 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.
S1 S2 L1 L2
1 offen offen
2 offen geschlossen
3 geschlossen offen
4 geschlossen geschlossen
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