Bearbeitet durch:
Niederberger Hans-Rudolf dipl. Elektroingenieur FH/HTL/STV dipl. Betriebsingenieur HTL/NDS Vordergut 1
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3. Auflage 14. Januar 2010
TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN
Kapitel 17
ELEKTRONIK
DIGITALTECHNIK
PROGRAMMIERUNG
1
2
3
B i ld 1 4 . 6 . 1
John Bardeen
US-amerikanischer Physiker
*23. 5. 1908 Madison, Wis.
†30. 1. 1991 Boston
Nobelpreisträger für Physik: 1956 zusammen mit W. Shockley und
H. Brattain für Arbeiten über Transistoren;
1972 zusammen mit L. N. Cooper und J. R. Schrieffer für eine Theorie der Supraleitung.
© Wissen Media Verlag
L. N. Cooper
* 28. Februar 1930 New York
J.R. Schrieffer
*31. Mai 1931 Oak Park, Illinois
Inhaltsverzeichnis
17 ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG 17.1 Elektronik
17.1.1 Einleitung
17.1.2 Halbleiterphysik
17.1.2.1 Geschichtliches
17.1.2.2 Elektrizitätsleitung in Halbleitern
17.1.2.3 Die wichtigsten Elemente der Halbleitertechnik 17.1.2.4 Eigenleitung in einem Halbleiter
17.1.2.5 Störstellenleitung 17.1.2.6 p-Leitfähigkeit 17.1.2.7 n-Leitfähigkeit 17.1.2.8 pn-Übergang
17.1.2.9 Polarisierung des pn-Übergang in Sperrichtung 17.1.2.10 Polarisierung des pn-Übergang in Durchlassrichtung 17.1.2.11 Zusammenfassung der Grundlagen
17.1.3 Halbleiter-Dioden
17.1.3.1 Einführung
17.1.3.2 Prinzipieller Aufbau
17.1.3.3 Laborübung „Entdeckendes Lernen an der Diode“
17.1.3.4 Gleichstromverhalten der Dioden 17.1.3.5 Einsatz der Dioden
17.1.3.6 Zener-Dioden oder Referenzdioden 17.1.3.7 Leuchtdiode
17.1.4 Transistor, Thyristor, Diac und Triac
17.1.4.1 Prinzipieller Aufbau Transistoren
17.1.4.2 Berechnungen zum Transistor als Schalter 17.1.4.3 Funktion in vereinfachter Darstellung 17.1.4.4 Grundschaltungen des Transistors 17.1.4.5 Kennlinien des Transistors
17.1.4.6 Der Thyristor 17.1.4.7 Der Diac 17.1.4.8 Der Triac
17.1.4.9 Transistor und Diodenanschlüsse 17.1.4.10 Diodenanschlüsse
17.1.4.11 Anwendungen mit Halbleiterbauteilen
17 Elektronik, Digitaltechnik und Programmierung
17.1 Elektronik
17.1.1 Einleitung
Die industrielle Elektronik ist ein Spezialgebiet aus den vielfältigen Anwendungsgebieten der Elektronik.
Soweit wie möglich ersetzt man steuertechnische Vorgänge in industriellen
elektrotechnischen Anlagen, die bis heute vorwiegend elektromechanisch (Endschalter, Schütze, Relais, und dgl.) gelöst wurden, durch, in der Elektronik entwickelte Schaltungen, die angepasst wurden auf den jeweiligen industriellen Einsatz.
Früher: Heute:
Rotierende Strom-Umformer Statische (ruhende) Um- former
El.-mech. Schütze und Relais Kontaktlose Schütze und Relais, elektronische Schütze Mechanische Überwachungs- PTC-Widerstände
schalter NTC-Widerstände
Endschalter mechanisch Optische Schalter, Fotozellen
Vorteile der elektronischen Schaltungen:
1.
2.
3.
4.
5.
17.1.2 Halbleiterphysik
17.1.2.1 Geschichtliches
Die Bedeutung der Halbleiter wurde hauptsächlich durch die Erfindung des Transistors im Jahre 1948 durch J. Bardeen, W. Shockley und W.H. Brattain klar. In den Anfängen
verwendete man Halbleiter vorwiegend in portablen Radios und in Hörgeräten. Es begann dann eine vollständige Umwälzung auf fast allen Gebieten der Elektrotechnik, besonders in der Konstruktion von Elektronenrechnern und Satelliten. Zu der grossen Auswahl von Transistoren wurde eine ganze Familie verwandter Komponenten entwickelt.
Beispiele:
Leiterplatte mit Integrierten Schaltelementen
5 5
1 2
B i l d 1 4 . 8 . 1
Heute werden vollständige elektronische Schaltfunktionen auf einem winzigen Stück eines halbleitenden Materials produziert.
17.1.2.2 Elektrizitätsleitung in Halbleitern
Zwischen den Stoffen, die gute Stromleiter oder aber gute Isolatoren sind, liegt eine Gruppe von
Stoffen.
Diese Stoffgruppe ist in der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken und sie
wird als bezeichnet.
Wie aus der nachstehenden Tabelle ersichtlich ist, sind
typische Vertreter dieser Stoffgattung.
1 02
] / [m m2 m
1 1 02
1 04
1 06
1 08
1 01 0
1 01 2
1 01 4
1 01 6
1 01 8
1 02 0
1 02 2
1 02 4
B i ld 1 4 . 7 . 1
1 02
] / [m m2 m
1 02
1 04
1 06
1 08
1 01 0
1 01 2
1 01 4
1 01 6
1 01 8
1 02 0
1 02 2
1 02 4
3 2
5 1
4
6
Abb. 1:
Leitfähigkeit von Isolierstoffen Halbleitern und Leitern
Halbleiter sind also schlechte oder eben „halbe“ Leiter, zu dem aber auch schlechte Isolatoren. Wie wir in früheren Kapiteln gesehen haben, hängt die Leitfähigkeit eines Materials von der Anzahl der sich im Material befindlichen
ab, die aus den äussersten Schalen der Elektronenhülle stammen. In einem guten Leiter sind sehr viele freie Elektronen
vorhanden, im Halbleiter und in einem Nichtleiter
(Isolator)
17.1.2.3 Die wichtigsten Elemente der Halbleitertechnik
Die nachstehende Tabelle (Abb. 2) gibt uns eine Übersicht über die in der Halbleitertechnik hauptsächlich verwendeten chemischen Elemente. Die wichtigsten
davon sind das und das
Germanium ein selten vorkommendes Metall.
Abb. 2
Ausschnitt aus der Tabelle der chemischen Elemente Wertigkeit 3 Valenz-
elektronen 4 Valenz-
elektronen 5 Valenz-
elektronen Elektronen- schalen
Gruppe V V
Ordnungszahl 5 6 7 K,L
Element Bor
B Kohlenstoff
C Stickstoff
N 2
Ordnungszahl 13 14 15 K,L,M
Element Aluminium
Al Silizium
Si Phosphor
P 3
Ordnungszahl 21 22 23 K,L,M,N
Element Skandium Sc
Titan Ti
Vanadium
V 4
Ordnungszahl 31 32 33 K,L,M,N
Element Gallium
Ga Germanium
Ge Arsen
As 4
Ordnungszahl 39 40 41 K,L,M,N,O
Element Yttrium
Y Zirkon
Zi Niob
Nb 5
Ordnungszahl 49 50 51 K,L,M,N,O
Element Indium
In Zinn
Sn Antimon
Sb 5
Akzeptoren Grund-
material Donatoren
Silizium dagegen steht auf der Grenze zwischen Nichtmetallen und Metallen und kommt in Form von Salzen, Kieselsäure und Siliziumoxid sehr häufig vor;
ungefähr besteht aus Silizium.
Um die Wirkungsweise der Halbleiterbauelemente zu verstehen, muss man das Verhalten der Elektronen kennen. Die Elektronen eines Atoms lassen sich in Gruppen gliedern (Abb. 2).
Jede dieser Gruppen ist durch einen bestimmten Abstand vom Atomkern gekennzeichnet. Sie bilden eine sogenannte Elektronenschale. Die Elektronen der äussersten Schale sind sowohl für die chemische Verbindung, wie für den Zusammenhang der Halbleiterwirkung
massgebend.
Sie bestimmen die chemische Wertigkeit, also die
des Elementes, zu dem das Atom gehört. Aus diesem Grunde nennt man die Elektronen der äussersten Schale auch
Halbleiter bestehen aus festen Stoffen, deren Atome oder Moleküle regelmässig angeordnet sind. Die Halbleiter haben kristallinen Aufbau.
Dadurch ergibt sich für Silizium der gleiche Kristallgitteraufbau wie für Germanium.
Abb. 3
Kristallgitter von Germanium und Silizium
K r i s t a l l g i t t e r v o n G e r m a n i u m
G e + 4
G e + 4
G e + 4
G e + 4
G e + 4 G e
+ 4 G e
+ 4 G e
+ 4
K r i s t a l lg i t t e r v o n S i l i z i u m
S i+ 4 S i
+ 4 S i
+ 4 S i
+ 4
S i + 4 S i
+ 4 S i
+ 4 S i
+ 4
Aus obiger Tabelle ist ersichtlich, dass die Ordnungszahl von Germanium 32 und die Anzahl der Valenzelektronen 4 ist. Silizium hat die Ordnungszahl 14 und ebenfalls 4
Valenzelektronen.
Ausgangsmaterial für die Herstellung von Halbleiterdioden und Transistoren sind Germanium und Silizium. Beide haben auf der äussersten Elektronenschale 4 Valenzelektronen. Die vier Valenzelektronen haben das Bestreben, sich mit je einem Elektron eines anderen Atomes aus dem gleichen oder anderen Stoff zu festen Paaren zu binden (Abb. 2) und jeweils den
eigenen Kern und den des anderen Atoms gemeinsam zu umkreisen.
Diese Paarbildung nennt man kovalente Bindung, sie ist für das Entstehen der Kristallform verantwortlich. Germanium und Silizium kristallisieren in der sogenannten Diamantstruktur.
Die Germanium-Atome bilden ein Kristallgitter, in dem jedes Ge-Atom immer von vier anderen umgeben ist (Abb. 2).
Abb. 4 Kovalente Bindung
Periode Schale
Periodensystem der Atome
1 2 Tabelle 1 3 4 5 6 7 8
1 4
1 H He
Wasserstoff Helium
K 1 1 Halbmetall Schwermetall Metalle Edelmetalle 2 2
7 2 9 11 12 14 16 19 20
2 K 2 Li 2 Be 2 B 2 C 2 N 2 O 2 F 2 Ne
Lihium Berylium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon
L 1 3 4 3 5 4 6 5 7 6 8 7 9 8 10
K 2 23 2 24 Nichtmetall Edelgase Leichtmetall 2 27 2 28 2 31 2 32 2 35 2 40
3 L 8 Na 8 Mg 8 Al 8 Si 8 P 8 S 8 Cl 8 Ar
Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon
M1 11 2 12 3 13 4 14 5 15 6 16 7 17 8 18
1a 2a 3b 4b 5b 6b 7b 8 1b 2b 3a 4a 5a 6a 7a
L 8 39 8 40 8 45 8 48 8 51 8 52 8 55 8 56 8 59 8 58 8 63 8 64 8 69 8 74 8 75 8 80 8 79 8 84
4 M 8 K 8 Ca 9 Sc 10 Ti 11 V 13 Cr 13 Mn 14 Fe 15 Co 16 Ni 18 Cu 18 Zn 18 Ga 18 Ge 18 As 18 Se 18 Br 18 Kr
Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton
N 1 19 2 20 2 21 2 22 2 23 1 24 2 25 2 26 2 27 2 28 1 29 2 30 3 31 4 32 5 33 6 34 7 35 8 36
M 18 85 18 88 18 89 18 90 18 93 18 98 18 99 18 102 18 103 18 106 18 107 18 114 18 115 18 120 18 121 18 130 18 127 18 132
5 N 8 Rb 8 Sr 9 Y 10 Zr 12 Nb 13 Mo 13 Tc 15 Ru 16 Rh 18 Pd 18 Ag 18 Cd 18 In 18 Sn 18 Sb 18 Te 18 I 18 Xe
Rubidium Strontium Yttrium Zirkon Niob Molybdän Technikum Rutherium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon
O 1 37 2 38 2 39 2 40 1 41 1 42 2 43 1 44 1 45 0 46 1 47 2 48 3 49 4 50 5 51 6 52 7 53 8 54
N 18 133 18 138 18 139 32 180 32 181 32 184 32 187 32 192 32 193 32 195 32 197 32 202 32 205 32 208 32 209 32 210 32 210 32 222
6 O 18 Cs 8 Ba 9 La 58 10 Hf 11 Ta 12 W 13 Re 14 Os 15 Ir 17 Pt 18 Au 18 Hg 18 Tl 18 Pb 18 Bi 18 Po 18 At 18 Rn
Cäsium Barium Lanthan bis Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold Quecksilber Thallium Blei Bismuth Polonium Astat Radon
P 1 55 2 56 2 57 71 2 72 2 73 2 74 2 75 2 76 2 77 1 78 1 79 2 80 3 81 4 82 5 83 6 84 7 85 8 86
O 18 223 18 226 18 227 32 261 32 161
7 P 8 Fr 8 Ra 9 Ac 90 10 Ku 10 Ha
Francium Radium Actinium bis Kutschatowium Hanium
Q 1 87 2 88 2 89 103 2 104 3 105 106
N 19 140 21 141 22 142 23 145 24 152 25 151 25 158 26 159 27 164 28 165 29 166 31 169 32 174 32 177
6 O Lanthaniden 9 Ce 8 Pr 8 Nd 8 Pm 8 Sm 8 Eu 9 Gd 9 Tb 9 Dy 9 Ho 9 Er 8 Tm 8 Yb 9 Lu
(Metalle der seltenen Erden) Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium
58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
17.1.2.4 Eigenleitung in einem Halbleiter
Bei elektrisch Leitenden Stoffen wurden beim Aufbau des Kristallgitters nicht alle Elektronen benötigt, daher haben diese Stoffe freie Elektronen. Beim absoluten Nullpunkt sind in einem Halbleiter alle Valenzelektronen am Aufbau des Kristallgitters beteiligt. Somit sind keine freien Elektronen vorhanden, der Halbleiter ist bei dieser Temperatur ein Isolator.
Da sich die Atome innerhalb eines solchen Kristalls nicht in Ruhe befinden, sondern je nach Höhe der Kristalltemperatur um ihren Standort herum schwingen, reisst der Atomverband an manchen Stellen auf. Dies bewirkt, dass da und dort ein Elektron frei wird. An diesen Stellen, an denen
Elektronen aus dem Verband ausgebrochen sind, entstehen Löcher.
Da hier Elektronen (negative Ladungsträger) fehlen, stellen diese Löcher oder wie man auch sagt, Defektelektronen ene Art positiver Ladungsträger dar.
Abb. 6
Defektelektron oder Loch. Die abgesprungenen Elektronen behalten
aber nur kurze Zeit ihre Freiheit. So schnell wie sie aus dem Atomverband
herausgeschlüpft sind, schlüpfen sie an einer anderen Stelle wieder in den Verband hinein und zwar dort, wo sich zufällig ein Loch befindet (Rekombination).
Dieser Vorgang wiederholt sich in ständigem Wechsel, d.h.:
In jedem Kristall sind stets positive und negative Ladungsträger vorhanden.
Aus diesem Aufbrechen von Valenzbindungen ergibt sich eine gewisse Leitfähigkeit des Materials.
Man nennt sie Eigenleitfähigkeit.
Bei Zimmertemperatur sind ca. 1013 Ladungsträgerpaare pro cm3 im Halbleitermaterial vorhanden.
Mit zunehmender Temperatur erhöht sich die Eigenleitfähigkeit, denn bei höheren
Temperaturen schwingen die Atome stärker, wobei mehr Elektronen frei werden. Bei allzu hohen Temperaturen würde das Kristallgitter zerstört (Tod des Transistors).
Diese Eigenleitung der Halbleiter wird bei NTC-Widerständen nutzbringend angewendet. Bei Halbleiterdioden und Transistoren ist die Eigenleitung jedoch nicht erwünscht, weil sie die Daten der Bauelemente stark temperaturabhängig macht.
Durch Kühlung und durch geeignete Schaltungsmassnahmen
muss man in der Praxis den Temperatureinfluss kompensieren.
17.1.2.5 Störstellenleitung
Die Leitfähigkeit von reinen Halbleiterwerkstoffen ist sehr gering (Abb. 1). Die Zahl der beweglichen Ladungsträgern im Kristall kann durch Einfügen von Fremdatomen wesentlich erhöht werden. Diese Verunreinigung geschieht mit Atomen, die ein Valenzelektron mehr oder weniger aufweisen als die Atome der Halbleiterkristalle (Abb. 3). Da Silizium und Germanium 4- wertig ist, wird man also 3- oder 5-wertige Atome als Fremdatome in das Kristallgitter
einbauen. Das Einbauen von Fremdatomen in einen Halbleiter, zur Veränderung seiner elektrischen Eigenschaften, nennt man
Durch Einbauen von Störatomen (Störstellen) in das Kristallgitter wird die Anzahl der freien Ladungsträger erhöht, somit kann man den Halbleiter, unabhängiger von der Temperatur, leitend machen.
17.1.2.6 p-Leitfähigkeit
Werden in dem Germaniumkristall Fremdatome mit nur 3 Valenzelektronen, z.B. Aluminium (Al) oder Indium (In), eingebaut, so entsteht eine Bindungslücke. Von den vier Valenzelektronen des benachbarten Germaniums werden nur drei durch das Indium- oder Aluminiumatom
gebunden.
Das Fehlen des vierten Valenzelektrons bewirkt
das Entstehen eines Loches.
Abb. 7 Darstellung der p-Leitung.
Man spricht in diesem Fall von p-Leitung bzw. p-Germanium. Das Zeichen p steht hier deshalb, weil die positiven Löcher die eigentliche Ursache der Leitfähigkeit sind.
Das reine Germanium wird mit ca. 1015 bis 1019 Al-Atomen pro cm3 dotiert. Somit kommen zusätzlich zu den aus Ladungsträgerpaaren vorhandenen 1013 Löcher noch weitere 1015 bis 1019 dazu.
Merke
In der p-Leitung sind die Löcher die Majoritätsträger.
(Majoritätsträger = die im dotierten Halbleitermaterial in der Mehrzahl vorhandenen Ladungsträger)
Die 1013 Elektronen, die von den Ladungsträgerpaaren der Eigenleitfähigkeit herrühren, sind hier in der Minderheit also Minoritätsträger.
Merke
Alle Stoffe, die infolge ihrer Wertigkeit 3 (3 Valenzelektronen) das reine Halbleitermaterial
zu p-leitendem Material machen, nennt man Akzeptoren (Abb. 2).
Sobald sich das Loch von dem Al-Atom, durch das es entstanden ist, entfernt hat, ist aus dem elektrisch neutralen Al-Atom ein negatives Aluminium-Ion entstanden.
Es hat jetzt eine Elementarladung mehr als normal. Im gegensatz zu Flüssigkeits- und Gas-Ionen sind diese Al-Ionen nicht beweglich. Sie haben jedoch gleichwohl
17.1.2.7 n-Leitfähigkeit
Beim Einbau 5-wertiger Fremdatome können nur vier der fünf Valenzelektronen durch die
Valenzelektronen der vier benachbarten
Germaniumatome gebunden werden. Das fünfte Elektron ist ein überflüssiges, es findet keinen Bindungspartner und
es entsteht ein freies Elektron.
Abb. 8 Darstellung der n-Leitung.
Als 5-wertige Fremdatome verwendet man Antimon (Sb), Arsen (As) oder Phosphor (P). Die elektrische Leitfähigkeit eines durch ein 5-wertiges Fremdatom verunreinigten
Germaniumkristalls beruht auf der Beweglichkeit seiner überschüssigen negativen Elektronen.
Aus diesem Grunde nennt man diese Art der Leitung n-Leitung und ein Germaniumkristall dieser Art n-Germanium.
Das reine Germanium wird mit ca. 1015 bis 1019 Arsen-Atomen pro cm3 dotiert. Somit stehen pro cm3 1015 bis 1019 freie Elektronen zur Verfügung. Dazu kommen noch je cm3 1013 Elektronen der infolge der thermischen Bewegung entstandenen Ladungsträgerpaare.
Merke
In der n-Leitung sind die Elektronen die Majoritätsträger.
(Majoritätsträger = die im dotierten Halbleitermaterial in der Mehrzahl vorhandenen Ladungsträger). Die 1013 Löcher pro cm3, die ebenfalls von den Ladungsträgerpaaren herkommen, sind hier in der Minderheit also Minoritätsträger.
Merke
Alle Stoffe, die infolge ihrer Wertigkeit 5 (5 Valenzelektronen) das reine Halbleitermaterial
zu n-leitendem Material machen, nennt man Donatoren (Abb. 2).
Sobald sich das Elektron vom Arsen-Atom gelösst hat, entsteht aus dem Arsen-Atom ein
positives Arsen-Ion. Es besitzt ein Elektron weniger als normal.
Auch diese Arsen-Ionen sind nicht beweglich. Sie tragen ebenfalls zur Bildung der Sperrschicht bei.
17.1.2.8 pn-Übergang
Ein p- oder n-leitender Halbleiter wirkt allein nur wie ein ohmischer Widerstand. Erst mit dem Aneinandersetzen von p- und n-leitenden Halbleitern erhält man besondere Eigenschaften.
Dies geschieht nicht durch das Zusammenfügen zweier Germaniumstückchen, sondern durch verschiedene
In der nächsten Umgebung der Grenzfläche spielen sich Vorgänge ab, die für die technische Anwendung eines solchen pn-Überganges ausschlaggebend sind.
Abb. 9: Halbleiter mit p- und n-Dotation
negatives Ion positives Ion Loch
Elektron
Von besonderer Bedeutung ist die Zone (Grenze), wo die beiden Schichten aneinander grenzen.
Abb. 10
Darstellung mit den Majoritätsträgern in p- und n-dotiertem Halbleiter
An der Grenzschicht können die Elektronen in die p-Schicht und die Löcher in die n-Schicht Gelangen. Diese Verschiebung
Treffen die Elektronen in der p-Schicht auf Löcher oder die Löcher in der n-Schicht auf Elektronen, so vereinigen sie sich mit diesen, was man als
bezeichnet.
p n
S p e r r s c h i c h t
S p a n n u n g s v e r l a u f
0 + -
Abb. 11
Spannungsverlauf an der Sperrschicht
negatives Ion positives Ion Loch
Elektron
Durch diesen Vorgang wird die Grenzschicht immer ärmer an beweglichen Ladungsträgern.
Wenn alle Ladungsträger durch die Rekombination verschwunden sind, wirken in der Grenzschicht nur noch die Ladungen der
Diese Ionen sind nicht beweglich. Die Ionen in der p- bzw. n-Schicht verhindern, dass weitere Elektronen bzw. Löcher diffundieren.
Die Grenzschicht wird so zur da sie mangels beweglicher
Ladungsträger nicht mehr leitfähig ist. Zwischen beiden Zonen ist ein Spannungsunterschied entstanden, dieser wirkt nun einer weiteren Diffusion von Ladungsträgern entgegen.
Diese Spannung nannt man
17.1.2.9 Polarisierung des pn-Übergang in Sperrichtung
Legt man an die p-Schicht den Minuspol und an die n-Schicht den Pluspol einer
Gleichspannungsquelle, so werden in beiden Schichten die beweglichenLadungsträger von der Sperrschicht weg zu den Anschlüssen hin gezogen.
Die Polarität ist derjenigen der Majoritätsladungsträger entgegengesetzt.
p n
S p e r r s c h i c h t M a j o r i t ä t s t r ä g e r M i n o r i t ä t s t r ä g e r
- +
Abb. 12
pn-Übergang in Sperr-Rrichtung
negatives Ion positives Ion Loch
Elektron
Wirkung der angelegten Spannung auf die
Minoritätsladungsträger Majoritätsladungsträger
Merke
Die Majoritätsladungsträger werden von den Polen angezogen. Die Sperrschicht verbreitert sich. Zwischen
den Anschlüssen herrscht ein gosser Widerstand.
Die Minoritätsträger bestimmen diesen Widerstand, sie fliessen durch die Sperrschicht hindurch und verursachen den Sperrstrom.
Es entsteht eine Stromsperre.
17.1.2.10 Polarisierung des pn-Übergang in Durchlassrichtung
Legt man an die p-Schicht den Pluspol und an die n-Schicht den Minuspol einer
Gleichspannungsquelle, so werden die Löcher vom Pluspol zur n-Schicht und die Elekktronen vom Minuspol zur p-Schicht gestossen.
Die Polarität ist derjenigen der Majoritätsladungsträger gleichgesetzt.
p n
S p e r r s c h i c h t M a j o r i t ä t s t r ä g e r M i n o r i t ä t s t r ä g e r
+ -
Abb. 13
pn-Übergang in Durchlass-Richtung
negatives Ion positives Ion Loch
Elektron
Wirkung der angelegten Spannung auf die
Minoritätsladungsträger Majoritätsladungsträger
Merke
Ist die angelegte Spannung grösser als die Diffusionsspannung, so schwindet die Sperrschicht.
Die Majoritätsladungsträger werden von den Polen Abgestossen.
Die Minoritätsladungsträüger sind in Bewegung. Sie fliessen durch die Sperrschicht hindurch und verursachen den Durchlassstrom.
Es entsteht eine Stromleitung. Der pn-Übergang wirkt wie ein
Stromventil bzw Stromschalter.
Merke
Der pn-Übergang bildet die Grundlage der bipolaren Halbleiterbauelemente wie:
Dioden, Transistoren und Thyristoren.
17.1.2.11 Zusammenfassung der Grundlagen
Die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiterwerkstoffe ist
als die der Leiter, aber als die der Nichtleiter.
In den Halbleitern treten nebst den negativen auch noch als Ladungsträger auf. Bei Temperaturzunahme erhöht
Sich die , da immer mehr Valenzelektronen aufbrechen.
Da dadurch weitere Ladungsträgerpaare entstehen, ist im Halbleiter die Anzahl der immer gleich gross wie die Anzahl der
Wird das Halbleitermaterial mit 5-wertigem Stoff dotiert, so überwiegt die Zahl der Demzufolge entsteht eine Schicht aus
Wird das Halbleitermaterial mit 3-wertigem Stoff dotiert, so überwiegt die Zahl der Demzufolge entsteht eine Schicht aus
An der Grenzschicht zwischen
entsteht durch eine Diese
Grenzschicht wird fast und dadurch zur
Der Spannungsunterschied zwischen der p-Schicht und der n-Schicht nennt man Diese Spannung muss über- Wunden werden, damit der pn-Übergang leitend wird.
17.1.3 Halbleiter-Dioden
17.1.3.1 Einführung
Halbleiterdioden sind zweipolige Bauelemente, deren Widerstand von der Polung der angelegten Spannung abhängt.
Als Halbleitermaterial wurde früher für Dioden Kupfer-Oxydol (Cu2O) und Selen (Se) verwendet und heute vorallem:
Die Diode besteht aus zwei Schichten. Einer p- und einer n-Schicht.
Löcher
p-Schicht n-Schicht
Sperrschicht
Anode Kathode
K
A Elektronen
Abb. 14
pn-Übergang einer Diode
Merke
Die Diode wirkt als d.h. sie ist leitend, wenn die
Spannung in anliegt. In der
anderen Richtung wirkt sie als Stromsperre. Aus diesem Grund wird sie häufig
zur und zur eingesetzt.
17.1.3.2 Prinzipieller Aufbau
Abb. 15
Prinzip einer Diode
Symbol der Diode:
Bei anlegen der Spannung
Bei anlegen der Spannung
Abb. 16 Reale Dioden
Unterstes Bild Brückengleichrichter
17.1.3.3 Laborübung „Entdeckendes Lernen an der Diode“
Auftrag
Untersuchen Sie die Diode in Sperr- und Durchlassrichtung. Es sind die Spannungen und die Ströme in einer Tabelle festzuhalten. (Bauteile: Laborspeisung, 1,0 kΩ-Widerstand, Diode 1N4007, Voltmeter, Ampère-Meter). Um welchen Diodentyp handelt es sich hier.
Vollständiges Mess-Schema
Mess-Tabelle
17.1.3.4 Gleichstromverhalten der Dioden
Die nachfolgenden Kennlinien zeigen den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei Dioden.
B i l d 1 4 . 1 0 . 1 1
2 3 4 5
6
Abb. 17 Diodenkennlinien
Bestimmung des
dynamischen Widerstande s:
Die Kennlinien zeigen, dass die Silizium- und Germaniumdioden einen grösseren
Sperrwiderstand und einen kleineren Durchlasswiderstand als Selen- und Kupfergleichrichter haben.
Ein grösserer Durchlasswiderstand verursacht einen schlechteren Wirkungsgrad, dadurch werden diese Dioden stark erwärmt.
17.1.3.5 Einsatz der Dioden
Die Germanium-Dioden sind für kleine Leistungen und hohe Frequenzen geeignet. Sie wird verwendet für:
Maximale Betriebstemperatur
Die Siliziumdioden wird für die Gleichrichtung grosser Leistungen verwendet. Sie sind weniger Temperaturempfindlich als Ge-Dioden.
Sie werden verwendet für:
Maximale Betriebstemperatur
Achtung!
Halbleiterbauteile sind sehr empfindlich auf Überspannungen und Überströme. Sie können selbst durch statische Entladungen beim Berühren zerstört werden.
Vor Überströmen sind sie gegebenenfalls mit superflinken Sicherungen zu schützen.
Halbleiterbauteile stellen keine galvanischen Trennung dar!
Neben der einfachen Diode gibt es eine Reihe von speziellen Halbleiterdioden für unterschiedliche Einsatzzwecke:
Laserdiode
Leistungsgleichrichter (p+sn+-Diode)
LED Leuchtdiode
Photodiode
Schottky-Diode
Solarzelle
Step-Recover-Diode
Supressordiode
Thyristor
Tunnel-Diode
Varaktor (variable Reaktance) Kapazitätsdiode
Vierschichtdiode
17.1.3.6 Zener-Dioden oder Referenzdioden
17.1.3.6.1 Grundlagen
Zener-Dioden sind Siliziumdioden mit besonderen Eigenschaften. In Durchlassrichtung unterscheidet sich ihr Verhalten nicht von dem der normalen Dioden. Auch der Sperrstrom ist normal, d.h. sehr klein und unabhängig von der Sperrspannung, solange diese einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Dann aber steigt der Sperrstrom plötzlich so stark an, dass man die Diode wieder als leitend betrachten kann. Die Spannung bei der das geschieht, heisst Durchbruchspannung. Das starke Ansteigen des Stromes wird dadurch hervorgerufen, dass Elektronen in der Sperrschicht unter dem Einfluss der äusseren Spannung aus ihren Bindungen gerissen werden. Nach dem amerikanischen Physiker Zener, der sich mit Untersuchungen solcher Vorgänge befasste, nennt man dies den Zener-Effekt. Die Z-Diode wird auch Zenerdiode und die
Durchbruchspannung auch Zenerspannung genannt.
Ausser dem Zenereffekt tritt auch noch der Avalanche-Effekt
(Lawineneffekt) auf. Im elektrischen Feld der Sperrschicht werden die Elektronen so stark beschleunigt, dass sie beim Auftreffen auf andere Atome weitere Elektronen befreien. Die Zahl der freien Elektronen nimmt dadurch lawinenartig zu.
Beide Effekte sind für die starke Zunahme des Sperrstromes massgebend.
Zenerdioden zwischen 5...7 V haben den kleinsten dynamischen Widerstand.
Abb.18 Symbole für Zenerdioden
Abb. 19 Kennlinien von
Zenerdioden
Abb. 20 Reale Zenerdiode
17.1.3.6.2 Berechnungsbeispiel mit einer Zenerdiode
Aufgabe
Die Eingangsspannung einer Netzspeisung nach der Gleichrichtung und Glättung kann zwischen 10….15V schwanken.
Wie muss der Vorwiderstand einer Stabelisierungsschaltung mit Zenerdiode gemäss der gegebenen Schaltung gewählt werden, wenn der Lastwiderstand 1000 beträgt.
Wir überprüfen den Strom in der Z-Diode mit dem gewählten Widerständen
500Ω: Anwendungen
mit Z-Dioden
Abb. 21 Spannungsbegrenzung
Mit Z-Diode
Abb. 22 Spannungsstabilisierung
Mit Zenerdiode
Abb. 23 Symetrische Stabilisierung
17.1.3.7 Leuchtdiode
Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode, kurz LED für Light Emitting Diode bzw. lichtemittierende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in
Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung (als Infrarotdiode) oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge ab.
Abb. 25 Symbol Leuchtdiode
Leuchtdiode 5 mm Gehäuse
17.1.4 Transistor, Thyristor, Diac und Triac
17.1.4.1 Prinzipieller Aufbau Transistoren
Der Transistor besteht aus zwei p-n-Übergängen, d.h. aus Schichten (2 Dioden). Es sind zwei Schichtfolgen möglich.
Symbol der Transistoren:
Abb. 26 Reale Transistoren
Die Schichten sind verschieden dotiert; die Dotierung nimmt vom Emitter zum Kollektor ab. Es ist ein Gefälle in der der Majoritäts- träger. Die Basis ist sehr dünn,
17.1.4.2 Berechnungen zum Transistor als Schalter
In der nachfolgenden Schaltung soll der Widerstand R2
bestimmt werden, damit die Lampe H1 optisch max. brennt.
Versuchsschaltung:
Gegeben
R1 1000
U 8 V
Messungen
UBE V
IB mA
IC A
17.1.4.3 Funktion in vereinfachter Darstellung
Der Transistor ist ein VERSTÄRKERELEMENT, er lässt sich
er ist .
Bei Basisstrom IB = 0 ist die Basis-Emitter-Spannung
Es fliesst kein durch den Transistor.
Bei Basisstrom IB > 0 ist die Basis-Emitter-Spannung
Es fliesst ein durch den Transistor.
Bei Basisstrom IB >> 0 ist die Basis-Emitter-Spannung
Es fliesst ein durch den Transistor.
Die Steuerung des Transistors erfolgt an
Feststellung
Der Transistorstrom (Kollektor-Emitter) hängt vom
17.1.4.4 Grundschaltungen des Transistors
Die Grundschaltungen sind auf die Elektroden benannt, welche für den Ausgang und den Eingang verwendet werden.
Emitterschaltung
Stromverstärkung hoch 100
Eingangswiderstand 500Ω - 2kΩ Spannungsverstärkung hoch
250
Ausgangswiderstand 500Ω - 100kΩ Leistungsverstärkung
100 - 1000 Einsatzgebiet
Kleinsignalverstärker
Elektronische Schalter
Mit Basisvolger für HF Anwendungen geeignet
Kollektorschaltung (Emitterfolger)
Stromverstärkung hoch
100 Eingangswiderstand
3kΩ - 1MΩ Spannungsverstärkung
0,95 Ausgangswiderstand
0,5Ω - 30Ω Leistungsverstärkung
ca. 1000 Einsatzgebiet
Impedanzwandler
Christall-Tonabnehmer
Piezo-Schallaufnehmer
Kondensator-Mikrofon
Elektret-Mikrofon
Audio-Verstärker- Endstufen
Basisschaltung
Stromverstärkung niedrig unter 1
Eingangswiderstand klein 25Ω - 500Ω
Spannungsverstärkung hoch
200 Ausgangswiderstand hoch
100kΩ - 1MΩ Leistungsverstärkung
ca. 1000 Einsatzgebiet
HF-Stufen
HF-Oszillatoren bis 50MHz
17.1.4.5 Kennlinien des Transistors
Eingangskennlinie
(Diode in Durchlassrichtung) (Diode in Sperrichtung)
Eingangswiderstand Ausgangswiderstand
17.1.4.6 Der Thyristor
17.1.4.6.1 Der Aufbau eines Thyristors
17.1.4.6.2 Wirkungsweise eines Thyristors
Durch das Aneinanderreihen von vier abwechslungsweisen p- und n-Schichten haben wir drei pn-Übergänge erhalten. Verbinden wir die Anode des Thyristors mit dem negativen Pol und die Kathode mit dem positiven Pol einer Batterie, so finden Ladungsverschiebungen statt.
Bei der angegebenen Polung werden pn1 und pn3 zur Sperrschicht, da die Ladungsträger zur Anode bzw. zur Kathode hingezogen werden und
somit die Übergänge
ladungsträgerarm werden. Der Übergang pn2 wird mit Ladungsträgern angereichert und somit leitend. Da pn1 und pn3 sperren, fliesst kein Strom durch den Thyristor.
Es liegt deshalb der Zustand vor.
Verbinden wir die Anode mit dem Pluspol und die Kathode mit dem Minuspol der Batterie, so werden die Löcher von der positiven Anode abgestossen, und die Elektronen werden von der negativen Kathode abgestossen.
Der Übergang pn2 ist an Ladungsträgern verarmt und wird zur Sperrschicht.
Da pn2 bei positiver Anode keinen Strom durch den Thyristor lässt, wird dieser Zustand
als bezeichnet.
Durch Änderung der Polung an den äusseren Elektroden Anode und Kathode kann man den Thyristor nicht leitend machen, dies ist aber mit der möglich.
Der Übergang vom Zustand Blockieren in Durchlassen wird des Thyristors genannt.
Für das Zünden ist die Steuerelektrode mittels eines gesonderten Stromkreises an die Zünd- oder Steuerspannung zu legen.
Durch die Teilung des Thyristors erhalten wir einen pnp-Transistor T1 und einen npn-
Transistor T2. Aus der Abb. Geht hervor, dass jeweils die Basis des einen Transistors mit dem Kollektor des anderen Transistors fest verbunden ist. Der Emitter von T1 ist mit der Anode und der Emitter von T2 ist mit der Kathode des Thyristors identisch. Die Steuerelektrode S
entspricht der Basis von T2. Der Hauptstromkreis entspricht in der Polung dem
Blockierzustand des Thyristors. Wird nun der Schalter S geschlossen, spielen sich folgende Vorgänge ab:
Durch den Steuerstrom I gelangen Löcher in die Basis des T2; dies löst im Emitter einen verstärkten Elektronenstrom aus, der zum Kollektor des T2 fliesst. Nun ist aber der Kollektor
17.1.4.6.3 Steuerung des Thyristors
Der Thyristor ist nun gezündet, d.h. er ist durchlässig. Wir wollen nun untersuchen, wie der durchlässige Zustand wieder rückgängig gemacht werden kann oder wie es gelingt, den Durchlassstrom wieder zu löschen. Um das zu erreichen, müssen die
Ladungsträgerüberschwemmungen im Innern des Thyristors beseitigt werden.
Die erste Möglichkeit, den Thyristor zu löschen, besteht im Unterbrechen des
Hauptstromkreises. Die Ladungsträger im Innern des Thyristors verschwinden durch Rekombination, d.h. indem sich jeweils ein Loch und ein Elektron vereinigen.
Die zweite Möglichkeit besteht darin, den Thyristor zu sperren (z.B. durch Umpolen der Batterie im Hauptstromkreis). Der größte Teil der Ladungsträger wird dann aus dem Innern des Thyristors abgesaugt, und der Rest verschwindet durch Rekombination.
Der Thyristor kann jedoch nicht durch den Steuerkreis gelöscht werden. Im Durchlaßzustand ist der Steuerstrom sogar überflüssig. Bei den üblichen Leistungsthyristoren kann durch den Steuerkreis der Durchlasszustand herbeigeführt werden. Beendet werden kann er aber nur durch einen Eingriff in den Hauptstromkreis.
Um den Thyristor zu zünden, wird nur ein kurzer Steuerstromstoss benötigt. Es ist also möglich, den Thyristor mit einem Impuls zu steuern.
Die Impulssteuerung ist ein wesentliches Merkmal des Thyristors. Ein Vergleich mit dem Transistor zeigt deutlich den Unterschied. Beim Transistor kann mit dem Basisstrom der Kollektorstrom gesteuert werden. Die Größe des Kollektorstromes ist also abhängig von der Größe des Basisstromes. Der Transistor ist durch den Basisstrom stufenlos steuerbar.
Beim Thyristor kann die Grösse des Durchlassstromes jedoch nicht beeinflusst werden. Im gezündeten Zustand führt der Thyristor immer den vollen Strom.
Der Thyristor hat eine Impulssteuerung, im Gegensatz zum Transistor also keine stetige Steuerung.
17.1.4.6.4 Der Thyristor an Wechselpannung Fall a)
Thyristor an
Wechselspannung mit Gate-Anschluss an Gleichspannung.
-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Fall b)
Thyristor an
Wechselspannung mit Gate-Anschluss an einer Wechselspannung.
(2V, 50..100 Hz)
-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 P h a s e n w i n k e l [ ° ]
-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 P h a s e n w i n k e l [ ° ]
17.1.4.7 Der Diac
17.1.4.7.1 Aufbau und Wirkungsweise des Diac
Der Diac ist ein Halbleiter-Bauelement mit fünf Schichten,
abwechslungsweise p und n. Sein Verhalten gleicht zwei parallelen gegeneinander geschalteten Vierschicht-Dioden. Er wird häufig zum Steuern von Triacs gebraucht.
Abb. 33 Symbol Triac
Ersatzschaltung Strom-Spannungskennlinie
des Diacs: des Diacs:
Beim Diac sind beide Vierschicht-Dioden im gleichen Kristall untergebracht.
Vergrössert man die Spannung U von 0 V an, so fliesst zuerst nur ein kleiner Sperrstrom.
Erreicht die Spannung einen bestimmten Wert, so kippt der Diac. Die Spannung fällt zusammen, und der Strom steigt rapid an.
Der Diac ist in seinen Eigenschaften praktisch symetrisch. Die Werte der positiven und negativen Kippspannungen weichen nicht viel voneinander ab.
17.1.4.8 Der Triac
17.1.4.8.1 Aufbau und Wirkungsweise des Triac
Der Nachteil von Thyristoren ist, daß man sie nur in einer Richtung schalten kann. Sie werden nur durchlässig, wenn die Anodenspannung positiv ist.
Wenn man zwei Thyristoren parallel gegeneinander schaltet, entsteht ein Bauelement, das bei positiver und auch bei negativer
Anodenspannung durchlässig ist. Diese Schaltung wird mit Triac bezeichnet.
Abb. 33 Symbol Triac
Ersatzschaltung Strom-Spannungskennlinie
des Triacs: des Triacs:
Beim Triac sind diese beiden Thyristoren in einem einzigen Bauelement vereinigt.
Von den beiden Toren der Thyristoren wird nur eines herausgeführt.
Der Name Triac kommt von TRI = 3 Elektroden
AC = alternating current = Wechselstrom
Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Triacs setzt sich aus den Blockier- und Durchlaß- Kennlinien der beiden Thyristoren zusammen.
Ist kein Torstrom vorhanden, so blockiert der Triac in beiden Richtungen. Mit Hilfe eines Torimpulses kann der Triac gekippt werden, und zwar bei positiver oder bei negativer Anodenspannung.
Der Triac hat den großen Vorteil, daß bei Überschreiten der Nullkippspannung kein Schaden entsteht.
