Halbleiterdioden

pn - übergang ohne äußere Spannung

pn-Übergang ohne äußere Spannung

Die freien Ladungsträger der n-Schicht, die sehr nahe an der p-Schicht liegen, füllen die dort befindlichen Löcher auf (= Rekombination). Durch diesen Ladungsausgleich entsteht eine sehr dünne und ladungsarme Zone. Die Größe dieser Zone oder der Sperrschicht hängt von der Temperatur und der Dotierung ab.

Durch die Bewegung der freien Ladungsträger im starren Si-Gitter ohne äußere Spannung (= Diffusion) entstehen in der n-Schicht positive Ionen (5 Protonen bleiben im Kern zurück) und in der p-Schicht negative Ionen. Die Ladungen sind in der Sperrschicht verschoben. Man spricht von einer Raumladungszone.

Die Schichten wirken geladene Kondensatorplatten mit einem dazwischenliegenden Isolator (= ladungsarme Zone oder Raumladungszone). Das Elektrische Feld im Inneren des Kristallgitters enspricht einem Spannungsunterschied von etwa 0,6V (= Schleusenspannung US der Diode).

pn - übergang mit äußerer Spannung

1. "+" an n - Schicht; "-" an p - Schicht

Dadurch werden einerseits die freien Ladungsträger abgezogen und anderseits die Löcher vollständig aufgefüllt. Die Sperrschicht stabilisiert sich.

pn-Übergang mit

"-" an n - Schicht; "+" an p - Schicht

Dadurch wird einerseits die n - Schicht mit freien Ladungsträgern überschwemmt und anderseits die p - Schicht mit Löchern vergrößert. Die Sperrschicht wird abgebaut.

pn-Übergang mit

Arbeitsweise von Halbleiterdioden

Wir untersuchen die Diode sehr genau im Laborunterricht, so dass hier nur kurz zusammengefasst wird.:

  1. Die Diode ist ein elektronischer Schalter, der richtungsabhängig Strom fließen läßt oder sperrt.
  2. Die Diode besitzt keinen konstanten Bauteilewiderstand, man spricht von einem dynamischen Widerstand (gekrümmte U - I - Kennlinie).
  3. Eine leitende Diode kann den Strom nicht begrenzen, sie muss durch in Reihe geschaltene Widerstände geschützt werden.
  4. Eine Diode kann nur eine begrenzte Spannung sperren. (max. Sperrspannung ist Grenzwert)
  5. Der fließende Strom erhitzt die Sperrschicht und darf ein zulässiges Maß deshalb nicht übersteigen.

Grenzdaten von Dioden

Dioden-Datenblatt

Bauarten von Halbleiterdioden

Man unterscheidet:

  1. Flächen-
  2. Spitzen- und
  3. Leistungsdioden (Gleichrichter)

zu 1.) Prinzip Plardiode

Diese Darstellung zeigt eine mittels Diffusion hergestellte Flächendiode. Der p-n-übergang ist großflächig.

Si-Planardioden werden für größere Ströme gebaut.

Ein Problem stellt die Fläche bei schnelleren Schaltfrequenzen dar.

zu 2.) prinzip Spitzendiode

Auf eine Germaniumplatte wird eine Metallspitze geschweißt, deren Legierungsbestandteile in einer kleinen Zone um die Spitze Akzeptoren bilden.

Der p-n-übergang ist daher sehr klein.

Ge-Spitzendioden werden für NF-Technik (hohe Frequenzen) gebaut.

zu 3.) Prinzip Leistungsdiode Silizium hat sehr gute Schalteigenschaften (steile Kennlinie über US = 0,7V)

Damit hat die Diode auch bei großen Stromstärken (500A, 1000A), relativ geringe Verluste. Die Siliziumpille wird aus Kühlungsgründen sehr klein gehalten.

Das Gehäuse von Leistungdioden muss die Wärme gut abführen und ist daher aus Metall (oft sind Gewinde integriert).

Halbleiterdioden mit speziellen Eigenschaften

Z - Dioden

Sie sind besonders dotierte Si - Dioden, die in Sperrrichtung bei einer bestimmten Spannung (Zener-Spannung UZ) zu schalten beginnen.

Sie werden zur Erzeugung von Referenzspannungen und zur Stabilisierung von Spannungen verwendet.

Kapazitätsdioden

Auch sie wird in Sperrrichtung betrieben. Dabei wird aber die Kapazität der Sperrschicht ausgenützt, die sich mit unterschiedlicher Spannung ebenfalls ändert.

Sie werden in Empfangsstufen von Radios und Fernsehern statt der riesigen Drehkondensatoren eingesetzt.

Schottky-Dioden (Hot Carrier - Dioden)

Das sind Metall-Halbleiter-Dioden, die lediglich eine n-Schicht besitzen. Die Raumladungszone besitzt keine ionisierten Akzeptoratome. Das bringt einen sehr raschen übergang vom Sperrzustand in den Schaltzustand.

Schottkydioden sind extrem schnelle Schalterdioden für die Mikrowellentechnologie.

Zusammenfassung