Hinweis: Bei den Handouts handelt es sich um ausgewählte Schlüsselfolien und Zusammenfassungen. Die Handouts repräsentieren nicht den vollständigen Inhalt der Vorlesung.

Elektronische BauelementeFür Studenten des FB ET / IT

Prof. M. Hoffmann

Handout 9Diode

Funktion Stromventil• im Flussbereich großer Strom bei kleiner Spannung• im Sperrbereich kleiner Strom bei großer Spannung

2

HalbleiterdiodeHalbleiterdiode (Diode)• passives zweipoliges-Halbleiterbauelement mit asymetrischer Stromstärke-Spannungscharakteristik

• p-Halbleiter | n-Halbleiter – Übergang oder Halbleiter | Metall – Übergang

SchaltzeichenDIN EN 60617-2

pn-Übergang (pn Junktion)• Grenzfläche bzw. Grenzschicht zwischen p- und n-dotiertem, monokristallinem Halbleitermaterial• Grundelement von Halbleiterbauelementen wie Dioden, Bipolartransistoren, Sperrschicht-

Feldeffekttransistoren, Thyristoren, Triac‘s

Herstellungsprinzip eines stoßstellenfreien pn-Übergangs

Beispiel: p-Dotierung durch thermisch aktivierte Diffusion von Indium-Akzeptoren in n-dotiertes Si-Substrat

Der pn-Übergang OHNE äußere SpannungRaumladungszone RLZ (Verarmungszone, Sperrschicht, Grenzschicht): hochohmige Zone fast ohne frei

bewegliche Ladungsträger in der Umgebung des pn-Überganges Defektelektronen des p-Gebietes diffundieren aufgrund des Konzentrationsunterschiedes und thermischer

Bewegung in das n-Gebiet → Diffusionsstrom Elektronen des n-Gebietes diffundieren aufgrund des Konzentrationsunterschiedes und thermischer

Bewegung in das p-Gebiet → Diffusionsstrom Rekombination von frei beweglichen Elektronen und Defektelektronen innerhalb der Raumladungszone negative Raumladung im p-Gebiet aufgrund ortsfester negativer Akzeptor-Ionen positive Raumladung im n-Gebiet aufgrund ortsfester positiver Donator-Ionen resultierendes elektrisches Feld ERLZ im Gebiet der Raumladungszone wirkt weiterer Diffusion entgegen Ausbildung der Diffusionsspannung UD zwischen n- und p- Gebiet

n-Halbleiterp-Halbleiter

Der pn-Übergang OHNE äußere SpannungLadungsträgerdichte und Diffusionsströme der Majoritäts- und Minoritätsladungsträger

p-Halbleiter n-Halbleiter

ca. 104 1/cm

ca. 1010 1/cm

ca. 1016 1/cm

Beispiel nA > nD

Sperrschichtweite WS

DDA

NPS Unne

xxW ⋅

+⋅=+=

112ε

Sperrschichtkapazität CS

( ) DDA

DAS Unn

nneAC⋅+⋅

⋅⋅⋅⋅=

2ε

Der pn-Übergang OHNE äußere Spannung

Raumladungsdichte ρ

p-Halbleiter n-Halbleiter

∫ ⋅⋅

=x

xr P

dxxxE )(1)(0

ρεε

ρP ortsfeste negative Ladung in der p-ZoneρN ortsfeste positive Ladung in der n-Zone

Feldstärkeverlauf E

Potentialverlauf φ

∫ ⋅−=x

xP

dxxEx )()(ϕ

Diffusionsspannung UD

• Potentialunterschied infolge der ortsfesten Ladung innerhalb der Raumladungszone• wirkt einem völligen Konzentrationsausgleich durch die Diffusionsströme entgegen• Potentialbarriere an der Sperrschicht• Germanium UD ca. 0,3 V | Silizium UD ca. 0,7 V | Selen UD ca. 0,6 V | Galliumarsenid UD ca. 1,4 V

T T2( ) U ln mit U =N

iP

xA D

Dx

n n k TU E x dxen

⋅ ⋅= − ⋅ = ⋅∫

UD

∫∫ ⋅−=⋅N

P

x

x

dxxdxx0

0

)()( ρρ

Der pn-Übergang OHNE äußere SpannungEnergiebändermodell des spannungslosen pn-Überganges:• Majoritätsladungsträger müssen sich entgegen der Diffusionsspannung UD bewegen• für die Überwindung der Potentialbarriere, als Voraussetzung für einen Stromfluss, benötigen

die Majoritätsladungsträger die Energie ΔE=e·UD

• Minoritätsladungsträger bewegen sich ungehindert in Richtung der Diffusionsspannung UD

• der Stromfluss der Minoritätsladungsträger ist unabhängig von der Potentialbarriereund nur abhängig von der Temperatur

• das Fermi-Niveau stellt sich auf beiden Seiten der Grenzschicht auf gleichem Energieniveau ein

p-Halbleiter n-Halbleiter

E Elektronenenergie; EC Leitungsbandkante; EV Valenzbandkante; EF Ferminiveau; UD Diffusionsspannung; ΔE Energieschwelle zur Überwindung des pn-Überganges

7

Der pn-Übergang MIT äußerer SpannungHalbleiterdiode

pn-Übergang in Sperrrichtung pn-Übergang in Flussrichtung

+- -+

US

AP

Diode in Durchlassrichtung / Flussrichtung

US Schleusenspannung; Schwellspannung Spannungswert an der Schnittstelle der einer Geraden angenäherten Stromstärke-Spannungscharakteristik und der Spannungsachse in Durchlassrichtung

RF = UFIF

Gleichstromwiderstand im AP

RB = ΔUFΔIF

Bahnwiderstand für UF > US

rF = d UFd IF

differentieller Widerstand im AP

PV = UF ∙ IF Verlustleistung im AP

Kennwerte:

8Grenzwerte: IF, max, UF, max , PV, max

IF Flussstrom: Diodenstrom in FlussrichtungUF Flussspannung: Diodenspannung in Flussrichtung

Diode in Sperrrichtung

IS SättigungssperrstromEigenleitung durch MinoritätsladungsträgerIS = IR für UR << UBRSi-Dioden: IS typ. einige 10 pAGe- Dioden: IS typ. einige 100 nA

UBR DurchbruchspannungSpannung in Sperrrichtung, bei der ein steiler Stromanstieg erfolgt

RR = URIR

Gleichstromwiderstand im AP

PV = UR ∙ IR Verlustleistung im AP

Kennwerte:

9

Grenzwerte: IR, max, UBR=UR, max , PV, max

IR Sperrstrom: negativer Diodenstrom in SperrrichtungUR Sperrspannung: negative Diodenspannung in Sperrrichtung

ISAP

10

Diode - Schaltverhalten

Einschaltvorgang: Umschalten von dem Sperr- in den Flussbetrieb • Raumladungszone wird in Einschaltzeit te mit Majoritätsladungsträgern überschwemmt• Einschaltzeit te = Zeit, in welcher der Flussstrom von 10% auf 90% des Endwertes IF steigt

Einschaltvorgang bei kapazitivem Verhalten

Einschaltvorgang bei induktivem Verhalten

11

Diode - Schaltverhalten

Ausschaltvorgang: Umschalten von dem Fluss- in den Sperrbetrieb • Speicherzeit tS = Ausräumen der Überschussladungsträger aus Raumladungszone (auch Ausräumzeit)• Ausräumstrom IRM = maximaler Rückwärtsstrom nach Umschaltung von Fluss- in Sperrrichtung• Abfallzeit tS = Zeit, in welcher der Sperrstrom von 90% IRM auf 10% · IRM fällt• Sperrverzögerungszeit trr = Zeit die erforderlich ist, um die Diode von dem Durchlass- in den Sperrzustand zu überführen (reverse recovery time, zwischen 1ns und 100µs)

t0

12

pn-Übergang im Sperrbereich• zwischen Sperrschichtkapazität C und Sperrschichtspannung UR besteht ein

nichtlinearer Zusammenhang

Diode – kapazitives Verhalten

Sperrschichtkapazität

Bahnwiderstand

Ersatzschaltbild:

Sperrschichtkapazität eines abrupten pn-Überganges mit nA >> nD

13

Temperaturverhalten• mit steigender Temperatur steigt die Eigenleitfähigkeit und der Widerstand der Diode sinkt• mit steigender Temperatur nimmt Sperrstrom stark zu T↑ → IR ↑ ↑• mit steigender Temperatur wird Flussspannung etwas geringer T↑ → UF↓

Diode - Temperaturverhalten

Sättigungssperrstrom

Schottkey Gleichung I = f(U,T) für idealen pn-Übergangmit

mit

Diodenstrom ID = f(UD,T) – Näherungsformel für UD > 0

Diodenspannung UD = f(ID,T) – Näherungsformel für UD > 0

n → 2 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 UD < US

n → 1 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓 UD > US

n = Emissionskoeffizient (Korrekturfaktor)

RB = Bahnwiderstand

Sättigungssperrstrom

14

Durchbruch: Überschreitet bei einem in Sperrrichtung gepolten pn-Übergang die Sperrspannung UR eine Durchbruchspannung UBR, so steigt der Sperrstrom IR sprunghaft über den Sperrsättigungsstrom IS.

Durchbruchmechanismen: Zenerdurchbruch (Tunnel-Effekt) Lawinendurchbruch (Avalanche-Effekt) Durchgriff (punch-through) thermischer Durchbruch (2. Durchbruch)

Diode - Durchbruchmechanismen

0A

B

C

15

Z-Diode

Betrieb in Sperrrichtung

0-A: Sperrbereich

A-B: Knickbereich

B-C: Durchbruchbereich

IZ Diodenstrom im Durchbruchbereich

UZ Diodenspannung im Durchbruchbereich

UZ0: Durchbruchspannnungextrapoliert für IR = 0mA

UZN: Nennspannnung der Z-Diode

IZT : Messstrom (z.B. 5 mA)

Z-Diode • für den Dauerbetrieb im Durchbruchbereich ausgelegt• sehr steiler Stromanstieg im Durchbruchbereich• Kennlinie in Flussrichtung ist identisch mit Kennlinien einer gewöhnlichen Siliziumdiode

rz = dUZdIZ

≈ ΔUZΔIZ

differentieller Widerstand im Durchbruchbereich

RR = URIR

Gleichstromwiderstand im Sperrbereich

RZ = ΔUZΔIZ

Bahnwiderstandim Durchbruchbereich

16

Diode – Ersatzschaltbild idealisierte KennlinieErsatzschaltung

D

D

mit UD DiodenspannungID DiodenstromUS SchleusenspannungUF Flussspannung ≙ UD > 0IF Flussstrom ≙ ID > 0UR Sperrspannung ≙ UD < 0IF Sperrstrom ≙ ID < 0RF Gleichstromwiderstand in Flussrichtung = UF / IFRB Bahnwiderstand in Flussrichtung = ΔUF / Δ IFrF differentieller Widerstand in Flussrichtung = dUF / dIFRR Gleichstromwiderstand in Sperrrichtung = UR / IRRZ Bahnwiderstand im Durchbruchbereichrz differentieller Widerstand im DurchbruchbereichUBR Durchbruchspannung

FB F

F

U R rI

∆= ≈

∆

RZ Z

R

U R rI

∆= ≈

∆

D

DU

DI

IF

IR

UFUR UF

17

Diode als SchalterWiderstands-Dioden-Logik (RDL)

Beispielaufgabe: Welche logische Verknüpfung wird durch diese Schaltung realisiert?

Hinweis: • betrachten Sie die Dioden als ideale Dioden• es handelt sich um eine positive Logik• für die Zuordnung der Spannungen zu den

Logikpegeln gilt: logisch 0: 0V bis 1,3V logisch 1: größer 2V

Schritt 1: Aufstellen der Arbeitstabelle Schritt 2: Aufstellen der Wahrheitstabelle

D1

D2

R

E1

E2

UE1 UE2 Uy

Y

UE1 UE2 UY

< 1,3V < 1,3V < 1,3V< 1,3V > 2V > 2V> 2V < 1,3V > 2V> 2V > 2V > 2V

E1 E2 Y0 0 00 1 11 0 11 1 1

Ergebnis: ODER Verknüpfung

18

230 V AC50 Hz

Diode als Gleichrichter

Einweggleichrichtung ohne Glättungskondensator

Einweggleichrichtung mit Glättungskondensator

Beispielaufgabe: Bestimmen Sie die maximal über der Diode abfallende Sperrspannung UR und den maximal auftretenden Dioden Flussstrom IF für die gegebenen Schaltungen.

12 V AC50 Hz RL=100Ω

D

maxˆ 2 17R effU U U V= = ⋅ ≈

max

ˆ 17 0,17A100F

L

U VIR

= ≈ =Ω

Lösung

RL=100ΩC

D

230 V AC50 Hz

RW=10Ω

maxˆ2 2 2 34R effU U U V≈ ⋅ = ⋅ ⋅ ≈

max

ˆ 17 1,7A10F

W

U VIR

≈ ≈ =Ω

Lösung

Einweg-Gleichrichtung Mittelpunkts-Zweiweg-Gleichrichtung Brücken-Zweiweg-Gleichrichtung

19

• pos. HW (D1): UA ≈ UE für UE < UZ,D1 + UF,D2UA ≈ UZ für UE > UZ,D2 + UF,D1

• neg. HW (D2): analog pos. HW

UZ,D1+UF,D2

UZ,D2+UF,D1

Prinzip:

Diode zur Amplitudenbegrenzung

US,D2

US,D1

• pos. HW (D1): gesperrt hochohmig• pos. HW (D2): geöffnet niederohmig UA= UF,D2 und UA,max = US,D2

• neg. HW (D1): geöffnet niederohmig UA= UF,D21 und UA,max = US,D1• neg. HW (D2): gesperrt hochohmig

Prinzip:

Z-Diode zur Amplitudenbegrenzung

20

Z-Diode zur Spannungsstabilisierung

Eingangsspannung: UE = 𝑈𝑈𝐸𝐸 ±∆UE typ. UE ≥ 2 𝑈𝑈Z

Ausgangsspannung: UA = 𝑈𝑈𝐴𝐴 ±∆UA UA=𝑈𝑈𝑍𝑍

Vorwiderstand: Rv für Strombegrenzung auf IZ < IZ,max

Lastwiderstand: RL ↑ IZ ↑

Glättungsfaktor: G = ∆U𝐸𝐸∆U𝐴𝐴

= 1 + R𝑽𝑽

r𝒁𝒁typ. rZ ≈ 2 … 20Ω

∆U𝐴𝐴<< ∆U𝐸𝐸

+

-

Rv