Halbleiter / Diode / Transistor

Inhalt

Einleitung

Halbleitermaterialien

Dotierung und dessen Folgen

Der pn-Übergang

Arten von Dioden

Bauarten von Dioden

Arten von Transistoren

Transistoren

Vierschichtdioden

Literaturübersicht

Einleitung

Die erste Halbleiterdiode wurde vor fast 100 Jahren von Ferdinand Braun verwendet. Eine Diode besteht immer aus einer p- und einer n-Zone:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schaltsymbol:

Das besondere ist, daß eine Diode den Strom in nur eine Richtung durchläßt (Ventilcharakter). Sie verhält sich unter bestimmten Bedingungen wie ein Isolator (Sperrichtung) und unter anderen Umständen wie ein Leiter (Durchlaßrichtung).

Halbleitermaterialien

Am häufigsten werden heutzutage Germanium, Silicium und Galliumarsenid, Kupferoxydol, Cadmium-Sulfid verwendet. Um sie in Dioden verwenden zu können, müssen diese Materialien in sehr reiner Form und in Einkristallstruktur ¹ vorliegen. In diesen Kristallen sorgen die Valenzelektronen für die Bindung zu den anliegenden Nachbarn². Jedes Atom hat 4 Elektronenpaare, diese Elektronenpaarbindung nennt man kovalente Bindung.

Bei 0° K stehen demnach keine freien Elektronen zur Stromleitung zur Verfügung ? Isolator

Aber schon bei Zimmertemperatur befreien sich einige Elektronen und sind nun frei beweglich. Es gibt also eine geringe Leitfähigkeit. Halbleiter sind Stoffe bei denen erst durch äußere Einflüsse wie z.B. Licht, Wärme, Magnetfelder Valenzelektronen frei werden und sie niederohmiger werden. Darum werden Halbleiter als Sensoren genutzt.

Weil für technische Anwendungen die Leitfähigkeit des reinen Halbleitermaterials viel zu gering ist, werden in die Kristallstruktur des Halbleiters gezielt ausgewählte Fremdstoffe integriert, der Kristall wird verunreinigt (dotiert).

Dotierung und dessen Folgen

Ziel der Dotierung ist es, die Anzahl der freien Ladungsträger zu erhöhen, und somit die elektrische Leitfähigkeit des Halbleitermaterials zu verändern. Man dotiert seit den 50er Jahren mit den Verfahren:

_ Eindiffusion durch Hitze
_ Ionenimplantation durch Zusammenprallen beschleunigter Teilchen

Wird z.B. ein Siliciumkristall mit einem Element der 5.Hauptgruppe³ dotiert, z.B. Antimon, ist das Antimonatom der Donator und es heißt nun n-Silicium. Das Fremdatom versucht sich dem Wirtsgitter anzupassen und gibt sein 5.Valenzelektron unter geringem Energieaufwand ab.

???mehr freie Elektronen

Wird z.B. ein Siliciumkristall mit einem Element der 3.Hauptgruppe dotiert, heißt das Fremdatom Akzeptor und p-Silicium. Aufgrund dem Bestreben nach Anpassung wird ein freies Valenzelektron am Fremdatom angelagert. ??? mehr Lücken (Defektelektronen)

Konzentration der Fremdatome: 1:100.000 bis 1:10 Mio. bei normaler Dotierung. Werden beide Leitungstypen z.B. in einer Diode zusammengebracht, erhält man einen pn-Übergang.

Der pn-Übergang

Werden die beiden Schichten zusammengebracht⁴, rekombinieren sich die freien Elektronen aus der n-Zone mit den Lücken der p-Zone. ? es fließt der Diffussionsstrom. Bei Leuchtdioden - Licht

Folglich entsteht ein Gebiet in dem es keine freien Ladungsträger mehr gibt, die Sperrschicht.

Warum rekombiniert nicht das ganze Bauelement?

In der n-Zone bildet sich aufgrund der Donatoren eine positive Raumladung. In der p-Zone bildet sich aufgrund der Akzeptoren eine negative Raumladung. Das daraus resultierende elektrische Feld wirkt dem Feld der Diffusion entgegen und begrenzt dadurch den Diffusionsstrom⁴.

Das elektrische Feld der Raumladungen bewegt die in der Sperrschicht durch Energiezufuhr freiwerdende Ladungsträger in ihre Gebiete. Dieser Feldstrom ist dem Diffusionsstrom entgegengerichtet.

??? Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.

Die nun im Sperrgebiet herrschende Spannung beträgt bei einer SiliciumDiode ca. 0,6 V und heißt Diffusionsspannung.

Elektr. Feldstärke E = U / d

Zusammenfassung: Wir haben ein Halbleitermaterial n- bzw. p-Dotiert um die Leitfähigkeit zu verbessern. Werden diese beiden Schichten zu einer Diode, bildet sich eine Sperrschicht, die man von außen steuern kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durchlaßpolung:

Wird die Diode in Durchlaßrichtung gepolt werden die freien Ladungsträger in Richtung Sperrschicht geschoben, ? die Sperrschicht verschwindet ? Diode wird leitend

Die Abhängigkeit der Stromstärke von der Spannung zeigt die Kennlinie.⁵

Der Diffusionsstrom steigt ab der Schwellenspannung stark an und erreicht schon wenige zehntel Volt darüber die max. Stromstärke.

Bei Sperrpolung werden die freien Ladungsträger an den Rand gesogen, dadurch vergrößert sich die Sperrschicht und es fließt nur ein geringer Sperrstrom, d.h. die Diode ist nun Isolator. Bei Germaniumdioden beträgt der Sperrstrom einige ?A und bei Siliciumdioden einige nA. (Temperaturabhängig)

Wird die max. zulässige Sperrspannung überschritten, werden durch das starke elektr. Feld Elektronen aus der Gitterstruktur herausgelöst, wodurch sich der Druchbruchstrom erhöht. Dieses Zenereffekt entspricht dem Spannungsdurchbruch in einem Isolator. Die vorhandenen freien Elektronen werden so stark beschleunigt, das sie wiederum Elektronen aus dem Gitter herausschlagen. Da sich dieser Vorgang lawinenartig fortsetzt, spricht man auch von dem Lawineneffekt (-durchbruch). Wird dieser Durchbruchstrom nicht begrenzt, wird die Diode zerstört.

Die Höhe der max. zulässigen Sperrspannung hängt von der Dotierung und dem Halbleitermaterial ab.

Gleichrichter: Wird eine Diode an eine Wechselspannung angeschlossen, gibt sie einen pulsierenden Gleichstrom ab.

Arten von Dioden

- Zener-Diode : wird zur Stabilisierung von Spannungen bei variablem Strom verwendet
- Tunnel-Diode : Abwandlung der Z-Diode
- Foto-Diode : Schaltung in Sperrichtung; Sperrstrom ist abhängig von der Lichtstärke wird bei (farbempfindlichen) Belichtungsmessern verwendet
- Varistor : Weiterentwicklung der Diode mit vielen Siliciumkarbidkörnern
- Kapazitätsdiode : Varaktor nutzt den kapazitiven Effekt der Sperrschicht in Sperrichtung geschaltet wirkt sie wie ein variabler Kondensator

Bauarten von Dioden

Flächendioden haben einen relativ großflächigen pn-Übergang. Es gibt 2 Ausführungen: 1.) normale Flächendiode und 2.) die Planardiode

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Vorteile der Planartechnik: kleine Sperrschichtfläche und sehr kurze Schaltzeiten.

Spitzendioden haben eine sehr kleine Sperrschicht und werden meist aus Germanium gefertigt.

Leistungsdioden werden als Gleichrichter genutzt.

Arten von Transistoren

- Tonfrequenztransistoren
- Hochfrequenztransistoren
- Schaltertransistoren für besonders kurze Schaltzeiten ( bis 1.200 GHz )
- Fototransistoren

Transistoren

Der Transistoreffekt wurde 1948 entdeckt. 1950 erster Flächentransistor. Für die Entdeckung und Beschreibung des Transistoreffekts erhielten William Shockley, John Bardeen, Walter Brattain 1956 den Nobelpreis für Physik. Der Transistor löste die Vakuum-Elektronenröhren ab und brachte viele große Vorteile mit sich.

- Keine Heizung, niedrigere Spannungen, kleiner, billiger
- Haltbarer und unempfindlich gegen Erschütterungen

Ein Transistor hat 2 Hauptfunktionen: Verstärker und Schalter Im Gegensatz zur Diode hat ein Transistor 3 leitende Zonen und folglich 2 pnÜbergänge.

Anordnungsmöglichkeiten: npn oder pnp⁶

Ein Transistor entspricht zwei gegeneinander geschalteten Dioden mit gemeinsamer Basis.

Wird eine Spannung an Collektor und Emitter gelegt, sperrt der Transistor den Strom. Der EB-Übergang ist durchlässig, der CB-Übergang hat aber eine breite Sperrschicht.

Damit ein Strom fließen kann, muß die Basis an eine Spannungsquelle angeschlossen werden und zwar mit dem positiven Pol, dadurch wird die obere Sperrschicht aufgelöst.

Ist dies geschehen, fließt im linken Stromkreis (Steuerkreis) ein Strom, da in Durchlaßrichtung geschaltet. Die Elektronen die vom Emitter durch die Basis zum linken Pol wollen, gelangen jedoch in den Kollektor, weil 1. Die Basis sehr dünn ist (¹ /1000 mm) und 2. sie in den Einflußbereich des oberen positiven Pols gelangen. ? die obere Sperrschicht wird durchlässig, wenn die Schwellenspannung überschritten ist. ( Verstärker )

Die Basis wurde so entworfen, daß fast alle Elektronen zum Collektor wandern.

Kollektorstrom ist 20 bis 10.000mal größer als der Basisstrom.

Ein relativ kleiner Strom auf der linken Seite steuert eine großen Strom auf der rechten Seite.

Schalter: TransistorSchalter werden zum kontaktlosen schnellen schalten kleiner und mittlerer Leistungen eingesetzt. ( Ventilcharakter )

Vierschichtdioden

4 Halbleiterzonen mit wechselnden Leitertypen und 3 pn-Übergängen. Diese Bauteile werden als Schalterbauteile in Schaltstufen der elektronischen Fernsprechvermittlungstechnik und in Verknüpfungsgliedern der Digitaltechnik eingesetzt.

Literaturübersicht

Autorenverband: Einführung in die Elektronik 1988 Fischer Taschenbuch Verlag

Autorenverband: felder 2. Auflage 1990 Ernst Klett Schulbuchverlag, Stuttgart

K.Beuth/O.Beuth: Elementare Elektronik 5. Auflage 1997 Vogel Buchverlag Würzburg

[...]

¹ Einheitlich, ungestört

² S. 132 Pütz Abb. 16

³ Periodensystem

⁴ S.175 Felder Abb.1+2

⁵ S.174 Felder Abb.3

⁶ S.180 Felder