05 - Diode

1Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14

Kapitel 5

Diode

LS Intelligente Mikrosysteme:

2

Bauelement: Diode

Schaltzeichen:

Anode + - KathodeIF

UF

n - HLp - HL

Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:

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Kennlinie der realen Diode

ideal------- real

thermische Generation in RLZ

ideal, „schwache Injektion“

„starke Injektion“, d.h. auch

Majoritätsträgerdichte ist

spannungsabhängig

1e~I T

FUU

−

T

FU2

U

e~I ⋅

Resistiver Bereich

FI R

FU'FU

'FFF

'FF UIRIRUU >>⋅≈⋅+=

U~I

S

F

IIlog

FU


4Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:

5

Temperaturabhängigkeit der Gleichstromkennlinie

1) Diode in Sperrbetrieb:

SPU

SPI

SPF UU −=22 ~ ii

An

n

Dp

pSSP nn

NL

NL

qAIII ⋅

⋅+

⋅⋅⋅−=−≈=

ττ

kTE

i

G

eTn ⋅−

⋅ 223~

0312 >+=⋅⇒

kTE

TIdTdI G

S

S( )( )

⋅=dxdy

yxy

dxd 1ln

Zahlenbeispiel:

( ) 11,001,0:300 −+=⋅

KdTI

dIKGe@S

S

( ) 116,001,0:300 −+=⋅

KdTI

dIKSi@S

S

, also Verdopplung alle 10 Grad

, also Verdopplung alle 6 Grad!


6

2) Diode mit angelegter Flussspannung:

FU

I

T

F

T

FUU

SUU

S eIeII ⋅≈

−⋅= 1

T

F

T

FUU

T

FS

UU

S

constU

eTU

UIedTdI

dTdI

⋅−⋅⋅+⋅=

=

1

031122 >⋅−

+=⋅

−⋅=⋅kT

UqETkT

UqIdT

dIIdT

dI FGF

S

S

⇒ Etwas kleiner als bei Sperrstrom, dennoch starker Anstieg mit T


7

3) Diode mit konstantem Flussstrom:

., constIII S =>>

STF I

IUU ln⋅≈

KmV

KmV

T

Uq

E

dTdU F

G

constI

F 5,2...5,1 −−≈+−

==

FU

I


8

Arbeitspunkt und Kleinsignalaussteuerung

Konzept: Betrachte Ströme und Spannungen als Überlagerung von

statischem „Arbeitspunkt“ und

veränderlicher „Kleinsignalaussteuerung“

( ) ( ) ( )tfUtuUtU ≠+= ∗∗

( ) ( ) ( )tfItiItI ≠+= ∗∗

mit ( ) ( ) ∗∗ <<<< ItiUtu


9

Wenn AP bekannt:

Ersetze BE – Gleichung durch Tangente an Kurve

→ lineare Näherung

→ Kleinsignal - ESB

AP

( )tU U

( )ti ( )tI

It( )tu

tt

t

∗U

∗I


10

Kleinsignal – ESB Dioden FI

FU∗U

∗IAP ∗=

=UUF

F0 dU

dIgT

F

T

FUU

SUU

SF eIeII ⋅≈

−⋅= 1

T

F

T

UU

SF

F

UI

UeI

dUdI

T

F

=⋅⋅=1

Diode stellt im Flussbetrieb den Leitwert dar:

( )tu

0g ( )ti

( )( ) TU

Igtuti ∗

== 0


11

Diffusionsadmittanz

- Minoritätsträgerinjektion ist spannungsabhängig

- Minoritätsträger-Ladungen haben relativ lange Lebensdauer

→ kapazitiver Effekt

p,n

( )uupn~+

HL-n

pL

( )upn

n0p

nx-

( )u~unp +

HL-p

nL

( )unp

p0n

nx-

RLZ


12

Ansatz: tjF

tjF eIIIeUUU ωω ⋅+=⇒⋅+= ~~

gesucht: „Diffusionsadmittanz“DYUI=~

~

( )

⋅+⋅⋅≈

⋅⋅=⋅=

⋅=⋅⋅+

tj

T

UU

n

UeU

UU

nU

eUU

n

UU

nnn

eUUep

eepep

epxp

T

T

tj

TT

tj

T

F

ω

ωω

~10

~

0

~

0

0

benutzte Näherung: ex ≈ 1+x für x << 1

( )T

nn

p

tj

T

UU

n

p

UU

nnn UUppe

UUepepxp

n

T

n

T

~~

~

~

00 ⋅=⇒⋅⋅⋅+⋅=

ω


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Für Stromdichte (Wechselanteil) gilt:

dxpdDqS n

pp

'~~⋅⋅−= Diffusionsstrom

Setze Kontinuitätsgleichung an (nicht stationär)

dtpdp

dxSd

qn

p

np'' ~~~

1−=+⋅

τ

'''

2

'2~~~~

nn

p

nnp pj

dtpdp

dxpdD ⋅⋅==−⋅⇒ ω

τ

DGL:

pp

pn

n

Dj

pdx

pdττω

⋅

⋅⋅+⋅=1~~

'2

'2


14

Lösung:

( ) ( )

⋅⋅+

⋅−⋅−=p

pnnn L

jxxpxp

τω1exp~~ ''

wegen ppp DL τ⋅= pp

ptjnp j

LDq

epS τωω ⋅⋅+⋅⋅

⋅⋅=⇒ 1~~ '

T

UU

nT

nn UUep

UUpp T

~~~

0' ⋅⋅=⋅=

( )np SSAI ~~~ +⋅=Strom

⋅⋅+⋅

⋅⋅+⋅⋅+⋅

⋅⋅⋅⋅= n

n

pnp

p

np jL

nDqj

LpD

qUAI τωτω 11~~ 00

TD U

IgjgUIY =⋅⋅+⋅==⇒ 00 1~~

mitτω


15

+++≈+ ...

81

2111 22τωωτωτ jj :Näherung

++⋅≈

2811 22

0τωτω jgYD

DIFFG

DIFFC

:DY

TDIFF

TDIFF

UIgC

UIggG

⋅⋅

=⋅=

=≈

+⋅=

22

811

0

022

0

ττ

τω

Diffusionskapazität

Diffusionsleitwert


16

Zahlenbeispiel:31610 −= cmND

31810 −= cmN A

sµτ 1≈⇒ VU F 65,0=

Ω=→

⋅Ω=

5,21140

02

20 gmm

cmAg

FCmmcm

FA

CDIFF

DIFF µµ 2,0120 22 =→=

vgl. Sperrschichtkapazität:

pFCmmcm

nFA

CSp

Sp 700170 22 =→=


17

Kleinsignal – ESB:

DIFFC

SpC

0g

Sperrbereich:

Flussbereich:

0, 0 ≈>> gCC DIFFSp

TSpDIFF U

IgCC ≈>> 0,


18

Schaltverhalten der pn – Diode

A Spannungssteuerung:

SpUFUDU

DI• Einschaltvorgang

( )xpn

n0p

0t <

1t2t

∞→t

xnx

DU

tSpU-

FU+

DI

t

FI

SI-

t=0


19

• Abschaltvorgang

( )xpn

n0p

0t <1t

2t

∞→t

xnx

3t

t

t

DU

SpU-

FU+

DI

FI+

SI-


20

Einschaltvorgang

- Spannungssprung erhöht sofort die Randkonzentration

- bis exponentielles Diffusionsprofil aufgebaut ist, wird der Strom nur durchparasitäre Bahnwiderstände begrenzt

→ Aufbau von Minoritätsträgerladung

FSpD UUU +→−=

Zusteuervorgang

- Umschalten auf Sperrspannung verringert sofort die Randkonzentration

- bis Minoritätsträgerladung abgebaut ist, fließt ein sehr hoher Rückstrom


21

B Stromsteuerung:

• Einschaltvorgang

( )xpn

n0p

0t <

1t2t

∞→t

xnx

DUt

SpU-

FU+

DI

t

FI+

SI-

DU

SpI

DI

FI

RISp > IS !

daher R für „überschüssigen“ Strom


22

• Abschaltvorgang

( )xpn

n0p

0t <

1t

2t

∞→t

xnx

3t

t

t

DU

SpU-

FU+

DI

FI+

SI-

RI-

St Üt

tÜ : Übergangszeit, RC – Zeitkonstante für Umladung der SperrschichtkapazitättS : Sperrverzugszeit


23

Abschaltvorgang

- Rückstrom räumt während tS (ns ... 10µs) die gespeicherteMinoritätsträgerladung QS aus (Sperrverzugszeit, Sperrverzugsladung)

- Falls (keine Zeit für Rekombination)

( )! -I I SR >>−

Einschaltvorgang

- eingeprägter Strom IF gibt Gradienten des Minoritätsträger -Diffusionsprofils vor

- es kann zu „Überschwingern“ kommen, da die Diode hochohmig ist

- Minoritätsträgerladung wird durch Konstantstrom aufgebaut

FR II >>

+⋅=

R

FS I

Iτt 1ln

R

I

R

FS I

QIIτt =⋅≈


24

Zener – EffektClarence Melvin Zener (* 1. Dezember 1905 in Indianapolis, Indiana, USA, † 15. Juli 1993), Physiker und Elektrotechniker

Bei hoher Dotierung und angelegter Sperrspannung besitzen die Elektronen im Valenzband des p – HL und Leitungsband des n – HL die gleiche Energie:

E E

GE GERLZ

HL - p HL - n

0 0

SpD UU +

SpUe ⋅

ohne Sperrspannung 0U = mit Sperrspannung

Tunnelstrom durch dünne RLZ setzt ein!


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Resultierende Kennlinie:

Durchbruchspannung (Zener – Spannung) UZ

Temperaturabhängigkeit

31817 10...10,,5 −≈≤ cmNNVU DAZ

0<ZUTK

↓→↓→↑ ZG UET

ZU−

FI

FU


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Lawinen – Effekt (Avalanche – Durchbruch)

p - HL n - HL

RLZ

USp

Ladungsträger nehmen aus dem elektrischen Feld so hohe Energie auf,dass durch Stoß neue Elektron – Loch – Paare erzeugt werden→ Lawinen - Multiplikation

( )VVVBU L 200...55>

7...5,1

1

1=

−

⋅−= n

BUU

II n

L

SpS mit

DL N

BU 1~


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praktisch: - sehr hoher Stromanstieg- Zerstörung, falls Strom (Leistung) nicht limitiert

Temperaturabhängigkeit BUL:

„Zenerdioden“ mit beruhen auf Lawineneffekt.

0>LBUTK

↑⇒↓⇒↓⇒↓⇒↑ UEvT kinDriftµ

V5UZ >

0

4

2

-2

KmV

dTdUz

VUZ642


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„Punch – Through“

Falls die angelegte Sperrspannung nicht mehr vollständig in RLZ abgebautwerden kann, können RLZ bis zu den Kontakten (Metall o.ä.) reichen.

VBU

1000

1

10

100

1015 10181016 1017ND

DPT NBU ~

Dr

DPT UNqwBU −

⋅⋅⋅⋅

=εε 0

2

2

20

21

cD

rL E

NqBU ⋅

⋅⋅

⋅≈εε

DPT N~BU

DL N

~BU 1


29

Fotodioden, Solarzellen

Licht ausreichender Energie generiert Elektron – Loch – Paare

RLZ SpD UU + FSp UU −=

n – HL

p – HL

ν⋅h

SpU

SpI


30

Fotostrom IPH erhöht den Sperrstrom:

qPH AqI ηφ ⋅⋅⋅= 0 : Lichtstrom0φ

: Quantenwirkungsgradqη

PHUU

SFSp IeIII T

F

−

−⋅==− 1

φ

FU00 =φ010 φφ =

020 φφ =

FI

RL: Lastgerade

Bei Leerlauf ( )∞→LR

S

PHT

S

PHTPH

IIU

IIUU

ln

1ln

⋅≈

+⋅=

Generatorbetrieb im 4. Quadranten

⋅ 21ms


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