Stellen Sie sich eine Welt vor, in der der unsichtbare Fluss der Elektrizität gezähmt und gelenkt wird, eine Welt, die von winzigen Bauelementen geformt wird, die unser modernes Leben ermöglichen. Dieses Buch ist Ihr Schlüssel zu dieser verborgenen Welt der Halbleitertechnologie, ein umfassender Leitfaden, der die Geheimnisse von Dioden und Transistoren entschlüsselt. Beginnen Sie mit den Grundlagen der Halbleitermaterialien, erfahren Sie, wie Dotierung ihre Eigenschaften verändert und wie der berühmte pn-Übergang entsteht, das Herzstück vieler elektronischer Geräte. Entdecken Sie die vielfältigen Arten von Dioden, von Zener-Dioden zur Spannungsstabilisierung bis hin zu Fotodioden, die Licht in Strom umwandeln, und erkunden Sie ihre verschiedenen Bauarten, von Flächendioden bis zu Spitzendioden. Tauchen Sie ein in die Welt der Transistoren, diese kleinen Verstärker und Schalter, die die Elektronik revolutioniert haben, und verstehen Sie ihre Funktionsweise und Anwendungsbereiche. Abschließend werfen wir einen Blick auf Vierschichtdioden und ihre speziellen Einsatzgebiete. Ob Student, Ingenieur oder einfach nur neugierig auf die Technik, die unsere Welt antreibt, dieses Buch bietet Ihnen ein fundiertes Verständnis der Dioden- und Transistortechnologie, von den grundlegenden Prinzipien bis hin zu den vielfältigen Anwendungen. Lernen Sie die Grundlagen der Halbleiter kennen, verstehen Sie die Funktion von Dotierung, pn-Übergängen und Sperrschichten. Erfahren Sie mehr über Gleichrichter, Kennlinien und die verschiedenen Diodentypen wie Zener-Diode, Tunnel-Diode, Foto-Diode, Varistor und Kapazitätsdiode (Varaktor). Gewinnen Sie Einblicke in Bipolartransistoren (npn und pnp), Verstärker- und Schalterfunktionen. Dieses Buch ist eine unverzichtbare Ressource für alle, die sich für Elektronik interessieren und die Funktionsweise moderner Geräte verstehen wollen.
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
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Hauptthema dieser Leseprobe?
Die Leseprobe behandelt Halbleiterbauelemente, insbesondere Dioden und Transistoren. Sie erklärt die Grundlagen von Halbleitermaterialien, Dotierung, pn-Übergängen und verschiedenen Dioden- und Transistortypen.
Was sind Halbleitermaterialien und wie werden sie verwendet?
Halbleitermaterialien wie Germanium, Silicium und Galliumarsenid werden in reiner Form und Einkristallstruktur verwendet. Ihre Leitfähigkeit kann durch äußere Einflüsse wie Licht oder Wärme beeinflusst werden, was sie für Sensoren geeignet macht. Um ihre Leitfähigkeit für technische Anwendungen zu erhöhen, werden sie gezielt mit Fremdstoffen verunreinigt (dotiert).
Was bedeutet Dotierung und welche Folgen hat sie?
Dotierung ist die gezielte Integration von Fremdstoffen in die Kristallstruktur eines Halbleiters, um die Anzahl der freien Ladungsträger zu erhöhen und die elektrische Leitfähigkeit zu verändern. Die Dotierung erfolgt typischerweise mit Elementen der 3. oder 5. Hauptgruppe. Elemente der 5. Hauptgruppe (z.B. Antimon) führen zu n-Silicium (mehr freie Elektronen), während Elemente der 3. Hauptgruppe zu p-Silicium führen (mehr Lücken oder Defektelektronen).
Was ist ein pn-Übergang und wie entsteht er?
Ein pn-Übergang entsteht, wenn eine p-dotierte und eine n-dotierte Halbleiterschicht zusammengebracht werden. An der Kontaktstelle rekombinieren freie Elektronen aus der n-Zone mit den Lücken der p-Zone, wodurch eine Sperrschicht entsteht, in der es keine freien Ladungsträger gibt. Diese Sperrschicht hat ein elektrisches Feld, das dem Diffusionsstrom entgegenwirkt und einen Gleichgewichtszustand herstellt. Die Spannung im Sperrgebiet beträgt bei einer Siliciumdiode ca. 0,6 V und wird als Diffusionsspannung bezeichnet.
Wie funktioniert eine Diode in Durchlass- und Sperrrichtung?
In Durchlassrichtung werden die freien Ladungsträger in Richtung Sperrschicht geschoben, wodurch diese verschwindet und die Diode leitend wird. In Sperrrichtung werden die freien Ladungsträger an den Rand gesogen, wodurch sich die Sperrschicht vergrößert und nur ein geringer Sperrstrom fließt. Überschreitet die Sperrspannung einen maximal zulässigen Wert, kommt es zum Durchbruch, bei dem durch das starke elektrische Feld Elektronen aus der Gitterstruktur herausgelöst werden, was zu einem Lawineneffekt führt.
Welche Arten von Dioden werden in der Leseprobe erwähnt?
Die Leseprobe erwähnt verschiedene Arten von Dioden, darunter Zener-Dioden (zur Spannungsstabilisierung), Tunnel-Dioden, Foto-Dioden (für Belichtungsmesser), Varistoren und Kapazitätsdioden (Varaktoren).
Welche Bauarten von Dioden gibt es?
Es gibt Flächendioden (mit großflächigem pn-Übergang, einschließlich normaler Flächendioden und Planardioden) und Spitzendioden (mit sehr kleiner Sperrschicht).
Was sind Transistoren und wie funktionieren sie?
Transistoren haben drei leitende Zonen und zwei pn-Übergänge. Sie können als Verstärker oder Schalter verwendet werden. Es gibt npn- und pnp-Transistoren. Ein Transistor sperrt den Strom, wenn eine Spannung an Kollektor und Emitter angelegt wird. Um einen Stromfluss zu ermöglichen, muss die Basis an eine Spannungsquelle angeschlossen werden, wodurch die Sperrschicht aufgelöst wird. Ein kleiner Strom im Steuerkreis (Basis-Emitter) steuert einen großen Strom im Arbeitskreis (Kollektor-Emitter).
Welche Arten von Transistoren werden erwähnt?
Die Leseprobe erwähnt Tonfrequenztransistoren, Hochfrequenztransistoren, Schaltertransistoren (für kurze Schaltzeiten) und Fototransistoren.
Was sind Vierschichtdioden?
Vierschichtdioden haben vier Halbleiterzonen mit wechselnden Leitertypen und drei pn-Übergänge. Sie werden als Schalterbauteile in der Fernsprechvermittlungstechnik und in Verknüpfungsgliedern der Digitaltechnik eingesetzt.
Welche Literatur wird als Referenz angegeben?
Die Leseprobe listet mehrere Bücher auf, darunter "Einführung in die Elektronik" (1988), "felder" (2. Auflage 1990) und "Elementare Elektronik" (5. Auflage 1997).
- Quote paper
- Lutz Janus (Author), 1998, Halbleiter / Diode / Transistor, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/96360
