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6. Halbleiter
6.1
Was sind eigentlich Halbleiter
Halbleiter sind Festkörper, die sich abhängig von ihrem Zustand als Leiter oder als Nichtleiter
verhalten können.
Halbleiterwerkstoffe
HauptsächlicheAnwendung
Si
Silizium
Dioden, Transistoren, Integrierte Schalt., Solarzellen
Ge
Germanium
Hochfrequenz-Transistoren
GaAs Galliumarsenid
InSb Indiumantimonid
InAs Indiumarsenid
Leuchtdioden, Laser, Hochfrequenztransistoren
Hallgeneratoren
CdS
Cadmiumsulfid
Fotowiderstände, Solarzellen
SiC
Siliziumcarbid
Leuchtdioden

Das wichtigste Halbleitermaterial ist Silizium.

Halbleitermaterialien müssen extrem rein sein. (ca. 1 Fremdatom auf 109
Halbleiteratome.)
Bei extrem niedrigen Temperaturen ist Silizium
ein Isolator. Jedes Atom hat 4 Elektronen, die mit
den Elektronen der 4 Nachbarn eine feste
Doppelbindung bilden.
Bei Erwärmung brechen diese Bindungen
teilweise auf, es stehen freie Elektronen zur
Verfügung. Sie hinterlassen ein „Loch“, das man
sich wie eine positive Ladung vorstellen kann. (Es
fehlt ja ein Elektron.)
Elektronen und Löcher stehen für einen
Ladungstransport zur Verfügung und sind im
elektrischen Feld beweglich.
6. Halbleiter
6.2 Dotierte Halbleiter
Zur Herstellung von elektronischen Komponenten werden Kristalle benötigt, die einen
Elektronenüberschuss (n-dotiert) oder einen Löcherüberschuss (=Elektronenmangel, pdotiert) haben.
Diese Materialeigenschaften erhält man durch gezielten Einbau von Fremdatomen in das
Kristallgitter.
p-Dotierung
Es werden einzelne Siliziumatome durch
Atome eines Materials ersetzt, dass weniger
als 4 Valenzelektronen enthält. Es entsteht
ein zusätzliches Loch für jedes Fremdatom,
ein positiver Ladungsträger.
Materialien: Bor
1
n-Dotierung
Es werden Atome mit zusätzlichen
Elektronen in den Kristall eingebaut, so dass
ein Elektronenüberschuß entsteht.
Materialien: Phosphor, Arsen (!!!!!!)
Filmlink: http://www.youtube.com/watch?v=Oy0X_fKUDjc
1
Abbildungen: http://olli.informatik.uni-oldenburg.de/weTEiS/weteis/halbleiter.htm
6. Halbleiter
6.3 Die Halbleiterdiode
Die Halbleiterdiode ist das einfachste elektronische Bauelement. Es besteht lediglich aus einer
n-dotierten und einer p-dotierten Zone.
6.3.1 PN-Übergang in Durchlassrichtung



Eine äußere Gleichspannung wird so angelegt, dass der Pluspol am PGebiet und der Minuspol am N-Gebiet liegt.
Von der Spannung werden die Elektronen im N-Gebiet und die Löcher im
P-Gebiet in Richtung Sperrschicht und darüber hinaus getrieben, wo sie
rekombinieren.
Da die Spannungsquelle ständig Ladungsträger nachliefert, fließt ein
Strom.
Bildquelle: Leonhard Stiny: Grundwissen Elektrotechnik, Franzis-Verlag
6. Halbleiter
6.3.2 PN-Übergang in Sperrrichtung



Freie Elektronen im N-Gebiet wandern in Richtung Pluspol und die Löcher in
Richtung Minuspol.  Die Grenzschicht verarmt noch stärker an freien
Ladungsträgern.
Die ursprüngliche Sperrschicht wird noch breiter, der Widerstand höher.
Ab einer gewissen Sperrspannung kommt es zum „Durchbruch“, d.h. der
Strom steigt plötzlich stark an. (Zener- oder Lawinendurchbruch)
6. Halbleiter
6.3.3 Die reale (Kleinsignal-)Diode




Der Flussstrom liegt zunächst deutlich unter 1 mA, ab der „Knickspannung“
(0,6 .. 0,7 V bei Si, 0,3 ..0,4 V bei Ge) erfolgt dann ein rascher Anstieg.
Der maximale Flussstrom liegt bei Kleinsignaldioden meist zwischen 100 mA
und einigen A. Darüber wird die Diode thermisch überlastet.
Der Sperrstrom liegt in der Größenordnung von einigen nA.
Die Durchbruchspannung liegt typischerweise bei ca. 100V
6. Halbleiter
6.3.4 Ermittlung von Diodenstrom und -spannung






Gleichung 1:
R  ID + Ud = USS (Maschenregel)
Gleichung 2:
Diodenkennlinie
Die Gradengleichung wird in das Diagramm mit der Diodenkennlinie
eingetragen.
ID = 0 => UD = USS = 2V
UD = 0 => ID = USS / R = 2 mA
Der Schnittpunkt ist der „Arbeitspunkt“.
Arbeitspunkt: UD = 0,7 V, ID = 1,3 mA
6. Halbleiter
6.3.5 Diodentypen
Unterscheidungskriterien:
 Material (Si, Ge (heute kaum noch), GaAs)
 Funktionsprinzip (z.B. Zenerdiode, Kapazitätsdiode)
 Anwendung (z.B. Universal-, Schalter-, Abstimmdiode)
Photodiode
Der Strom durch einer in Sperrrichtung betriebenen Diode
steigt mit der Beleuchtungsstärke der Sperrschicht an.
Lumineszensdiode
Leuchtdioden (LED) werden aus Gallium-Arsenid-PhosphidVerbindungen hergestellt. Bei Betrieb in Durchlassrichtung
senden sie eine Strahlung aus.
 Es sind Dioden für rotes, gelbes, grünes, infrarotes und auch für blaues Licht
lieferbar.
 Zur Strombegrenzung müssen LEDs immer mit einem Vorwiderstand oder
einer Konstantstromquelle betrieben werden.
 Die zulässige Sperrspannung liegt sehr niedrig (3V .. 6V), so dass bei
Verpolung eine Zerstörung droht.
Film: Tutorial LED:
http://www.youtube.com/watch?v=9TMSiYRgvEU&feature=share&list=PLCBBBE57D0994BB27
Kapazitätsdiode
Eine in Sperrrichtung betriebene Diode kann technisch als Kondensator verwendet
werden, dessen Kapazität mit der Sperrschicht geändert werden kann. Anwendung:
Empfänger und automatische Scharfabstimmung in Radios und Fernsehern.
Schottkydiode



Schottky-Dioden enthalten keinen PN-Übergang. Eine Metallfläche ist direkt
mit einem N-Halbleitermaterial (Si) verbunden.
Bereits bei einer Durchlassspannung von ca. 0,35 V erfolgt ein steiler
Stromanstieg. (PN-Diode: 0,6 .. 0,7 V)
Die gespeicherte Ladung ist sehr klein, so dass Schottky-Dioden für sehr
schnelle Schalter (< 1 ns) und hohe Frequenzen (> 15 GHz) eingesetzt
werden können.
Zenerdiode




Eine Zenerdiode wird im Durchbruchbereich betrieben.
Zenerdioden sollten im Durchbruchbereich eine möglichst vertikale
Kennlinie haben, d.h. die Spannung sollte unabhängig vom Strom
sein.
Zenerdioden sind mit verschiedenen Durchbruchspannungen
lieferbar, z.B. 3,3V / 6,8V / 12 V / 15 V 5%
Anwendung: Spannungsstabilisierung, Überspannungssicherung
6. Halbleiter
6.3.6 Anwendung von Dioden
Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden
Film zu Z-Dioden:
http://www.youtube.com/watch?v=y-NqIosSb0g&feature=share&list=PLCBBBE57D0994BB27
6. Halbleiter
Halbwellengleichrichter
6. Halbleiter
Vollweggleichrichter
Nachteil: Es ist ein Transformator mit Mittelanzapfung notwendig!
6. Halbleiter
Brückengleichrichter
Freilaufdiode
6. Halbleiter
6.3.6 Aufgaben zu Halbleiterdioden
Aufgabe I
Zeichnen Sie eine Schaltung mit einem Brückengleichrichter (Trafo, Gleichrichter,
Lastwiderstand) und skizzieren Sie den Stromfluss in der positiven und der negativen
Halbwelle der Eingangsspannung.
Aufgabe II
S1
S2
1
offen
offen
2
offen
geschlossen
3
geschlossen
offen
4
geschlossen
geschlossen
In einer Reihenschaltung aus zwei
Glühlampen, zwei Schaltern und einer 6VWechselspannungsquelle sind die Lampen
und Schalter wie in der Abbildung zu sehen
mit Dioden überbrückt.
Geben Sie an, welche Lampe(n) für alle 4
möglichen Kombinationen der
Schalterstellungen leuchtet/leuchten und
skizzieren Sie den Stromfluß auf einem
Extrablatt.
L1
L2
Aufgabe III:
An die Eingänge A und B sollen über
Umschalter entweder 5V oder 0V angelegt
werden können.
Erstellen Sie für beide Schaltungen eine
Tabelle für die Signale A, B, X.
Aufgabe IV: Leuchtdiode
a. Welche Vorteile bieten LEDs gegenüber Glühlampen?
b. Eine Leuchtdiode soll über einen Vorwiderstand an eine Batterie angeschlossen
werden. Zeichnen Sie die Schaltung mit der richtigen Polarität der Bauteile.
c. Die Leuchtdiode hat eine Schwellspannung von 1,6 V. Welcher Vorwiderstand ist
nötig, wenn ein Strom von 12mA bei einer Batteriespannung von 4,8V durch die
Diode fließen soll?
6. Halbleiter
Aufgabe V: Kennlinie
Für den Durchlassbereich von D1 und D2 wurde die oben abgebildete Kennlinie ermittelt.
Das Strommessgerät zeigt 30mA an.
a. Wie groß ist der Strom durch D1 und D2?
b. Berechnen Sie die Spannung die an R1 abfällt und dessen Widerstand.
c. Berechnen Sie den Widerstand der beiden Dioden für den gegebenen Arbeitspunkt.
Aufgabe VI: Welche Lampe leuchtet?
Aufgabe VII: Zenerdiode
Gegeben:
U0 = 20 V
Uz = 6,8 V
Pzmax = 1 W
R2 = 200Ω
a. Wie groß ist der maximal zulässige Strom durch die Diode? (147 mA)
b. Wie groß sind die Ströme I1 und I2 bei einem Kurzschluss oder bei Leerlauf am
Ausgang?
c. Bestimmen Sie Rv, so dass die Zenerdiode niemals überlastet wird. (90 Ω)
6. Halbleiter
6.4 Transistoren
Bis in die 1950er Jahre war die Vakuumröhre für alle Verstärker und (die meisten)
Gleichrichter alternativlos. Ende der 1940er Jahre führte jedoch die Forschung an
Halbleitermaterialien zum ersten funktionsfähigen Transistor, einem zuverlässigen, kleinen
und energiesparenden Schalter und Verstärker.
Film zur Einführung aus der Reihe Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik :
http://www.youtube.com/watch?v=8sj3wbThjs0
6.3.1 Der Bipolartransistor
Der Name Bipolartransistor rührt daher, dass am Stromfluss beide Ladungsträger beteiligt
sind, d.h. sowohl Elektronen, als auch Löcher.
Ein Bipolartransistor ist aus 3 Schichten aufgebaut, wobei die beiden äußeren die gleiche
Dotierung haben und die mittlere die entgegengesetzte. Je nach Dotierung unterscheidet
man NPN und PNP-Transistoren. Die drei Anschlüsse haben die Namen Emitter, Basis und
Kollektor.
PNP-Transistor
NPN-Transistor
Quelle: wikipedia.de
6. Halbleiter
Film zur Funktionsweise des NPN-Transistors: http://www.youtube.com/watch?v=3WftQdffkgM
Aufbau von Transistoren Quelle:wikipedia.de
Film zu den Kennlinien eines Transistors: (!!!)
http://www.youtube.com/watch?v=b4OpUqBI9WU
Datenblatt des Kleinleistungstransistors BC548:
http://arduino.cc/documents/datasheets/BC547.pdf
Der Transistor in Leifi-Physik:
http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/transistor
Arbeitsauftrag: Bearbeiten Sie die Musteraufgaben aus Leifi-Physik.
http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/transistor/aufgaben#
6. Halbleiter
6.3.1.1 Betriebszustände des Bipolartransistors
I.
Aktiver Bereich (IC = β IB)
Im aktiven Bereich leitet die BE-Diode und die CB-Diode sperrt. Der Transistor
arbeitet dann als Stromverstärker: Der Basisstrom wird um den Faktor b verstärkt
am Kollektor wiedergegeben (typ.: b = 100).
Anwendung: Stromverstärker
II.
Sättigung (IC < β IB)
In der Sättigung beginnt die BC-Diode zu leiten und die Stromverstärkung
verringert sich. Zwischen Kollektor und Emitter liegt dann eine
Sättigungsspannung von typ. 0,2V.
Anwendung: Schalter im Zustand „AN“
III.
Cut-Off (IC = IB = 0)
Im Cutoff-Bereich sperren beide Dioden. Es fließt kein Basisstrom und daher auch
kein Kollektorstrom.
Anwendung: Schalter, Zustand „AUS“.
6. Halbleiter
6.3.1.2 Grafische Arbeitspunktbestimmung beim Bipolartransistors
Beispiel Kleinsignalverstärker:
7. Halbleiter
Eingangskreis:
Ausgangskreis:
6. Halbleitertechnik
Nichtlineare Verzerrungen:
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Halbleitertechnik
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6. Halbleitertechnik
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6.3.2 Der Feldeffekttransistor
6.3.2.1 Sperrschicht-FET (Junction-FET/JFET)

Leitender Kanal aus n-dotiertem
Halbleiter.

An beiden Enden des Kanals
Anschlüsse (Drain, Source)
Entlang des Kanals p-dotierter
Halbleiter mit Gate-Anschluß
Sperrspannung am pn-Übergang
bewirkt nichtleitende
Raumladungszone, die den Kanal
einschnürt


Steuerung der Kanalbreite durch UGS
Kanalverengung für UDS > 0
Eine genauere Betrachtung der Feldeffekttransistoren befindet sich bei den MOS-FET, die
heute eine dominierende Rolle spielen.
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Halbleitertechnik
6-23
6. Halbleitertechnik
6.3.2.2 MOS-FET (Metall-Oxid-Silizium)
Für alle Feldeffekttransistoren gilt:
IG = 0 I S = ID
Filme zu selbstsperrenden MOS-Fets:
 Funktionsweise: http://www.youtube.com/watch?v=9gvFMHAbR70
 MOSFET als Schalter: http://www.youtube.com/watch?v=Te5YYVZiOKs (englisch)
 Herstellung Halbleiter-Chip: http://www.youtube.com/watch?v=kuANgMCRnqY
 Selbstleitend

Depletion-Typ


Selbstsperrend
Enhacement-Typ
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Halbleitertechnik
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6. Halbleitertechnik
Vergleich von n-Kanal-FETs
Schaltsymbole
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Halbleitertechnik
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6. Halbleitertechnik
6.3.3 Vergleich FET <=> Bipolartransistor
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