Dioden

Dioden in der Halbleiterelektronik sind Bauelemente mit einem pn-Übergang.

Grundlagen

Elektronen- und Löcherleitung

• Elektronen sind die negativen Ladungsträger im Halbleiter.
• Elektronen können sich nur von Loch zu Loch bewegen.
• Löcher stellen positive Ladungsträger dar.
• Animation siehe: http://www.radartutorial.eu/21.semiconductors/pic/p-leitung.gif

Dotieren

• Durch gezielte Verunreinigungen von Reinstsilizium (Dotieren) können mehr freie Elektronen oder Löcher im Kristall eingebracht werden.
• Um die Anzahl der Elektronen im Leitungsband zu erhöhen müssen 5-wertige Elemente hinzu gefügt werden (Phosphor, Arsen, Antimon).
• Um die Anzahl der Löcher zu erhöhen bedarf es der Anreicherung von 3-wertigen Materialien (Bohr, Aluminium, Gallium).

P-Dotiertes Silizium

N-Dotiertes Silizium

pn-Übergang

• Wenn p-und n-Halbleitermaterialien zusammen gebracht werden, diffundieren die Elektronen aus dem n–Bereich in den p-Bereich und rekombinierenmit den Löchern im p-Bereich.
• Die Diffusionstiefe ist so groß, dass (bei Silizium) eine äußere Spannung von 0,7 Volt notwendig ist, um die Elektronen und Löcher wieder zu trennen.
• Wird die äußere Spannung umgepolt, ist es möglich, die Diffusionstiefe zu vergrößern.
• Der Diffusionsbereich wird als Raumladungszone bezeichnet. In der Raumladungszone gibt es keine freien Elektronen, folglich ist ein Stromfluss nicht möglich.
• Dieses Bauelement, bestehend aus einem pn-Übergang,ist eine Halbleiterdiode.

Diode

• In Durchlassrichtung:
  • Positive pn-Spannung
  • Die Rekombination in der Raumladungszone aufgehoben bis diese bei einer
    äußeren Spannung von 0,7 Volt (bei Si) gänzlich verschwunden ist.
  • Ist die Raumladungszone aufgehoben, so kann der Strom ungehindert fließen.
  • Deshalb ist eine Strombegrenzung durch einen Widerstand notwendig.
• In Sperrichtung:
  • Negative pn-Spannung
  • Raumladungszone wird breiter.
  • Die Diode verhält sich nun wie ein Isolator, ein Stromfluss ist nicht möglich.

Kennlinie

• Kennlinien von elementaren elektronischen Bauelementen sind in der Regel nicht-linear.

• Starker Stromanstieg im Durchlassbereich ab Durchlassspannung \(U_\text{DL}\)
• typische Durchlassspannung für Si-Dioden: \(U_\text{DL}\approx 0.7\si V\)
• Isolator im Sperrbereich bis zur Durchbruchspannung \(U_\text{BR} \approx 100\si V\)
• Eine Diode kann als Schalter aufgefasst werden. Im Gegensatz zu einem geschlossenen elektrischen Schalter verbleibt über der Diode in Durchlassrichtung stets eine Spannung von \(0.7\si V\)

info

Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden (Flussspannung 0,7 V) mit verschiedenen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode im leitenden Zustand?

Gleichrichter

Halbwellengleichrichter

• Der Halbwellengleichrichter wandelt Wechselstrom in einen pulsierenden Gleichstrom.
• In Durchlassrichtung (positive Halbwelle) wirkt die Diode als geschlossener Schalter.
  (Beachte 0,7 Volt Flussspannung über der Si-Diode)
• Im Sperrbereich (negative Halbwelle) verhält sich die Diode wie ein Isolator und verhindert den Stromfluss.

Vollwellengleichrichter

• Die Brückengleichrichterschaltungen ist eine Vollwellengleichrichtung, d.h. positive wie negative Halbwellen werden zur Erzeugung eines Gleichstromes verwendet.
• In der Brückenschaltung (auch Graetz-Brücke, benannt nach Leo Graetz, Physiker) sind je nach Stromrichtung stets zwei Dioden eingeschaltet und zwei ausgeschaltet.

AC-DC Wandler

Zener-Diode

• Z-Dioden werden zur Spannungsstabilisierung eingesetzt.
• Bei Z-Dioden wird beim Betrieb in Sperrrichtung der Durchbruch bei einer definierten Spannung \(U_Z\) genutzt.
• Der Strom steigt im Durchbruch exponentiell an und muss durch einen Widerstand begrenzt werden.
• \(U_Z = 3\si V ... 100\si V\)

info

Berechnen Sie den Vorwiderstand der folgenden Spannungsstabilisierungsschaltung. Die Zenerdiode soll sich im Arbeitspunkt (\(20\si{mA}, 3.3\si V\)) befinden. Der Lastwiderstand beträgt \(250\si\Omega\).

Leuchtdiode

• LED: light-emitting diode
• LEDs werden in Durchlassrichtung betrieben und emittieren bei Stromfluss Licht.
• Zur Strombegrenzung sind Vorwiderstände notwendig. Alternativ bieten sich LED-Ansteuerungs-ICs an.
• Die Wellenlänge des emittierten Lichtes hängt vom Bandabstand der Halbleiters ab. Mit kürzer werdender Wellenlänge steigt die Durchflussspannung \(U_\text{LED}\).
• z. B.
  rote LED: \(U_\text{LED} \approx 1.6\si V\)
  blaue LED: \(U_\text{LED} \approx 2.9\si V\)

info

Eine rote (\(U_\text{LED} = 1.6\si V\)) und eine blau LED (\(U_\text{LED} = 2.9\si V\)) sollen mit einem 9 V-Block betrieben werden. Durch die LEDs sollen 20 mA fließen.
Wie können die LEDs verschalten werden? Berechnen Sie die benötigten Vorwiderstände.

Fotodiode

• Fotodioden werden als Sensor eingesetzt.
• Sie werden in Sperrrichtung betrieben.
• Die durch einfallendes Licht erzeugten Ladungsträgerpaare werden im Raumladungsfeld des pn-Übergangs getrennt und bilden einen Fotostrom.

Kapazitätsdiode

• Kapazitätsdioden werden als frequenzbestimmendes Element in Schwingkreisen eingesetzt.
• Die Höhe der Sperrspannung bestimmt die Größe der Raumladungszone. Deren Grenzen zum n-bzw. p-Gebiet bilden einen Kondensator, wobei die Raumladungszone als Dielektrikum fungiert.
• Durch den sperrspannungsabhängigen Abstand der Grenzen entstehen unterschiedliche Kapazitätswerte, die eingesetzt in Schwingkreisen zu unterschiedlichen Resonanzfrequenzen sorgen.

• Resonanzfrequenz des Schwingkreises:

\[ f_r = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \]