Halbleiterdiode - Dioden Grundlagen PDF

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Dioden Grundlagen...

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1. Halbleiterdiode 1.1. Aufbau und Schaltzeichen Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement, das Strom in einer Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung den Stromfluss sperrt. Daher wird von Durchlassrichtung und Sperrrichtung gesprochen. Dioden werden unter anderem zur Gleichrichtung, der Umwandlung von Wechselspannung zu Gleichspannung, eingesetzt. Daneben zeigt der Halbleiterübergang weitere nutzbare Eigenschaften, die z. B. in Zener-, Photo-, Leuchtdioden (LED), Kapazitätsdioden und Halbleitersensoren (z.B. magnetischer Hall-Sensor) ausgenutzt werden. Eine Halbleiterdiode besteht aus einem pn-Übergang; es gibt auch spezielle Dioden, die aus einem Metall-Halbleiter-Kontakt bestehen („Schottky-Diode“, nur eine Dotierungsart plus metallische Spitze). Die Schichten sind in einem Gehäuse miteinander verbunden und mit Anschlüssen versehen. Wegen dem pn-Übergang ist eine Halbleiterdiode gepolt: sie besitzen einen „Plus“-Anschluss (Anode) und einen „Minus“-Anschluss (Kathode). Ihre Haupteigenschaft ist, den Strom nur in eine Richtung durchzulassen. Oder anders ausgedrückt, ihr Leitfähigkeit hängt hauptsächlich von der Polung ab.

Abbildung 1: unterschiedliche Bauformen von Halbleiterdioden

Abbildung 2: 3A Schottkydiode (1N5822). Die Anschlussdrähte sind auf den Siliziumkristall gepresst, um gute Wärmeableitung zu ermöglichen

In Abbildung 1 erkennt man bei den verschiedenen Dioden eine Markierung in der Form eines farbigen (meist schwarzen, bei dunklen Gehäusen auch weiß) Rings oder einer Einkerbung beim Kathoden-Anschluss.

Das Bild zeigt den Prinzip-Aufbau, das Schaltzeichen und das Bauteil (axial) mit Markierungsring (Kathode). Das Dreieck im Schaltzeichen stellt die p-Schicht bzw. Anode dar, der Balken die nSchicht bzw. Kathode. Die Dreiecksspitze zeigt die technische Stromrichtung in Durchlassrichtung an.

1.2. Diodenkennlinie Die Diodenkennlinie zeigt das Widerstandsverhalten der Diode bei unterschiedlichen Strömen und Spannungen an (Strom-/Spannungskennlinie). Da die Diode je nach Polung ein unterschiedliches Verhalten aufweist, besteht das Kennlinienfeld aus einem Durchlassbereich (Diode in Durchlassrichtung) und einen Sperrbereich (Diode in Sperrrichtung). Da Dioden nicht alle gleich sind, hat jede Diode eine andere Kennlinie. In der Abbildung sind die Spannungs- und Stromverläufe einer Germanium- (Ge) und einer Silizium-Diode (Si) dargestellt. Der Durchlassbereich, in dem die Kennlinien der Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, liegt rechts oben (1.Quadrant). Der Sperrbereich, in dem die Kennlinien der Diode in Sperrrichtung betrieben wird, liegt links unten (3.Quadrant). Die beiden anderen Felder (Quadranten 2 und 4) spielen keine Rolle.

Die Kennlinie ergibt sich z. B. aus einer Messung (siehe folgender Abschnitt) oder ist im Datenblatt der Diode angegeben. Bei einer kleinen Durchlassspannung UF fließt nur ein kleiner Strom IF. Die Sperrschicht durch die Ladungsträgerdiffusion ist noch sehr groß. Die Halbleiterdiode bzw. der pn-Übergang ist noch sehr hochohmig. Mit steigender Spannung steigt auch der Strom. Aber nur ganz leicht. Ab einer bestimmten Durchlassspannung UF steigt der Durchlassstrom IF stark an. Dieser Spannungswert wird Schwellspannung genannt, weil die Sperrschicht abgebaut wird und der pnÜbergang sich für den Stromfluss öffnet (sogenannte „Schleusenspannung“). Oberhalb der Schwellspannung bleibt die Haltleiterdiode niederohmig. Die Kennlinie kann z. B. dazu verwendet werden, um die Schwellspannung oder den differentiellen Widerstand rF zu bestimmen.

1.2.1. Differentieller Widerstand Bei elektrischen Bauelementen (auch bei Widerständen), für die sich zeitunabhängig eine Spannung U aufgrund einer Stromstärke I angeben lässt, ist die physikalische Größe 𝑈

„elektrischer Widerstand“ definiert als das Verhältnis Spannung zu Stromstärke (𝑅 = 𝐼 ). Wenn dieser – anders als bei einem ohmschen Widerstand mit seiner linearen U/I-Kurve – abhängig vom Strom- bzw. Spannung ist, dann kann man in jedem Punkt der U/I-Kurve einen „differentiellen Widerstand“ 𝑟 =

∆𝑈 𝑑𝑈 = ∆𝐼 𝑑𝐼

definieren: Änderung der Spannung in Bezug auf

eine zugehörige (differentiell) kleine Änderung der Stromstärke. Dieser entspricht dem Kehrwert der Steigung der Kurve in einem bestimmten Punkt (Ableitung dU/dI bzw. Delta-U zu Delta-I). Bei einem (ohmschen) Widerstand ist der differentielle Widerstand in jedem Punkt der Kurve gleich groß, bei einer Diode mit ihrem nicht-linearen Kennlinienverlauf dagegen nicht:

Der differentielle Widerstand kann gemessen oder aus der Ableitung der Kennlinie am gewünschten Punkt (Tangente einzeichnen) berechnet werden. Er wird verwendet, um das Kleinsignalverhalten von Bauelementen zu beschreiben (wie verhält sich das Bauelement in einem bestimmten Punkt auf kleinste Änderungen von Strom bzw. Spannung). Man sieht, dass im gewählten Arbeitspunkt (roter Kreis, kann beliebig gewählt werden) die Diode einen Widerstand von 35 hat, aber auf kleine Änderungen von Strom bzw. Spannung mit einem sehr kleinen differentiellen Widerstand (ca. 1,67) dagegenhält. Die Germanium-Diode hat dagegen bei der gleichen Spannung einen mehr als 2x größeren differentiellen Widerstand (ca. halbe Steigung). Achtung: der Widerstand in einem Punkt, berechnet aus der Spannung und dem Strom in diesem Punkt, hat (meist) einen ganz anderen Wert als der differentielle Widerstand!!!

1.2.2. Schwellspannung ~ Diffusionsspannung (Durchlassrichtung) Die Schwellspannung (ungefähr Diffusionsspannung) ist der wichtigste Nennwert einer Diode. Die Schwellspannung gibt an, ab welcher Spannung eine Halbleiterdiode in Durchlassrichtung leitend wird. Das bedeutet, eine Diode in Durchlassrichtung ist nicht immer leitend, sondern erst ab einer bestimmten Schwellspannung. Es spielt dabei keine Rolle, in welchem Spannungsbereich sich eine Diode befindet. Die Anode der Diode muss in Durchlassrichtung nur um die Schwellspannung positiver sein als die Kathode. Die Schwellspannung ist also als Potential zu sehen. Die Schwellspannung ist abhängig vom Halbleitermaterial und entspricht nur einem ungefähren Wert. Ein paar Beispiele häufiger Halbleitermaterialien: Germanium ~ 0,3V Silizium ~ 0,7V Selen ~ 0,6V Kupferoxydul ~ 0,2V Hinweis: Schwellspannungen gelten nicht nur für Halbleiterdioden, sondern zum Beispiel auch für Transistoren. Hier gibt es auch einen pn-Übergang. 1.2.3. Durchbruchspannung (Sperrrichtung) und max. Leistung Die Durchbruchspannung bezieht sich auf eine physikalische Eigenschaft einer Silizium-Diode, die in Sperrrichtung geschaltet ist. Bei der Silizium-Diode haben wir einen sehr kleinen Sperrstrom IR.

Ab einer bestimmten Sperrspannung UBR werden die Elektronen aus ihren Kristallbindungen gelöst. Dann kommt es zum so genannten Zenerdurchbruch (Durchbruchspannung). Dabei steigt der Strom schlagartig an. Wird dieser Strom nicht begrenzt, dann zerstört sich die Diode.

Bei Germanium-Dioden kommt der Zenerdurchbruch nicht zum Tragen. Dafür steigt der Sperrstrom IR bei steigender Spannung langsam an. Ab einer bestimmten Spannung erhitzen sich die Halbleiterkristalle so stark, dass es zum Wärme-Durchbruch und zur Zerstörung kommt. Die Zerstörung der Halbleiterkristalle ist auch im Durchlassbereich möglich, wenn der maximale Strom überschritten wird. Mehr Informationen zur Durchbruchspannung und dem Zener-Effekt 1.2.4. Ermittlung der Diodenkennlinie Um die Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung eines elektronischen Bauelements zu ermitteln wird eine Messschaltung zur Aufnahme der Strom- und Spannungswerte aufgebaut. Dazu werden die Messwerte in die richtigen Koordinaten eingesetzt. Die Punkte werden dann miteinander verbunden. Daraus ergibt sich eine grafische Darstellung der Messwerte: die Kennlinie. Alternativ gibt es die Möglichkeit die Kennlinie mit Hilfe eines Oszilloskops darzustellen (Laborübung). Die Messschaltung besteht aus einer Spannungsquelle, einem Vorwiderstand zur Strombegrenzung, einem Strommessgerät, einem Spannungsmessgerät und der Halbleiterdiode. Die folgenden Messschaltungen zeigt die Anordnung der Schaltungsteile und Messgeräte. Die Strom- und Spannungspfeile sind auch eingezeichnet. Diodenschaltung zur Messung/Aufnahme der Diodenkennlinie im Durchlassbereich

Uges = Spannung der Spannungsquelle UF = Durchlassspannung, Schwellspannung (Schwellwert) IF = Durchlassstrom Diodenschaltung zur Messung/Aufnahme der Diodenkennlinie im Sperrbereich

Uges = Spannung der Spannungsquelle UR = Sperrspannung IR = Sperrstrom

1.3. Eigenschaften einer Halbleiterdiode •

große Sperrspannung kleine Durchlassspannung

•

kleine Baugröße, dadurch empfindlich gegen Überlast (bei großem Durchlassstrom)

•

Gleichrichterwirkung / Ventilwirkung

1.4. Halbleiterdioden mit speziellen Eigenschaften Fotodiode Kapazitätsdiode Leuchtdiode Schottky-Diode Tunneldiode Z-Diode Ceradioden / Keramische Dioden Backward-Diode PIN-Diode

1.5. Übersicht: Halbleiterdioden Typ

Gehäuse

UR/V

IF/mA

IR/µA

1 N 4001

DO-7

50

1000

10

1 N 4002

DO-7

100

1000

10

1 N 4003

DO-7

200

1000

10

1 N 4004

DO-7

400

1000

10

1 N 4005

DO-7

600

1000

10

1 N 4006

DO-7

800

1000

10

1 N 4007

DO-7

1000

1000

10

1 N 4148

DO-35

75

200

0,025

BAT 85

DO-34

30

300

2

BAX 12

DO-35

90

800

0,1

1.6. Anwendungen • • • •

Spannungsbegrenzung auf ca. 0,7V (Silizium-Diode) Gleichrichterschaltungen Verpolungsschutz Vom Dioden-Schalter zum elektronischen UKW-Antennenumschalter

1.7. Links zu weiteren verwandten Themen: • • •

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