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Einführung in die physikalisch- chemischen Übungen L.V. – Nr.: 646.521 SS, 2-stündig Univ.Prof. Dr. V. Ribitsch.

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1 Einführung in die physikalisch- chemischen Übungen L.V. – Nr.: SS, 2-stündig Univ.Prof. Dr. V. Ribitsch

2 HALBLEITER

3 Halbleiter 1. Einführung In vielen Bereichen unseres Lebens hat die Elektronik eine beherrschende Rolle eingenommen. Rundfunk- und Fernsehgeräte, Computer, Uhren, Musikinstrumente, elektronische Taschenrechner, elektrische Haushaltsgeräte, Herzschrittmacher,... sind Beweise dafür. Charakteristische Bauelementen in diesen Geräten sind: Transistoren, Gleichrichterdioden, Photowiderstände, Thermistoren, Leuchtdioden Ganze zusammengefasste Schalteinheiten sind sogenannte integrierte Schaltkreise (ic - integrated circuits). Im Gegensatz zur Elektrotechnik, in der überwiegend Metalle, Metall-Legierungen und Isolatoren eingesetzt werden, bestehen diese Bauelemente aus Halbleitermaterialien. Die Leitfähigkeit der Halbleiter liegt zwischen der von Metallen und der von Isolatoren. IsolatorenHalbleiterMetalle Kuststoffe Glas Glimmer Diamant Quarz Selen Germanium Silizium Ag Fe Elektrische Leitfähigkeit in 1/(. m)(=S/m)

4 Halbleiter – Aufbau 1.1. Halbleiter Das bekannteste Halbleitermaterial ist Silizium(Si). Es kommt in der Natur häufig vor. Z.B.: in Sand oder Quarz. Zu den Halbleitern gehören: Germanium, Silizium und Galliumarsenid Germanium und Silizium, Elemente der IV. Hauptgruppe - 4-wertige Atome, d.h. sie besitzen vier an der chemischen Bindung des Kristalls beteiligte Valenzelektronen. Die chemische Verbindung Galliummarsenid (GaAs) besteht aus Atomen der III. und V. Hauptgruppe. Zur Veranschaulichung der Struktur des Halbleiterkristalls kann man verschiedene Modelle heranziehen.

5 Halbleiter – Aufbau 1. Einführung Die Leitfähigkeit der Halbleiter ist stark abhängig von zugefügten Fremdstoffen (Zahl und Art der Ladungsträger) mechanischer Kraft (beeinflusst die Beweglichkeit der Ladungsträger) Temperatur (Zahl und Beweglichkeit der Ladungsträger) Belichtung (Zahl der Ladungsträger) Bei Raumtemperatur ist die Leitfähigkeit der Halbleiter gering. Führt man Energie in Form von Wärme, Licht, Spannung, oder magnetischer Energie hinzu, ändert sich die Leitfähigkeit. Die Empfindlichkeit der Halbleiter auf Druck, Temperatur und Licht macht sie zu geeigneten Sensoren Eigenleitung von Halbleitermaterialien Durch Wärmezufuhr oder Lichteinstrahlung können auch undotierte Halbleiter freie Ladungsträger erzeugen. Mit steigender Temperatur nimmt die Zahl der Elektronen-Loch-Paare mit dem Quadrat zu. Dadurch ergeben sich Grenzen für die maximale Betriebstemperatur in elektronischen Geräten: Germanium ( °C) Silizim ( °C) Galliumarsenid ( °C)

6 Halbleiter – Materialien 1.3. Halbleiterwerkstoffe Anwendung/BauelementeHalbleiterwerkstoffe Diode, Transistor, integrierter SchaltkreisGe, Si, GaAs DehnungsmessstreifenGe, Si NTC-WiderstandSi, Ge, GaAs LED, DisplaySiC, GaP, GaAs, InAs, InSb LaserdiodeGaAs, InAs, InSb Fotozelle, SolarzelleSi, GaAs Hallgenerator, FeldplatteInSb, InAs InAs = Indiumarsenid, InSb = Indiumantimon, GaP = Galliumphosphor, SiC = Siliziumcarbon

7 Halbleiter – Modelle 2.1. Teilchenmodell: Die Atome und Elektronen werden durch Kreise oder durch Kugeln dargestellt. Es gibt ebene und räumliche Darstellungen. In der räumlichen Anordnung erkennt man, dass in Halbleitern die Nachbarn jedes Atoms die Eckpunkte eines Tetraeders einnehmen. In einem fehlerfrei aufgebauten Germanium- oder Siliziumkristall gibt es bei tiefen Temperaturen keine frei beweglichen Ladungsträger, da alle Valenzelektronen fest an die Gitteratome gebunden sind. Dieser Kristall ist also ein Isolator. Bei Raumtemperaturen werden Elektronen aus ihren Bindungen frei und stehen als Ladungsträger zur Verfügung. Jedes freigewordene Elektron hinterlässt dabei eine Elektronenfehlstelle, ein sogenanntes Defektelektron. Diese Fehlstelle kann durch ein anderes Elektron wieder aufgefüllt werden Bändermodell: Die Elektronen werden durch ihre Energiezustände dargestellt. Dicht benachbarte Energieniveaus bilden ein Energieband. Energienzustände, die zwischen den Bändern liegen, können von den Elektronen des Kristalls nicht eingenommen werden. Sie bilden verbotene Bereiche. Das oberste vollständig besetzte Band heißt Valenzband V, das nächsthöhere, nicht mehr voll besetzte Band ist das Leitungsband L. Bei sehr tiefen Temperaturen ist das Leitungsband eines Halbleiterkristalls fast unbesetzt. Bei Raumtemperaturen reicht die innere Energie aus, um einige Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband zu heben. Damit stehen sie als Ladungsträger zur Verfügung. Die Zahl der thermisch freigesetzten Elektronen ist gering, sie beträgt etwa ein Elektron auf Atome.

8 Halbleiter – Modelle 2.3. Energiebändermodell 1: Es wird benutzt, um die Zustände der Elektronen in einem Festkörper zu beschreiben. In diesem Modell geht man davon aus, dass die Elektronen immer nur Energiezustände (E) innerhalb der Bänder annehmen können, alle Zwischenwerte sind verboten. Bei den Festkörpern findet man zwei prinzipiell unterschiedliche Möglichkeiten. Wenn das oberste Energieband (Leitungsband EL) nur teilweise von Elektronen besetzt ist, spricht man von Leitern, da den Elektronen im Leitungsband genügend freie Niveaus zur Verfügung stehen und ein Ladungsträgertransport somit leicht möglich ist. Ist das oberste Energieband bei der Temperatur 0 Kelvin nicht besetzt, so liegt ein Halbleiter oder ein Isolator vor. Halbleiter (HL) und Isolator unterscheiden sich durch den Abstand zwischen dem vollbesetzten Valenzband (EV) und dem leeren Leitungsband (HL 5eV). EV EL EE EV EL E MetallHalbleiterIsolator

9 Halbleiter – Modelle 2.3. Energiebändermodell 2: In Halbleitern ist z.B. eine Wandlung der solaren Strahlungsenergie in elektrische Energie möglich. Theoretisch könnte aus jedem absorbierten Lichtquant ein Elektron-Loch-Paar entstehen. Wenn ein Lichtquant mindestens die Energieschwelle des Bandabstandes erreicht, kann ein Übergang Valenz-Leitungsband stattfinden. Hat das Quant mehr Energie, so geht die Differenz zum Bandabstand in Wärme über. Um mehr als ein Elektron-Loch- Paar zu generieren, muss das Lichtquant ein Vielfaches der Energie des Bandabstandes mitbringen. Dieser Vorgang wird auch innerer Photoeffekt genannt, im Gegensatz zum äußeren Photoeffekt, bei welchem das Elektron aus dem Festkörper herausgelöst wird, verbleibt das Elektron als freier Ladungsträger im Festkörper. Entstehung von Elektron-Loch- Paaren im Bändermodell EV EL E + +

10 Halbleiter – Modelle 2.3. Energiebändermodell 3: Da verschiedene Halbleitermaterialien auch verschiedene Bandabstände haben, muß man ein für den gewünschten Effekt günstiges Material auswählen. Der photovoltaische Grenzwirkungsgrad eines Halbleitermaterials beschreibt z.B. den Anteil der Strahlungsenergie des Sonnenspektrums, welcher in Ladungsträgerpaare umgewandelt werden kann. Mit Hilfe des photovoltaischen Grenzwirkungsgrades kann man diejenigen Materialien bestimmen, welche für das Sonnenspektrum am besten geeignet sind. Die Grafik zeigt die Abhängigkeit des Grenzwirkungsgrades vom Bandabstand und die Bandabstände einiger Halbleiter. Man erkennt, dass Silizium sehr nahe am Optimum von 0,44 liegt. Diese Betrachtung setzt voraus, dass jedes Photon absorbiert wird, in der Realität ist das nicht zu erreichen, auch sind Reflexions- und Transmissionsverluste vernachlässigt. Bandabstand eV Wirkungsgrad ult ,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Ge Si a-Si:H GaP

11 Halbleiter Der homogene, dotierte Halbleiter ist kein besonders brauchbares Medium für den Stromtransport. Dazu ist er auch gar nicht vorgesehen, man möchte mit Halbleitern komplexere Effekte wie nichtlineare Kennlinien und Verstärkungen realisieren. Brauchbare Halbleiter-Bauelemente erhält man stets dann, wenn unterschiedliche Bereiche aneinander stoßen. Man unterscheidet heute: Übergänge zwischen unterschiedlich dotierten Materialien im selben Halbleiter ("Homojunctions") Übergänge zwischen unterschiedlich zusammengesetzten Halbleiter-Materialien ("Heterojunctions") Übergänge zwischen Metall und Halbleiter ("Schottky-Junctions") Homojunctions und Heterojunctions setzen in der Regel (nicht immer) den Aufbau innerhalb eines einzigen Kristalls voraus. Darüber hinaus spielen, insbesondere in MOS-Bauelementen, Isolierschichten eine wesentliche Rolle. Extrem dünne Isolierschichten werden in Transistoren für die Steuerelektroden benötigt. Dickere Isolierschichten trennen Signale und Ströme voneinander.

12 Halbleiter – Dotierung 3. Dotierung Ist das gezielte Verändern der Leitfähigkeit von Halbleitern, in dem man in den reinen Halbleiterwerkstoff (z.B. Silizium und Germanium) Fremdatome einbaut N-Dotierung Wenn in reines Silizium Phosphor eingebaut wird, stehen pro Phosphoratom ein freies Elektron zur Verfügung. Da es sich bei den freien Elektronen um negativ geladene Ladungsträger handelt, spricht man von einem n-Leiter. Schließt man eine Stromquelle an den n-Leiter an, so entzieht der Plus-Pol dem n-Leiter die Elektronen, und es entsteht ein Elektronenstrom von Minus nach Plus P-Dotierung Wenn in reines Silizium Aluminium(Al) oder Bor (B) eingebaut wird, fehlt pro Aluminiumatom ein Elektron. Es entstehen Fehlstellen - Defektelektronen oder auch Löcher genannt. Da es sich bei den Löchern um positive Ladungsträger handelt, spricht man von einem p-Leiter. Schließt man eine Stromquelle an den p-Leiter an, so fließen Elektronen vom Minus-Pol in den p-Leiter und Rekombinieren mit den Löchern. Der Plus-Pol entzieht nun dem p-Leiter die Elektronen und es fließt ein Löcherstrom von Plus nach Minus.

13 Halbleiter – PN Übergang 4. PN – Übergang / PN-Übergang ohne äußere Spannung Baut man einen p-Leiter und einen n-Leiter zusammen, so ergibt sich am Grenzbereich eine Grenzschicht. Diese Grenzschicht nennt man PN-Übergang. Das elektronische Bauelement wird Halbleiterdiode genannt. Ohne äußere Einwirkung durch Spannung oder Strom bewegen sich die freien Ladungsträger nahe des Grenzbereiches von n- und p-Schicht in die jeweils anders geladene Schicht. Dabei Rekombinieren die Elektronen und Löcher miteinander. Am PN-Übergang entsteht eine an freien Ladungsträgern verarmte Sperrschicht oder auch Raumladungszone genannt. Diese Schicht ist schlecht leitend und in ihr herrscht ein sehr starkes elektrisches Feld. Durch die Ladungsträgerwanderung entsteht zwischen p- und n- Schicht eine elektrische Spannung. Sie wird Diffusionsspannung U D genannt. Bestehen die Schichten aus Silizium beträgt die Diffusionsspannung ca 0,6 bis 0,7 V. + np- Sperrschicht Diffusiionsspannung np + -

14 Halbleiter – PN Übergang 4. PN – Übergang / PN-Übergang mit angelegter Spannung Diode in Durchlassrichtung Wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben, so liegt die p- Schicht am Plus-Pol und die n-Schicht am Minus-Pol. Die Löcher der p-Schicht werden vom Plus-Pol abgestoßen, die Elektronen der n-Schicht werden vom Minus-Pol abgestoßen. Die Grenzschicht wird mit freien Ladungsträgern überschwemmt. Über den PN-Übergang hinweg, fließt ein Strom durch die Diode Diode in Sperrrichtung Wird die Diode in Sperrrichtung betrieben, so liegt die p- Schicht am Minus-Pol und die n-Schicht am Plus-Pol. Die Löcher der p-Schicht werden vom Minus-Pol angezogen, die Elektronen der n-Schicht werden vom Plus-Pol angezogen. Die Grenzschicht vergrößert sich und es können keine Ladungsträger durch sie hindurch. + np - Sperrschicht Diffusionsspannung np

15 Halbleiter - PN Übergang 4. Der p-n-Übergang /1 Wir nehmen an, dass innerhalb eines Einkristalls ein p- und ein n-dotierter Bereich aneinander stoßen. Damit ergibt sich ein in integrierten Halbleiterschaltungen allgegenwärtiges passives Bauelement. An der Grenzfläche zwischen dem p- und dem n-dotierten Bereich werden zunächst die im n-Bereich vorhandenen Elektronen in den p-Bereich hinein diffundieren, wo sie die dort vorhandenen Löcher "auffüllen", also rekombinieren. Dadurch entsteht um den Übergang herum eine von freien Ladungsträgern verarmte sogenannte "Sperrschicht". Schema des p-n-Übergangs mit äußerer Beschaltung Sowohl der n-dotierte Bereich des Kristalls als auch der p-dotierte Teil waren für sich isoliert betrachtet elektrisch neutral, weil sich die ortsfesten positiven Ladungen der Atomkerne und die negativen Ladungen der Elektronen gegenseitig jeweils ausglichen. Nun gilt dies nicht mehr: Nach Abfluss der Elektronen bleibt im n-Teil eine positive Ladung übrig, im p-Teil erzeugen die rekombinierten Elektronen eine negative Überschuss-Ladung. Damit entsteht in der Sperrschicht ein elektrisches Feld, das der weiteren Diffusion der Elektronen entgegenwirkt und diese stoppt.

16 Halbleiter - PN Übergang 4. Der p-n-Übergang /2 Energieband-Modell des p-n-Übergangs im Gleichgewicht Es tritt ein Ausgleich auf, bei dem ein einheitliches Fermi-Niveau im gesamten Kristall wirksam wird. Die Diffusionsspannung ist bestimmt durch die Größe der Bandlücke bzw. die Lage der Fermi- Niveaus im p- und im n-dotierten Bereich. Die Sperrschicht im p-n-Übergang hat verschieden Eigenschaften. Sie wirkt sowohl als variabler Widerstand wie auch als Kondensator. Dabei sind der Widerstandswert wie auch die Kapazität durch die von außen angelegte Spannung steuerbar.

17 Halbleiter - PN Übergang 4. Der p-n-Übergang /3 Legt man eine äußere Spannung an diese Sperrschicht an, so sind verschieden Effekte beobachtbar: Ist die äußere Spannung in derselben Richtung wie die innere "Diffusionsspannung" der Sperrschicht gepolt, so addieren sich beide Spannungen an der Sperrschicht. Die Weite der Sperrschicht nimmt entsprechend zu. Bis auf ganz wenige durch thermische Effekte erzeugte Ladungsträger findet kein Stromfluss statt. Der umgekehrte Fall tritt auf, wenn die äußere Spannung die innere Spannung reduziert. In diesem Fall tritt ab der Spannung, bei der die äußere Spannung die innere Spannung ausgleicht, ein erheblicher Stromfluss in Vorwärtsrichtung auf. Der p-n-Übergang ist in Vorwärtsrichtung oder Durchlassrichtung gepolt.

18 Halbleiter - PN Übergang 4. Der p-n-Übergang /4 Der Strom durch den p-n-Übergang ist gegeben durch die Formel: I = q A ( D p /(L p N d ) + D n / (L n N a ) * ni 2 (e**(qV/kT) - 1) A ist die Fläche des p-n-Übergangs, D p und D n sind die Diffusionskonstanten der Löcher bzw. Elektronen, L p und L n sind die jeweiligen "Diffusionslängen" im Halbleiter, d. h. die Abstände von der Grenzschicht, bei der die Konzentrationen von Löchern und Elektronen auf 1/e des jeweiligen Ausgangswertes abgefallen sind. Die Strom-Spannungs-Kennlinie des p-n-Übergangs ist durch eine Exponentialfunktion gekennzeichnet. Damit lässt sich die p-n-Diode als Ventil benutzen: In einer Richtung tritt ein starker Stromfluss auf, in Rückwärtsrichtung wird der Strom bis auf einen meistens sehr geringen Reststrom (I0) gesperrt. Strom-Spannungs- Kennlinie des p-n- Übergangs

19 Halbleiter - PN Übergang 4. Der p-n-Übergang /5 In Rückwärtsrichtung zeigt die Kennlinie das Verhalten realer Dioden nur unvollständig. Ab einer genügend großen Spannung in Rückwärtsrichtung wird die Diode "durchbrechen", d. h. leitend werden sogenannte Zener-Spannung. Wenn dann durch andere Maßnahmen im Stromkreis der auftretende Rückwärtsstrom begrenzt wird, kann dieser Durchbruch reversibel sein und lässt sich sogar ausnutzen, z. B. zur Stabilisierung von Gleichspannungen. Bei zu hohen Rückwärtsströmen wird allerdings eine starke Erwärmung mit nachfolgender Zerstörung des Bauelementes auftreten. Dioden, welche speziell auf Durchbruch bei bestimmten Spannungen in Rückwärtsrichtung hin gezüchtet sind, heißen Zener- Dioden oder Z-Dioden. Sie werden in der Elektronik zur Stabilisierung von Gleichspannungen, z.B. in Netzgeräten, verwendet. Kennlinie einer Z-Diode

20 HALBLEITERDIODEN

21 Halbleiterdioden Eine Diode hat die Eigenschaft, Strom nur in einer Richtung durchzulassen. Sie besteht aus zwei Schichten, einem n-dotierten und einem p-dotierten Halbleitermaterial, die sich berühren. Aufgrund von Abstoßung bzw. Anziehung von gleichen Ladungen findet abhängig von der Polung einer externen Spannungsquelle entweder ein Stromfluss statt oder wird komplett unterbunden. Somit leitet eine Diode nur in eine Richtung. 1. Verwendung in der Elektronik Sehr häufig werden Dioden als sogenannte Gleichrichterdioden verwendet. Dadurch dass Dioden Strom nur in eine Richtung durchlassen, erhält man am Ausgang einen pulsierenden Gleichstrom (in Sperrrichtung betrieben ist die Ausgangsspannung Null). Es gibt jedoch noch viele weitere Anwendungen in der Elektronik, bei denen es darauf ankommt, dass sehr kleine Steuerströme nur in eine Richtung fließen können. Die Diode wird mit dem Plus-Pol an der Anode in Durchlassrichtung betrieben. Die Diode wird mit dem Plus-Pol an der Kathode in Sperrrichtung betrieben. Aufbau einer Halbleiterdiode Halbleiterdiode in Sperrrichtung Halbleiterdiode in Flussrichtung

22 Halbleiterdiode 2. Ermittlung der Diodenkennlinie Um die Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung eines elektronischen Bauelementes zu ermitteln wird eine Schaltung zur Aufnahme der Strom- und Spannungswerte aufgebaut. Diese Schaltung kann auf die Halbleiterdiode angewendet werden. Die Messschaltung besteht aus einer Spannungsquelle, einen Vorwiderstand zur Strombegrenzung, einem Strommessgerät, einem Spannungsmessgerät und der Halbleiterdiode. U F = Durchlassspannung, Schwellspannung (Schwellwert) U R = Sperrspannung I F = Durchlassstrom I R = Sperrstrom IRIR RVRV IFIF U Ges URUR UFUF I U

23 Halbleiterdiode 3. M essung Die Messwerte beziehen sich auf die Diode in Durchlassrichtung. Um die Durchlassspannung U F zu erhöhen, wird die Spannung U Ges des Netzgerätes erhöht. U F [V]0,30,40,50,60,70,75 I F [mA]00,020,21,51030 Ab einem bestimmten Durchlassspannungswert U F beginnt der Strom stark anzusteigen. Diesen Spannungswert nennt man Schwellspannung. Die Halbleiterdiode zeichnet sich durch diese Charakteristik als spannungsabhängiger Widerstand aus. Durchlassbereich I F [mA] -U R [V] U F [V] Silizium -I R [µA] Sperrbereich Germanium Silizium ,2 0,4 0,6 0,8 Alternativ gibt es die Möglichkeit die Kennlinie mit Hilfe eines Oszilloskopes darzustellen. Die Kennlinie kann dazu verwendet werden um die Schwellspannung oder den differentiellen Widerstand r F zu bestimmen. Kennlinienfeld: Spannungs- und Stromverhalten einer Germanium und einer Silizium-Diode

24 Halbleiterdiode 4. Schwellspannung / Diffusionsspannung Es spielt 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 abhängig vom Halbleitermaterial und entspricht nur einem Circa-Wert. Beispiele häufiger Halbleitermaterialien: Germanium ~ 0,3V Silizium ~ 0,7V Selen ~ 0,6V Kupferoxydal ~ 0,2V 5. Eigenschaften einer Halbleiterdiode große Sperrspannung kleine Durchlassspannung kleine Baugröße, dadurch empfindlich gegen Überlast großer Durchlassstrom Gleichrichterwirkung 6. Anwendungen Spannungsbegrenzung auf ca. 0,7V(Silizium-Diode) Gleichrichtung von Wechselspannung

25 Halbleiter - Gleichrichter Gleichrichter Damit ist der erste Anwendungsbereich für Halbleiter-Dioden gegeben: Sie sind geeignet, in sogenannten Gleichrichter-Schaltungen Wechselströme gleichzurichten oder, anders herum, aus Wechselspannungsquellen Gleichströme abzuleiten. Von einer sinusförmigen Eingangsspannung wird nur die positive Halbwelle durchgelassen, der Strom i(t) fließt also nur in eine Richtung. Da die negative Halbwelle nicht ausgenutzt wird, ist der entstehende Gleichstrom äußerst wellig. Eine bessere Ausnutzung liefert die Gleichrichterschaltung mit einer Diodenbrücke. Sie setzt die positive als auch die negative Halbwelle der Wechselspannung in einen Gleichstrom um. Dies ist die bei weitem technisch wichtigste Gleichrichterschaltung, die in leicht modifizierter Form auch in Drehstrom-Schaltungen verwendet wird. Einweg-Gleichrichter

26 Halbleiter - Temperaturverhalten Halbleiterbauelemente wie z.B. Dioden oder Transistoren ändern ihren Innenwiderstand bei Temperaturänderung. Die Temperaturänderung nimmt Einfluss auf das Strom- Spannungsverhalten von Halbleitern. Die Ladungsträgerbeweglichkeit in einem Halbleitermaterial wird durch die Temperatur beeinflusst. Bei einer höheren Temperatur werden die Ladungsträger beweglicher. Die Eigenleitung des Halbleiters steigt. Das führt zu einem größeren Sperrstrom. Bei steigender Temperatur nimmt der Durchlasswiderstand eines Halbleiters ab. Die Schwellspannung wird dadurch etwas herabgesetzt. Das Diagramm beschreibt die Das Temperaturverhalten einer Diode beeinflusst ihr Sperrverhalten. Das Durchlassverhalten bleibt davon nahezu unberührt. Die Durchlassspannung einer Diode ändert sich linear mit etwa -2mV pro Grad Celsius (°C). Je höher die Temperatur, umso niedriger die Durchlassspannung. Anwendung: Durch das Verstärken dieser Spannungsänderung lässt sich in einfaches Temperaturmessgerät realisieren. U R [V] I R [µA] 25°C 125°C 0 0,2 0,4 0,6 0,8 U F [V] 25°C125°C I F [mA] Abhängigkeit des Sperrstromes von der Sperrschichttemperatur bei einer Silizium-Diode. Abhängigkeit des Verlaufes der Durchlasskennlinie von der Sperrschichttemperatur der Diode BAY 41 (Beispiel).

27 Dioden Gleichrichterdioden werden je nach Anwendungszweck in verschiedenen Bauformen hergestellt. Für Anwendungen in Netzteilen sind die pn-Übergange großflächig gestaltet, um hohe Durchlassstromstärken zu erreichen. Die dadurch bedingten größeren Sperrerholungszeiten fallen nicht ins Gewicht, da Netzteile für eine Frequenz von 50 Hz gebaut werden. Hochfrequenzdioden haben kleine pn-Übergänge, da sich die Kennlinien bei hohen Frequenzen sonst zu stark deformieren würden. 1. Gleichrichterdioden: Überall wo Wechselspannung in Gleichspannung umgeformt werden soll, setzt man Gleichrichterdioden ein. Bei ihnen wird die Ventilwirkung eines pn-Übergangs ausgenutzt. Im Durchlassbereich steigt die Stromstärke mit zunehmender Spannung oberhalb der Schleusenspannung stark an, d.h. die Diode hat in Durchlassrichtung einen sehr geringen elektrischen Widerstand. Im Sperrbereich ist ihr Widerstand sehr groß.

28 Dioden 2. Leuchtdioden: Signalelemente und Anzeigefelder vieler technischer Geräte bestehen aus Leuchtdioden (LED = light emitting diode). In ihnen wird elektrische Energie in Licht umgewandelt. Aufbau einer Leuchtdiode: ein großflächiger pn-Übergang liegt dicht unter der Oberfläche. LED's bestehen nicht aus Silizium oder Germanium, sondern aus Mischkristallen. Je nach verwendetem Material leuchten sie rot (Gallium-Arsenid-Phosphid), grün (Gallium-Phosphid), blau (Gallium-Nitrid) oder infrarot (Gallium-Arsenid). Der pn-Übergang einer LED wird in Durchlassrichtung betrieben. Beim Anlegen einer Spannung wird die durch die Rekombination von Elektronen und Defektelektronen in der Grenzschicht freiwerdendende Energie als Licht abgestrahlt. LED's, die Licht im infraroten Bereich aussenden, werden insbesondere in Fernbedienungen eingesetzt. Eine spezielle Art der Leuchtdiode ist die Laserdiode. Das von ihr emittierte Licht eignet sich besonders gut für die Signalübertragung in Lichtwellenleitern.

29 Dioden Dioden /3 1. Foto (Photo) dioden und Solarzellen: Bei der Informationsübertragung mit Licht werden als Empfänger häufig Photodioden eingesetzt. Sie sind für höhere Frequenzen geeigneter als die relativ trägen Photowiderstände. Aufbau von Photodioden: die großflächige Grenzschicht des pn-Übergangs wird über ein Fenster mit Licht bestrahlt. Durch die Absorption des Lichts werden dort zusätzliche Ladungsträgerpaare (Elektronen und Defektelektronen) gebildet, die die Leitfähigkeit des pn-Übergangs erhöhen. Dieses Phänomen wird als Sperrschichtphotoeffekt bezeichnet. Photodioden werden in Sperrrichtung betrieben. Der durch den Widerstand fließende Photostrom (Sperrstrom) ist dabei der Beleuchtungsstärke proportional. Photodioden können auch als Spannungsquelle eingesetzt werden, da die bei Bestrahlung mit Licht in der Grenzschicht generierten Ladungsträgerpaare durch den Einfluss des Diffusionsfeldes getrennt werden: die Elektronen in das n-Gebiet; die Defektelektronen in das p-Gebiet. Damit entsteht zwischen den beiden Enden des Si-Halbleiterkristalls eine Spannung bis zu etwa 0.5 V. Als Spannungsquelle genutzte Photodioden werden als Photoelement bezeichnet. Die wichtigste Anwendung des Photoelements ist die Solarzelle. Sie dient zur direkten Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie.

30 TRANSISTOREN

31 Transistoren TRANSISTOREN sind neben Halbleiterdioden die wichtigsten aktiven Bauelemente in der modernen Elektronik. Transistoren kann man nach zwei grundsätzlichen Funktionsprinzipien einteilen: Bipolar-Transistoren bzw. Sperrschichttransistoren, Unipolartransistoren bzw. Feldeffekttransistoren von denen es jeweils verschiedene Ausführungen gibt. Verwendung in der Elektronik/1 Transistoren sind das zentrale Element der Elektronik. Sie kommen in elektronischen Geräten meistens in großer Zahl zum Einsatz. Statt einzelner Transistoren in einem eigenen Gehäuse werden zunehmend integrierte Schaltungen verwendet, bei denen viele Transistoren auf einem einzigen Chip angeordnet sind.

32 Transistoren Verwendung in der Elektronik /2 Während in der Analogelektronik nach wie vor Sperrschichttransistoren eingesetzt werden, verwendet man in der Digitaltechnik vorzugsweise MOS-FET-Transistoren (Metallschicht- Feldeffekttransistoren). MOS-FET-Transistoren basieren auf einem anderen Wirkungsprinzip als Sperrschichttransistoren. Sie ähneln in ihrer Funktionsweise den Kennlinien von Röhren und besitzen einen extrem hohen Eingangswiderstand. Durch wird erreicht, dass die Ruheströme verschwindend gering sind und lediglich bei einem Schaltvorgang unvermeidliche Sperrschichtkapazitäten umgeladen werden müssen. Dadurch erreicht man eine deutlich geringere Stromaufnahme. Bei einem angenommenen Basisstrom von 1 mA, ergäbe alleine die Summe der Basisströme bei 1 Million Transistoren eine Stromaufnahme von 1000 A, Moderne Mikroprozessoren bestehen aus sehr vielen Millionen Transistoren (mittlerweile deutlich zweistellig), die mit wenig Strom auskommen. Ein leistungsfähiger Mikroprozessor konsumiert mehr als 50 W, was bei einer angenommenen Betriebsspannung von 2 V einen Strom von immerhin 25 A ergibt.

33 Bipolarer Transistor Normale Transistoren haben eine npn- oder pnp-Schichtenfolge und werden bipolare Transistoren genannt. Jeder bipolare Transistor besteht aus drei dünnen Halbleiterschichten, die übereinander gelegt sind. Sie sind mit metallischen Anschlüssen versehen, die aus dem Gehäuse herausführen. Die Außenschichten des bipolaren Transistors werden Kollektor(C) und Emitter(E) genannt. Die mittlere Schicht hat die Bezeichnung Basis(B), und ist die Steuerelektrode, oder auch der Steuereingang des Transistors. Diese mittlere Schicht ist gegenüber den beiden anderen Schichten besonders dünn. n C n p B E Das Schaltzeichen links wird verwendet um den Prinzipaufbau des Transistors darzustellen

34 Bipolarer Transistor Funktionsweise Durch das Anlegen einer Spannung U BE von 0,7 V, ist die untere Diode in Durchlassrichtung geschaltet. Die Elektronen gelangen in die p-Schicht und werden von dem Plus-Pol der Spannung U BE angezogen. Da die p-Schicht sehr klein ist, wird nur ein geringer Teil der Elektronen angezogen. Der größte Teil der Elektronen bewegt sich weiter in die obere Grenzschicht. Dadurch wird diese leitend und der Plus-Pol der Spannung U CE zieht die Elektronen an. Es fließt ein Kollektorstrom I C. IBIB ICIC U BE U CE E C Bei üblichen Transistoren bewegen sich etwa 99% der Ladungen (Elektronen) von Emitter zum Kollektor. In der Basisschicht verbleiben etwa 1% der Ladungen.

35 Bipolarer Transistor Eigenschaften des bipolaren Transistors Der Kollektorstrom I C fließt nur, wenn auch ein Basisstrom I B fließt. Wird der Basisstrom I B verändert, nimmt auch der Kollektorstrom I C einen anderen Wert an. Der Transistor wirkt dabei wie ein elektrisch gesteuerter Widerstand. Der Kollektorstrom I C ist um ein vielfaches von 20 bis mal größer als der Basisstrom I B. Diesen Größenunterschied nennt man Stromverstärkung B, und lässt sich aus dem Verhältnis I C zu I B berechnen. Ein Basisstrom kann erst dann fließen, wenn die Spannung an der Basis-Emitter-Strecke(-Diode) den Schwellwert von 0,6 V erreicht hat. Die Stromverstärkung bleibt bei schwankender Kollektor-Emitterspannung U CE weithin konstant, sofern diese Spannung über 4 V liegt. Mittels einer Hilfsspannung U BE kann der Schwellwert vorab eingestellt werden. Dieses Vorgehen wird als Arbeitspunkteinstellung bezeichnet. Um die eingestellte Spannung kann nun der Basisstrom den Kollektorstrom steuern. U CE = Kollektor-Emitter-Spannung U BE = Basis-Emitter-Spannung (Schellwert) I C = Kollektorstrom I B = Basisstrom IBIB ICIC U BE UCUC + 0 IEIE U CE +

36 Bipolarer Transistor Spannungsverteilung AufbauDotierungsfolge Schaltzeichen und Potentialverteilung Der NPN-Transistor besteht aus zwei N-leitenden Schichten. Dazwischen liegt eine dünne P- leitende Schicht. NPNNPN Der PNP-Transistor besteht aus zwei P-leitenden Schichten. Dazwischen liegt eine dünne N- leitende Schicht. PNPPNP

37 Bipolarer Transistor Zusammenfassung: Ein Transistor besteht aus drei Schichten, wovon ein oder zwei aus n-dotiertem und ein oder zwei aus p-dotiertem Halbleitermaterial bestehen. pnp-Transistoren verhalten sich durch die umgekehrte Schichtfolge absolut spiegelbildlich wie npn-Transistoren. Durch die dünne Basisschicht bewirkt man, dass Elektronen bei vorhandenem Basisstrom vom Emitter zum Kollektor gelangen können. Folge ist, dass man mit einem kleinen durch die Basis-Emitterstrecke fließenden Steuerstrom mit großer Präzision einen um die bauartabhängige Stromverstärkung größeren Kollektor- bzw. Emitterstrom fließen lassen kann. Bei höherem Basisstrom als eigentlich nötig kann ein Transistor auch als verschleißfreier Schalter eingesetzt werden. npn-Transistor pnp-Transistor Gesperrter npn-Transistor Leitender npn-Transistor

38 Unipolarer Transistor Feldeffekt-Transistor /1 Eigenschaften Durch ein elektrisches Feld wird der Stromfluss durch den leitenden Kanal des Feldeffekt- Transistors gesteuert. Eine angelegte Spannung an der Steuerelektrode beeinflusst das elektrische Feld. Es gibt folgende Feldeffekt-Transistoren: Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor(Junction-FET) Isolierschicht-Feldeffekt-Transistor MOS-Feldeffekt-Transistor(MOSFET) Wirkungsweise eines Sperrschicht-Fets: (N-Kanal-Typ) /1 Der N-Kanal dieses Fet ist der leitende Bereich. Der Stromfluss durch diesen Bereich wird mit der Vorspannung an der Steuerelektrode(Gate) gesteuert. Erhöht man die negative Gate-Spannung(z. B. von -0,3 V auf -1,4 V), so dehnt sich die Sperrschicht (Raumladungszone) aus. Der Strom durch den N-Kanal wird geringer. Das verändern der Sperrschichtbreite erfordert so gut wie keine Leistung. Der Strom durch den Kanal wird also leistungslos gesteuert. Es fließt nur ein kleiner Sperrstrom, der sich wegen der Eigenleitfähigkeit von Halbleiterkristallen nicht verhindern lässt. Sperrschicht

39 Unipolarer Transistor Wirkungsweise eines Sperrschicht-FETs: (N-Kanal-Typ) /2 Kennlinienfeld Die typische Kennlinien eines FET kommen aus einem Punkt. Jede der Kennlinien gilt für eine bestimmte Gatespannung U GS. Bei einer Gatespannung von 0V ist die Sperrschicht am schmälsten. Hier fließt der größte Strom I D durch den Kanal. Ab der Abschnürgrenze lässt sich der Strom durch den Kanal nicht mehr erhöhen. N-Kanal-Sperrschicht-FETP-Kanal-Sperrschicht-FET Spannung U DS positiv negativ Spannung U GS negativ positiv Schaltzeichen G S D G S D U DS ID642ID642 Abschnürgrenze U GS = 0V -1V -2V

40 Transistor Anwendungen eines Sperrschicht-Fets: (N-Kanal-Typ) Analogschalter(IC) Schalten von Wechselspannungen Konstantstromquelle Sperrschicht-Fets werden in Verstärkern, in Schalterstufen und Oszillatoren eingesetzt. Ein besonderer Vorteil ist sein großer Eingangswiderstand, der eine leistungslose Steuerung ermöglicht. Der Fet eignet sich nicht für hochfrequente Anwendungen. Zusammenfassung: Feldeffekttransistoren (FETs) sprich Unipolartransistoren sind neben Sperrschichttransistoren, die man auch Bipolar-Transistoren nennt, in der Elektronik weit verbreitet. Im Gegensatz zu Bipolar-Transistoren, bei denen 2 Sorten Ladungsträger (Elektronen und Löcher) für die Funktion verantwortlich sind, ist es bei Feldeffekttransistoren nur eine Sorte Ladungsträger, weshalb man sie auch Unipolartransistoren nennt. Sie waren technologisch trotz ihres einfacheren Aufbaus schwieriger zu realisieren als Bipolar-Transistoren, obwohl die theoretischen Grundlagen viel früher geschaffen wurden.

41 Transistor Aufbau und Funktion eines n-Kanal-JFET n-dotierter Sperrschicht-Feldeffekttransistor Kanalquerschnitt Kennlinien eines Sperrschicht-FETs Sperrschicht-FET in Planartechnologie

42 Transistor Aufbau und Funktion eines p-Kanal-JFET p-dotierter Halbleiter Löcherleitung in einem p-dotiertem Halbleiter Ein p-Kanal-JFET benötigt im Gegensatz zu dem beschriebenen n-Kanal-JFET eine positive Spannung am Gate, um den Stromfluss zu unterbinden. Man verwenden anstelle des n-dotierten Materials p-dotiertes und umgekehrt. Das p-dotierte Material heißt deshalb p-dotiert, weil es positiv geladene Störstellen besitzt. Dies wird dadurch erreicht, dass an diesen Stellen ein Elektron fehlt. Aufgrund physikalischer Gegebenheiten, kann man solche gewollten Störstellen nicht dauerhaft mit einem Elektron "entstören"; besetzt ein Elektron eine solche Störstelle, wandert sie zum Nachbaratom, aber verschwindet nicht. Im sind die Verhältnisse in einem p-dotierten Halbleiter dargestellt. Neben elektrisch neutralen Atomen (blau) gibt es einige wenige, die ein Elektron zu wenig besitzen (schwarz). Dadurch dass man am linken Ende ein Elektron entnimmt, wird ein zusätzliches Loch erzeugt. Dieses zieht aufgrund der nun positiven Ladung des Atoms ein Elektron von einem Atom aus seiner Nachbarschaft an.

43 MOS-FET Transistoren Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) MOS-FET-Transistoren basieren auf einem anderen Wirkungsprinzip als Sperrschichttransistoren und ähneln in ihrer Funktionsweise den Kennlinien von Röhren. Dem Nachteil etwas ungünstigerer Kennlinien, der sich in der Digitalelektronik nicht auswirkt, steht der Vorteil gegenüber, dass sie einen extrem hohen Eingangswiderstand besitzen. Durch geschickte Schaltungsauslegung erreicht man, dass die Ruheströme verschwindend gering sind und lediglich bei einem Schaltvorgang unvermeidliche Sperrschichtkapazitäten umgeladen werden müssen. Dadurch erreicht man eine deutlich geringere Stromaufnahme. Bei einem angenommenen Basisstrom von 1 mA, ergäbe alleine die Summe der Basisströme bei 1 Million Transistoren eine Stromaufnahme von 1000 A,

44 Transistor MOSFET in Planartechnologie Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) Metalloxid-Feldeffekttransistoren, abgekürzt MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), unterscheiden sich von Sperrschicht-FETs dadurch, dass das Gate nicht durch eine p-dotierten Insel gebildet wird, die eine in Sperrrichtung gepolte Diodenstrecke bildet, sondern durch eine metallische Gate-Elektrode, die durch eine Oxidschicht vom Kanal isoliert ist. Im Ruhezustand, d.h. ohne angelegte Gate-Spannung, ist er nichtleitend. Zusammenfassung: Bei Feldeffekttransistoren bewegen sich die Ladungsträger durch einen Halbleiter, ohne Sperrschichten überwinden zu müssen. Durch ein elektrisches Feld kann die Stromleitung je nach Bauart unterbunden oder gefördert werden; Durch Änderung der Gate-Spannung kann man den Drain- respektive Source-Strom beeinflussen.

45 Erster Versuchsaufbau eines Transistors Transistoren Dioden

46 Verstärker Operationsverstärker OP / 1 Universeller Gleichspannungs-Verstärker, durch äussere Beschaltung erhält man die gewünschten Eigenschaften wie den Grad der Verstärkung Der ideale OP hat zwei Eingänge und einen Ausgang. Die Ausgangsspannung des OP = U out = A v * (U in1 – U in2 ) = Testpunkt TP U out U in -+-+ invertierender Eingang nicht inver- tierender Eingang

47 Verstärker Operationsverstärker OP / 2 Der OP verstärkt oder invertiert das Eingangssignal Verstärkung: Die Verstärkung eines idealen OP wird mit Av =. Reale Verstärker weisen Verstärkungen zwischen 10 4 und 10 8 auf. Eingangswiderstand: ideal als in =. Kein Strom fließt in den Eingang, die angeschlossene Signalquelle wird nicht belastet. Real 100 k bis1000 G Ausgangswiderstand: ideal = 0 Der Ausgang könnte ideal beliebig viel Strom liefern, real 1 bis 10 Offsetspannung: Offsetspannung = 0, wenn an den Eingängen kein Signal anliegt (bei 0 V Eingangsspannung = 0 V Ausgangsspannung) Bandbreite: Die Bandbreite ist ideal unendlich, alle Frequenzen werden gleichverstärkt. real hängt die Verstärkung von der Signalfrequenz ab, es gibt ein konstantes Produkt zwischen Verstärkung und Frequenz. Typisch: Bandbreite-Verstärkungs-Produkt = 10 6 = Testpunkt TP


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