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2.1.1.: Schaltzeichen und Aufbau Bild
2.1.1.: Schaltzeichen und Aufbau
Bei direktem Kontakt einer P-dotierten Schicht (P-Zone) mit einer N-dotierten Schicht (N-Zone) in einem Einkristall, bildet sich infolge von Rekombinationen von Ladungsträgern in der Grenzschicht beider Zonen eine Sperrschicht durch Ladungsträgerverarmung.
Ventilwirkung der Diode
Wird die Anode gegenüber der Kathode negativ gepolt, so verbreitert
sich die Sperrschicht (Raumladungszone) und es fließt nur ein geringer
Sperrstrom IR.
Für Germanium-Dioden ist dieser Sperrstrom im mA
Bereich, für Silizium-Dioden ist dieser Strom im nA Bereich. Mit dem Erreichen
der Durchbruchspannung U(BR)
steigt der Strom I R jedoch infolge
des einsetzenden Lawinendurchbruchs (Avalanche-Effekt) schlagartig an, und führt
bei einer normalen Diode zur Zerstörung ebendieser.
Bei positiver Polung der Anode gegenüber der Kathode verringert sich die
Breite der Sperrschicht, bis bei Erreichen der Diffussionsspannung, auch Kniespannung
oder Schwellspannung genannt (bei Ge etwa 0.2-0.4 Volt, bei Si etwa 0.6-0.8
Volt), der Durchlaßstrom IF einsetzt
und bei weiterer Spannungserhöhung exponentiell ansteigt.
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2.1.2.: Polungen der Diode, Ventilwirkung
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2.1.3.: Kennlinienverlauf von Ge- und Si-Dioden
Temperaturverhalten
Ein Anstieg der Sperrschichttemperatur führt zu einer Veringerung der
Durchlaßspannung UF (weil
schon Energie in Form von Wärme zugeführt wurde)
und einem Anstieg des Sperrstromes IR.
Da Silizium ein sehr häufiges Element der Erdkruste ist, und daher als ein sehr billiger Rohstoff für die Halbleiterindustrie genutzt werden kann, ist Silizium trotz relativ hoher Kniespannung (Verluste!) das am weitesten verbreiteste Element der Halbleiter-Elektronik.
Spitzendioden
Auf einen N-dotierten Germaniumkristall wird ein zugespitzter Molybdän-,
Wolfram-, Bronze- oder Golddraht gesetzt und die Metallspitze mit einem Stromstoß
einlegiert. Die damit möglichen Sperrschichtkapazitäten < 1pF ermöglichen
die Gleichrichtung kleiner Wechselströme (IF
< 50 mA) bis zum GHz Bereich. Handelsüblich sind Spitzendioden mit Sperrspannungen
< 110 V.
Flächendioden
Die Herstellung entsprechend großer Sperrschichtflächen mit dem
Legierungs- und Diffusionsverfahren ermöglicht Dioden für Hochstromanwendungen
zu erzeugen.
Schottky Dioden
(Hot carrier Diode oder auch beam-lead-Schottky Diode genannt) Ahnlich einer
Spitzendiode erfolgt die Sperrschichtbildung hier zwischen einem N-dotierten
Siliziumkristall und einer Metallelektrode (Randschichttheorie nach W. Schottky,
1938). Kennzeichen des nach dem Planarverfahren hergestellten Metall-Halbleiterübergang
sind eine gegenüber Silizium niedrige Kniespannung (0,3V.......0,4V), ein
sehr scharfer Kennlinienknick in Durchlaß- und Sperrichtung, ein streng
exponentieller Kennlinienverlauf, niedrige Sperrströme, geringes Rauschen
und extrem schnelle Schaltzeiten (somit hervorragend geeignet zum Gleichrichten
von Wechselspannungen bis 50 GHz). Gegenüber der Spitzendiode zeichnet
sie sich durch eine größere Impulsbelastbarkeit, geringere Stoßempfindlichkeit
und kleinere Fertigungstoleranzen aus.
Kombiniert man zum Beispiel ein Metall mit einem N-Halbleiter, kann man 2 Fälle unterscheiden:
1. Die Austrittsarbeit der Metallelektronen
WAM
ist größer als die der Elektronen des N-Halbleiter WAH
2. WAM < WAH
Im ersten Fall kommt es durch Diffusion
zur Ausbildung einer Majoritätsladungsträger-Verarmungsrandschicht,
die wie beim PN-Übergang je nach Polarität einer außen angelegten
Spannung ausgedehnt (Sperrichtung) oder zum Verschwinden (Durchlaßrichtung)
gebracht wird.
Im zweiten Fall entsteht keine Verarmungs- sondern eine Anreicherungsrandschicht.
Dies entspricht einem nichtsperrenden (OHMschen) Kontakt, der für die Konstruktion
von Halbleiterbauelementen, die ja letztlich immer in metallischen Anschlußstellen
enden, benötigt wird.
Für die Kombination eines Metalles ,it einem P-Halbleiter ergeben analoge Überlegungen, daß für WAM >WAH ein OHMscher Kontakt und für WAM < WAH eine Diode entstehen.
Die Metall-Halbleiterdiode ist das älteste Diodenprinzip überhaupt. (Kristalldetektor von K. F. Braun, 1874)
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2.1.4.: Schaltzeichen und Aufbau einer Schottky Diode
Lawinen-Gleichrichterdioden
Im Gegensatz zu normalen Dioden darf die Durchbruchspannung U(BR)
mit nichtperiodischen Verlustleistungsimpulsen überschritten werden, ohne
daß damit die Lawinen-Gleichrichterdiode (Si-Diode mit kontrolliertem
Durchbruchverhalten) zerstört wird.
Selengleichrichter
Die Selengleichrichter (polykristallin) haben im Vergleich zu Siliziumgleichrichtern
größere Abmessungen (=15 fache Größe) und hohe Durchlaß-
und Sperrverlußte. Vorteilhaft ist eine höhere Überlastbarkeit
und der Überlastschutz mit normalen flinken Sicherungen. Je Gleichrichterplatte
werden bis zu 45 Volt Sperrspannung und Stromdichten bis zu 150mA/cm2 erreicht.
PSN- und PIN- Diode
Eine Diode, die mit einem
einfachen PN-Übergang arbeitet, weist entweder eine geringe Sperrspannung
(bei hoher Dotierung dh.: hohe Anzahl von Fremdatomen mit anderer Valenzelektronenanzahl
als Si), oder einen hohen Durchlaßwiderstand (bei niedriger Dotierung)
auf. Die gleichzeitige Realisierung der beiden positiven Eigenschaften einer
Gleichrichterdiode - geringer Durchlaßwiderstand und möglichst hohe
Sperrspannung - wird mit einer PSN-Diode erreicht.
Bei dieser befindet sich zwischen dem P- und N-Bereich eine extrem schwach dotierte
S-Zone. Diese Dotierung wird z.B. so gewählt, daß die S-Zone gerade
noch als P-Leiter auftritt. Bei Polung der Diode in Sperrichtung breitet sich
die Sperrschicht über den ganzen S-Bereich aus. Durch die hohe Dicke der
Sperrschicht ist die Feldstärke niedrig und bewirkt einen Durchbruch erst
bei sehr hohen äußeren Sperrspannungen. Bei Polung der PSN-Diode
in Durchlaßrichtung wird die S-Zone vollständig durch die Majoritätsladungsträger
der normal dotierten N- und P-Zonen überschwemmt, wodurch sich ein niedriger
Durchlaßwiderstand einstellt.
Bild 2.1.4.: Aufbau einer PSN (PIN) Diode
Mit PSN-Dioden werden Spitzensperrspannungen
von einigen kV und Durchlaßströme von 1kA erreicht.
Die PIN-Diode unterscheidet sich von der PSN-Diode nur dadurch, daß anstelle
der schwach dotierten s-Zone eine vollkommen undotierte (intrinsic region) angeordnet
wird. Die eigenleitende I-Zone ist jedoch bei niedrigen Durchlaßspannungen
relativ hochohmig. Mit zunehmender Spannung nimmt der Widerstand in Flußrichtung
durch die wachsende Injektion freier Ladungsträger um mehrere Zehnerpotenzen
ab. Die PIN-Diode ist auch relativ träge, sie kann daher vorteilhaft als
gleichspannungsabhängiger HF-Widerstand verwendet werden. Von 1 MHz bis
in den GHz Bereich stellen sie einen um mehrere Zehnerpotenzen stromgesteuerten
HF-Widerstand dar.
Einweggleichrichtung
Bild 2.1.5.: Einweggleichrichterschaltung
Der sog. Ladekondensator CL wird über den zu versorgenden Lastwiderstand RL durch i2 laufend entladen und vom Trafo periodisch wieder aufgeladen sobald u1 - UK > u2 ist.
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2.1.6.: Spannungsverlauf u2 am Lastwiderstand und CL-Ladestromverlauf
iL
