Diode-Überblick - Übersicht über alle wichtigen Dioden: Formeln, Grafiken und Beschreib PDF

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Übersicht über alle wichtigen Dioden: Formeln, Grafiken und Beschreib...

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EU18a, Linda Rüegg ELHL2

Diode Diod Diodenken enken enkennlini nlini nlinie e ∆ Anode (+) _ Kathode (-)

Grenz- & Kennwerte Sättigungssperrstrom (kurz: Sperrstrom): Spez. Leitwert: γ = e ∗ (𝜇𝑛 ∗ 𝑛 + 𝜇𝑝 ∗ 𝑝 n: Anzahl der freien Elektronen / cm3 p: Anzahl der Löcher / cm3 Diffusionslänge: 𝑙 = √𝐷 ∗ 𝜏 Emissionskoeffizient: γ≈1…2 Temperaturspannung: 𝑈𝑇 = 25 𝑚𝑉

𝑘∗𝑇 𝑞

≈

→bei Raumtemperatur T ≈ 17 °C

Einführung >Wenn ein Halbleiterkristallkörper aus einem einzigen ungestörten Kristall besteht, so hat er eine Einkristall- oder Monokristallstruktur >Halbleiterkristalle müssen einen hohen Reinheitsgrad haben. Üblicher MindestReinheitsgrad ist 1010:1 (auf 1010 Atome des Werkstoffes, höchstens nur 1 Fremdatom) >Das Silizium-Atom hat 4 Valenzelektronen und kann dadurch 4 weitere Bindungen eingehen, da sie auch benachbarte Atomrümpf umkreisen >Leitfähigkeit durch…: • restliche Verunreinigung bringen Ladungsträger in Werkstoff • Aufbrechen von Kristallbindungen durch Wärmeschwingungen, wodurch Elektronen sich von der Bindung lösen (=Generation). Die ungesättigte Bindung kann nun andere freie Elektronen aufnehmen (= Rekombination) • Atome an der Oberfläche haben keinen Nachbarn, Valenzelektronen können keine Bindung eingehen

Dotierung =Das gezielte Verunreinigen des Kristallgitters Je höher der Dotierungsgrad, desto mehr Fremdatome sind vorhanden und desto niederohmiger wird der Kristall. n-Silizium: Durch Einbringen eines 5-wertigen Atoms (meist Phosphor), werden 4 Valenzelektronen gebunden und schenkt dem Kristall ein freies Elektron. → Donator Atom e, Elektronenüberschuss p-Silizium: 3-wertiger Werkstoff wird in den Kristall eingefügt (meist Aluminium oder Gallium). Dadurch entsteht eine offene Bindung (=Loch). →Akzeptor Atome, Elektronenmangel

Mit Spannungsquelle Wird eine Spannungsquelle mit dem Minus an die p-Seite und mit dem Plus an die n-Seite angeschlossen, so wird die Raumladungszone auf beiden Seiten gleichviel vergrössert, bis ihre Spannung gleich der aussen angelegten Spannung ist. Je breiter die Raumladungszone ist, desto grösser ist die zwischen den neutralen Kristallzonen herrschende Spannung. Bei dieser Polung des pnÜbergangs kann kein Strom fliessen. Wenn man den pn-Übergang, mit der pSeite an den Pluspol einer Spannungsquelle anhängt und die n-Seite an den Unter Einfluss der Wärmeschwingung fliessen Minuspol, so ist dieser in DurchlassElektronen von der n-dotierten zur p-dotierte richtung gepolt. Nun wird bei Seite. Ein Elektron des P-Atoms wandert über die anliegender Spannung die Grenze und zwingt sich dort in die offene Raumladungszone abgebaut und die Bindung beim Al-Atom (= Ladungsträger- Diode wird schnell niederohmig. Aus diffusion). Somit entsteht in den Grenz- diesem Grund ist es notwendig bei jeder bereichen auf beiden Seiten ein Ionengitter= Diode einen Strombegrenzenden Raumladungszone. In diesem herrscht ein Vorwiderstand vorzuschalten, da dieser elektrisches Feld. sonst schnell ansteigen kann.

Shockley-Gleichung Beschreibt die Kennlinie der Diode im Durchlassbereich:

→ bei einem Fehler der kleiner als 1%

differentie. Widerstand: 𝑈 −𝑈 𝛾∗𝑈𝑇 𝑟𝐹 = 𝐹1 𝐹2 = 𝐼𝐹1 −𝐼𝐹2

𝐼𝐹

Schwellenspannung: 𝑈𝑆 = 𝑈𝐹1 − 𝐼𝐹1 ∗ 𝑟𝑓 Bahnwiderstand: 𝑟𝑑 =

∆𝑈 ∆𝐼

Kenn Kennlinie linie linien n im Vergl Vergleich eich

R_L = Lastwiderstand

EU18a, Linda Rüegg ELHL2

Z-Diode (ZD) Bau & Kennlin Kennlinie ie

Formeln Differentieller Widerstand: 𝑟𝑍 =

Z-Durchbruch

∆𝑈𝑍

>Zenerspannung: 2V …600 V >UZ0: Spannung bei dem Durchbruch beginnt

∆𝐼𝑍

→ Steilheit der Durchbruchskennlinie

>Zenerkennspannung UZK: bei der bestimmter Strom IZK fliesst, meist bei 5 mA

Betrag der Verschiebung: ∆𝑈𝑍𝐾 = 𝑈𝑍𝐾 ∗ 𝑎𝑍 ∗ ∆𝑇𝑗 → Temperaturkoeffizient aZ

>Nach dem Zenerdurchbruch ist eine Begrenzung des Stromes unbedingt erforderlich (Imax und Ptot gegeben von Hersteller), sonst erwärmt sich das Kristall unzulässig hoch und die Diode wird zerstört.

Gesamtverlustleistung: 𝑃𝑡𝑜𝑡 = 𝑈𝑍 ∗ 𝐼𝑍 Arbeitsstrom: 𝐼𝑍𝑚𝑎𝑥 =

𝑈−𝑈𝑍 𝑅𝑉

Knickbereich

𝑈 = 𝑈𝑉 + 𝑈𝑍 , I= 𝐼𝑍 + 𝐼𝐿

Widerstand: 𝑅𝑉 =

𝑈−𝑈𝑍 𝐼

=

Lastwiderstand: 𝑅𝐿𝑚𝑖𝑛 = Effekte >Der Zenereffekt, Der Lawineneffekt >6V: Ladungsträger werden infolge der hohen Spannung so sehr beschleunigt, dass sie aus anderen Gitteratomen weitere Ladungsträger freisetzen. Diese wiederum setzen weitere Ladungsträger frei, so dass die Stromstärke steil ansteigt.

Imin 𝑈−𝑈𝑍

Imax

𝐼𝑍𝑚𝑎𝑥

Ersatzschaltung Z-Diode mit Vorwiderstand

Arbeitspunkt →Schnittpunkt der DiodenLastwiderstandskennlinie

und

der kritische Feldstärke: 200 kV/cm

Eingangsspannung ändert von 10 V auf 13 V, wie ändert sich die Ausgangsspannung anhand der Arbeitsgeraden? 2 kOhm für R Ersatzschaltung für Z-Diode mit Vorwiderstand Verlustleistung: 𝑃𝑍 = 𝑈𝑍0 ∗ 𝐼𝑍 + 𝐼𝑍2 ∗ 𝑟𝑍 Ausgangsspannung:

Diese beiden zusammen erzeugen den Zenerdurchbruch.

>Zwischen 5V und 6V verhalten sich ZDioden nahezu temperaturstabil. Man geht von einem Ausgleich der beiden Effekte aus. Anwendung: Spannungsstabilisierung

Arbeitsbereich

𝐼𝑍 +𝐼𝐿 𝑈𝑍

𝑟𝑍 + 𝑈𝑍0 𝑢𝑍 = (𝑢𝑍 − 𝑈𝑍0 ) 𝑅 + 𝑟𝑍

1. -2 V/-0.6 mA = 333 Ohm = rz 2. 333 Ohm / (2000 + 333) Ohm = 0.143 𝑟

Stabilisierungsfaktor/Arbeitsgerade: 𝑅+𝑟𝑍

𝑍

EU18a, Linda Rüegg ELHL2

Suppressordiode (TVS-Diode) Kenn Kennlinie linie linien n

Anwendung = spezielle Avalanche-Überspannungsschutzdioden

Zweistufiger Schutz

Sie werden leitend, wenn eine Spannungsschwelle überschritten wird. Der Strom des Impulses wird gefahrlos nach Masse abgeleitet. Dadurch kann sich keine zerstörerische Spannung aufbauen. Wegen der geringen Kapazitäten zeichnen sich Suppressordioden durch kurze Ansprechzeiten im Picosekunden-Bereich aus und eignen sich besonders für den Überspannungsschutz von empfindlichen MOSSchaltungen und Niederspannungs-ICs gegen elektrostatische Entladungen (ESD), Lastwechsel und gegen Spannungsspitzen von induktiven Bauteilen Die Hauptaufgabe der Suppressor-Dioden am Bordnetz ist die Begrenzung (Spannungsimpulse). oder Unterdrückung hoher Spannungsspitzen. Dieser Grobschutz in einer ersten Schutzstufe erzeugt aber oft noch zu hohe Restspannungsspitzen, Unterschied zu Z-Diode: steilere Kennlinie bei grossen die für manche Verbraucher am Bordnetz immer noch zu hoch sind. Strömen resp. die Spannung steigt noch weniger an. Ausserdem kann sie im bidirektionalen Betrieb die Schaltung Ein Serienwiederstand R in der Versorgungsleitung dient als von beiden Richtungen schützen. Strombegrenzung für die nachgeschaltete, zweite und kleinere Schutzdiode. Bi- & unidirektional Die Diode ist bi und unidirektional verfügbar. Während die unidirektionale Diode in Gegenrichtung wie eine normale Diode ab ca. 0,7 V leitet, schützt die bidirektionale in beiden Stromrichtungen bis zur Durchbruchspannung und qualifiziert sich somit auch für Wechselspannungsanwendungen. Grenzwerte: Durchbruchspannung: 3 … 1'500 V Spitzen-Puls-Leistungsdispersion: 200 … 30'000 W Unterbindungszeit: … 20 μs (TVSD), … 1'000 μs (PowerTVSD) Leckstrom: einige Mikroampere

Grenzwerte und Legende • Durchbruchspannung (Breakdown voltage): Suppressordiode geht in den leitfähigen Zustand über • Klemmspannung (Clamping voltage): Suppressordiode führt den maximalen Strom • Impulsverlustleistung (Peak Pulse Power Dissipation): Die maximale Energie, die ein kurzer elektrischer Puls in der Suppressordiode in Wärme umwandeln darf, ohne sie zu beschädigen. • Dauerverlustleistung (Steady State Power Dissipation): Die maximale elektrische Leistung, die die Suppressordiode in Wärme umwandeln kann, ohne durch zu hohe Temperatur beschädigt zu werden. • Leckstrom (Leakage current): Der Leckstrom, der bei gegebener Spannung in Sperrrichtung durch die Suppressordiode fließt.

U_B = Versorgungsspannung U_D = Durchlassspannung I_D = Durchlassstrom

Weitere Sch Schottkyottkyottky-Diod Diod Diode e (SBD (SBD))

Grenz- & Kennwerte

LED

Sperrspannung/-strom: 𝑈𝑅 𝐼𝑅 Durchlassgleichstrom: 𝑈𝐹

EU18a, Linda Rüegg ELHL2 Formeln, Grenz- & Kennwerte Halbwertsbreite:│∆𝐸│ = 2 ∗ 𝑘 ∗ 𝑇 Energiebreite: ∆𝐸 = ℎ ∗ 𝑓 𝑐 Wellenlänge: 𝜆 = 𝑓 2∗𝑘∗𝑇 2 𝜆 ℎ∗𝑐 𝑈𝐵 −𝑈𝐷

Unsicherheit: │∆𝜆│ = Widerstand: 𝑅𝑉 =

Lichtausbeute: 𝜂𝑉 =

𝐼𝐷 𝜙𝑉 𝑃

Kenn- und Grenzwerte: IFmax = 50 mA, URmax = 3 V, Ptot = 120 mW Leuchtfläche A: 0.5 … 30 mm2 Lichtstärke Iv: 2 … 5 mcd bei IF = 20 mA Lichtstrom φV: 2 mlm bei IF = 20 mA λ mit grösster Strahlungsleistung: 660 nm Öffnungswinkel α: 25 … 60° Durchlassspannung UF: 3 V Sperrschichtkapazität CS: 400 pF Zustandsverhalten In Sperrrichtung:

Eigenschaften & Anwendung Da sie fast kein Vorwärts- und vor allem Rückwärts-Erholverhalten aufweisen, kommen sie der idealen Diode sehr nahe. Beim Einsatz in der Leistungselektronik ist eine erhebliche Reduktion der Schaltverluste in der Diode vorhanden. Die erlaubten Sperrschichttemperaturen liegen höher als bei Silizium.

In Durchlassrichtung: >Niedrige Durchlassspannungsabfall >Der Strom wird nur durch Majoritätsträger, (Elektronen) gebildet. >Extrem kurze Schaltzeiten Anwendung: Gleichrichter, Hochfrequenz, Mikrowellen, Computer

Eigenschaften & Anwendung >In Durchlassrichtung wird ein Teil der beim Passieren des pn-Übergangs freiwerdenden Energie in Form von Licht charakteristischer Wellenlänge frei. >Die Vorwärtsspannung ist umso grösser, je höher die Energie der ausgesendeten Photonen ist. Min: Infrarotdioden (IRDiode, ca. 1.2V), steigt: Rot (ca. 1.5-1.8V) über Gelb, Grün bis zu Blau/Weiss und Ultraviolett (UV-Diode, ca. 3-3.5V). >Sie sind sensibel gegen Überstrom und Falschpolung, denn sie haben sehr geringe Sperrspannungen. >Optische Anzeige (bsp. Standby), Darstellung von Ziffern, Displayhinterleuchtung (Monitore), Infrarot-LED = Signal& Datenübertragung (Fernbedienungen)

Ottokoppler

Dient zur rückwirkungsfreien galvanischen Trennung von zwei Kreisen, z. B. bei Problemen mit Erdschleifen und mit Potenzialunterschieden zwischen Geräten. Es wird ein Lichtsender (LED) und ein Lichtempfänger (Fotodiode, Fototransistor) in ein lichtdichtes Gehäuse eingebaut. Mit diesen Schaltungen können digitale Signale sehr einfach übertragen werden. Es gibt auch lineare Optokoppler, mit denen Trennverstärker aufgebaut werden können.

! U_S=U_D

EU18a, Linda Rüegg ELHL2

Tutorat 7 Diod Dioden-Ke en-Ke en-Kennl nnl nnlinie inie

Diode als Begrenzer Über den Widerstand R wird die Spannung u1 vollständig an die offenen Ausgangs-klemmen übertragen, solange die Diode D gesperrt ist. Wenn die Diode leitet, wird die Ausgangsspannung u2 begrenzt. 𝑅2 (= 𝑈0 ) + 𝑈𝑆 𝑢1 < 𝑢𝑞 𝑅1 + 𝑅2 𝑅1 ∗ 𝑅2 𝑅𝑔𝑒𝑠 = 𝑅 + 𝑅1 + 𝑅2 𝑈0 + 𝑈𝑆 𝑈𝑆 = 𝑅𝑔𝑒𝑠

Kennlinien im Durchlassbereich nach Temperatur Sperrstrom Bahnwiderstand 1. Zwei Punkte wählen auf 1. Kennlinie linearisieren Kennlinie, für zwei Betriebspunkte ausfüllen: 2. Differenz von zwei Punkten von U und I auf 𝑈𝐹 dieser finden. 𝛾∗𝑈 ln(𝐼𝐹 ) ≈ ln(𝐼𝑆 ) + (𝑒 𝑇 − 1)

Gleichrichterschaltung

Stromgradient:

𝑈𝐹1 − 𝑈𝐹2 ln(𝐼𝐹1) − ln(𝐼𝐹2) ∗ 𝑈𝑇 𝐼𝑆 ≈

𝑈𝐹 𝑖

𝑒𝛾∗𝑈𝑇

∆𝑡

𝐴

∆𝑢𝑞 ∆𝑡

[ ] 𝑠

=[

𝑉

𝑚𝑠

]

𝑈𝑆 ∆𝑢𝑞 ∆𝑡

arithmetischen Mittelwert 𝑖:

3. nach Gamma auflösen:

𝐼𝐹𝑖

∆𝑖

Einschaltzeitpunkt: 𝑡1 =

ln(𝐼𝐹1) − ln(𝐼𝐹2) 𝑈𝐹1 − 𝑈𝐹2 ≈ 𝑘 ∗ (273.15 + 𝑇𝑖 ) ) 𝛾∗( 𝑞

4. Sperrstrom:

𝑅𝐿 +𝑟𝐹

Spannungsgradient:

2. Diese beiden gleichsetzten:

𝛾≈

𝑢𝑞 −𝑈𝑆

maximal Strom: 𝑖 =

3. Bahnwiderstand berechnen: 𝑟𝑑 =

∆𝑈 ∆𝐼

→Eingangsspannung vs. Ausgangsspannung Aus AC wird DC erzeugt. Dazu nutzt man die Ventilwirkung des pn-Übergangs von Halbleiter-dioden. Da der Strom nur in eine Richtung fliessen kann (durch Diode), fehlt die zweite Halbwelle der Wechselspannung in der Ausgangsspannung Ua. Unter ohmscher Belastung RL bricht die pulsierende Gleichspannung auf U DC mit einer Restwelligkeit zusammen.

Effektivwert I: Mittlere Verlustleist.: 𝑃 = 𝑈𝑆 ∗ 𝑖 + 𝐼 2 ∗ 𝑟𝐹 Übertemperatur: ∆𝑇 = 𝑃 ∗ 𝑅𝑡ℎ𝑈 = [𝐾]...