2. HALBLEITERDIODEN - microLab - Berner Fachhochschule

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2. HALBLEITERDIODEN2.1. EINLEITUNGUm zu verstehen, wie Halbleiterdioden, oder einfach Dioden funktionieren, ist es wichtig, sich mit denEigenschaften von dotierten Materialien zu befassen. Später wird dieses Wissen auch zum Verständnisder Transistoren benötigt.2.2. AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE EINER HALBLEITERDIODE_____________________________________________________________________________________Ziel dieses Kapitels: Den Aufbau einer Halbleiterdiode verstehen. Die Funktionsweise einer Halbleiterdiode verstehen. Die Kennlinien von Halbleiterdioden interpretieren lernen. Die Eigenschaften von Halbleiterdioden kennen lernen. Einfache Anwendungen mit Dioden verstehen lernen.Schlüsselworte:P- bzw. N-Dotierung, PN-Übergang, Diode, Diodenkennlinie, Schwellspannung, Gleichrichter_____________________________________________________________________________________2.2.1. DER PN-ÜBERGANGWerden P und N dotierte Halbleitermaterialien zusammengefügt, entsteht ein sog. PN-Übergang. Da dieLadungsträgerkonzentrationen der Elektronen n und der Löcher p in den beiden Gebieten unterschiedlichsind, setzt Diffusion ein, und versucht, die Ladungsunterschiede auszugleichen. Es kommt zuLadungsverschiebungen und somit zu einem Potentialunterschied zwischen den beiden Zonen N und P.PNPNSymbolAKelektrischneutralelektrischneutralnegative Ladungüberwiegtpositive LadungüberwiegtP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 26

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Im P-Gebiet gilt:p p > n pwobei p = Löcherkonzentrationn = Elektronenkonzentration bedeuten.der Index p bedeutet P-Gebiet.Im N-Gebiet gilt:n n > p nwobei n = Elektronenkonzentrationp = Löcherkonzentration bedeuten,der Index n bedeutet n-Gebiet.In beiden Gebieten ist das Produkt n p eine Funktion der Temperatur allein.n 2 i = n p = f(T)n i = Inversionsdichte, welche die Eigenleitung des Halbleiters bestimmt. Für Si gilt fürn i = 1,5 10 10 @ 300K.Zahlenbeispiel:Reines Silizium besteht aus ca. 10 23 Atomen/cm 3 und besitzt 1,5 10 10 Ladungsträgerpaare/cm 3 , d.h.n i =1,5 10 10 bei 300K. Durch dotieren mit 5-wertigem Material, mit z.B. 1,5 10 14 Atomen/cm 3 , entsteht n-leitendes Silizium mit n n = 1,5 10 14 Elektronen/cm 3 .n n =1,5 10 10 (reines Silizium) +1,5 10 14 (5-wertiges Material) ~ 1,5 10 14 Elektronen/ cm 3 .210 2n 1,5 10pn 1,5 10Löcher /cm 3 .n141,5 10i 6damitnDie Ladungsträgerkonzentration nach dem Dotieren ist also:P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 27

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________n n > n p und p p > p n .Die Elektronenkonzentration n im N-Gebiet ist grösser als im P-Gebiet, und die Löcherkonzentration p istim P-Gebiet grösser als im N-Gebiet.Durch Diffusion der Ladungsträger gehenElektronen aus dem N-Gebiet ins P-Gebiet, welches jetzt elektrisch nicht mehr neutral ist,sondern negativ geladen.Löcher ‘wandern’ aus dem P-Gebiet ins N-Gebiet, welches jetzt nicht mehr elektrischneutral ist, sondern positiv geladen2.2.2. DER STROMLOSE PN-ÜBERGANGDer oben beschriebene Vorgang führt zu einer Potentialdifferenz zwischen P und N Gebiet, der sog.Diffusionsspannung, die sich wie folgt beschreiben lässt:udiff UTnlnnnp UTplnppnmitkTU T , wobei k die Boltzmannkonstante (1,38 10 -23 Ws/K) undee die Elementarladung des Elektrons (1.602 10 -19 C) bedeuten.Beispiel für U diffn n = 1,5 10 14 /cm 3n p = 1,5 10 6 /cm 3U diff = 0,025 ln10 8 = 0.46V (T=300K).Bem: Diese Spannung U diff kann von aussen nicht mit einem Messinstrument gemessen werden.P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 28

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.2.3. DER PN-ÜBERGANG MIT ANGELEGTER SPANNUNG IN SPERRRICHTUNGBei Anlegen einer äusseren Spannung in Sperrrichtung werden die Majoritätsträger beider Gebiete desGrenzgebietes abgezogen. Es entsteht eine sehr dünne Schicht, in der keine Ladungsträger vorhandensind, eine Isolierschicht sozusagen.AnodeKathodePN- +U AK

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Übersteigt die angelegte Spannung U R einen bestimmten Wert, so steigt der Strom I R lawinenartig an.Dieser Effekt wird Zenereffekt genannt (Zener 1934). Wird er nicht durch geeignete Massnahmenbegrenzt, wird das Element zerstört.2.2.4. DER PN-ÜBERGANG MIT ANGELEGTER SPANNUNG IN DURCHLASSRICHTUNGBei Anlegen einer äusseren Spannung in Durchlassrichtung U AK > 0V = U F , werden die Majoritätsträgerdurch den PN-Übergang transportiert, und es fliesst ein Strom I D =I F .Messanordnung: I F = f(U F )DXa: 700.0m Xb: 0.000Yc: 42.00m Yd: 0.000a-b: 700.0mc-d: 42.00mI FAb42macU35mRI28m21m14mU B+ -7m00 167m 333m 500m 667m 833m 1Ref=Ground X=167m/Div Y=currentdSimU S U F (U AK > 0)Der Strom I F (I F F = Forward) steigt exponentiell mit der Spannung U F , wie aus Bild zu ersehen ist (grüneKurve). Legt man eine Linie an die Kurve und verlängert sie bis zur x-Achse, erhält man den SchwellwertU S . Der Strom I F in Durchlassrichtung wird erst bei Spannungen U F > U S deutlich von Null verschieden.P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 30

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.2.5 VOLLSTÄNDIGE KENNLINIE EINES PN-ÜBERGANGESDie vollständige Kennlinie ist nachstehend gezeigt:Zum Vergleich ist auch die Kennlinie einer Germaniumdiode dargestellt. In Durchlassrichtung lässt sich derStrom I F = f (U F ) folgendermassen beschreiben:IF IRmax(eUFmUT1)mit:kTU T ; (U T = 25mV bei Raumtemp.)ek =1,38E-23 J/K und T=°C+273; e=1,6E-19C:m ist ein empirischer Faktor 1

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________In Sperrrichtung fliesst ein kleiner Reststrom I Rmax . Diese sind typischI Rmax ~10pA für SiliziumI Rmax ~100nA für Germanium.Diese Werte sind stark temperaturabhängig und zwar gilt für Silizium ungefähr:UTFIkonst. 2mVK2.2.6. DER GLEICHSTROMWIDERSTAND R EINER DIODEDer Gleichstromwiderstand R einer Diode ist wie folgt definiert:R=U/IDa die Diode keine lineare Kennlinie hat unterscheidet man zwischen Durchlassrichtung und Sperrrichtung.a) DurchlassrichtungBezeichnungR F ; (F = Forward, = Durchlassrichtung)Beispiel:U F =0.9V; I F = 15mA;=> R F =U F /I F =0,9V/15mA=60.I FR F variiert stark und ist als Parameter zurBeschreibung der Diodeneigenschaften ungeeignet.R FU FP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 32

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________b) SperrrichtungBezeichnungR R ; (R = Reverse, = Sperrrichtung)Beispiel:U R = 20V; I R = 0.1 A =>R R = U R /I R = 200MU RI RDieser Wert R R ist stark temperaturabhängig.2.2.7. DER DYNAMISCHE WIDERSTAND r EINES PN-ÜBERGANGES.Der dynamische (auch differentieller) Widerstand r eines PN-Übergangs ist wie folgt definiert:Bezeichnungr F ; (F = Forward, = Durchlassrichtung)r FdU U ; er entspricht der Tangente im betrachteten Punkt der KennliniedI II FPI FIm Durchlassbereich ist der differentielle Widerstandr F klein.Verglichen mit R F gilt:U Fr F < R FU FP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 33

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.2.8. VEREINFACHTE DIODENKENNLINIE.Für die meisten Anwendungen in der Praxis genügt folgende vereinfachte Diodenkennlinie:I Dr FU SU DWobei die Grössen U D und I D folgende Bedeutung haben:U D = U AKI D = I AK=> U D = U F und I D = I F für U D > 0Vund U D = U R und I D = I R für U D < 0V.In Sperrrichtung ist der differentielle Widerstand r R sehr hoch und es gilt:r R >> r F2.2.9. ERSATZSCHALTBILD EINER DIODE.In der Praxis genügt oft ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Diode, das obige Kennlinie erzeugt:AU S r F DK+ -P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 34

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Dies kann mit den Elementen ideale Diode D, Widerstand r F und Spannungsquelle U S realisiert werden.I DGeSir F0,3V 0,7VU DDer exponentielle Anstieg wird durch eine Gerade mit der Steigung r F ersetzt. Gezeigt sind im Bild Modellefür eine Silizium- und eine Germaniumdiode.2.2.10. WEITERE VEREINFACHUNGEN.Falls der Widerstand r F vernachlässigt werden kann, ergibt sich ein noch einfacheres Modell. Hier wird nurdie Schwellspannung U S berücksichtigt.I DU SU DDas entsprechende Modell ist im nachstehenden Bild gezeigt.AU SDK+ -P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 35

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Bei grossen Spannungen kann sogar die Schwellspannung U S vernachlässigt werden, so dass das Modellnoch einfacher wird.I DU DDie Diode wird als ideale Diode betrachtet und hat diese Eigenschaft.ADKDieses Modell kommt z.B. bei Netzgleichrichtern zum Einsatz._____________________________________________________________________________________Verständnisfragen:1. Was ist die Ursache für die Diffusionsspannung?2. Welcher Zone entspricht die Anode?3. In welcher Grössenordnung liegt die Breite der Diffusionsschicht in Sperrrichtung?4. Was ist der Unterschied zwischen den Widerständen R F und r F ?_____________________________________________________________________________________P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 36

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.3. ANWENDUNGEN VON HALBLEITERDIODEN_____________________________________________________________________________________Ziel dieses Kapitels: Die Funktionsweise von Schaltungen mit einzelnen Dioden, und Schaltungen mit mehreren Dioden verstehen lernen.Schlüsselworte:Gleichrichter, Zweiweggleichrichter, Brückengleichrichter, Graetzgleichrichter, Spitzengleichrichter._____________________________________________________________________________________2.3.1. EINFACHSTE GLEICHRICHTERSCHALTUNGFolgende Schaltung soll analysiert werden:AKU DU 0 sintR LU LGemäss Maschenregel (2. Kirchhoffscher Satz) gilt:U 0 sint + U D + U L = 0VDie Diode sei ideal, dann gilt:a) in Durchlassrichtung (U 0 sint > 0V)AKU DU 0 sintR LU LU L = U 0 sint; U D = 0VP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 37

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________b) in Sperrrichtung (U 0 sint < 0V)AKU DU 0 sintR LU LU L = 0V; U D = -U 0 sintEs ergeben sich folgende Spannungen:a) GeneratorspannungU 0/2 3/2t-U 0b) Spannung u L Strom i LU 0I 0/2 3/22t/2 3/22t-U 0-I 0U L = U 0 sint für U 0 sint > 0Vi L = I 0 sint für U 0 sint > 0Vund U L = 0V für U 0 sint < 0V i L = 0A für U 0 sint < 0V.c) Spannung über der DiodeU 0/2 3/2t-U 0P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 38

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.3.2. SPITZENWERTGLEICHRICHTERSCHALTUNG MIT RC LASTDie folgende Schaltung zeigt einen sog. Spitzengleichrichter mit RC-LastRAKU q =U 0 sintU DCR LU LDer Kondensator C dient als Energiespeicher und liefert Energie während der Phase, wo die Diode sperrt.Während dieser Zeit wird der Kondensator über R L entladen. R L entspricht dem angeschlossenenVerbraucher. Soll die Entladung klein sein, muss ein grosser Wert für C gewählt werden. Der KondensatorC wird immer dann aufgeladen, wenn die Spannung der Quelle U q > U L ist.Für die Phase, wo die Diode leitet gilt:R qU DU q =U 0 sint R L U LCFür die Phase, wo die Diode sperrt, gilt:R qU DU q =U 0 sint R L U LCP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 39

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Die entsprechenden Spannungen und Ströme sind nachstehend gezeigt.U 0SimBem. Während der Phase I leitet die Diode U AK >0, während der Phase II sperrt sie U AK >0Die maximale Spitzenspannung U DSP über der Diode beträgt:UDSP max 2U 0Der maximale Einschaltstrom beträgt ca.IDStossU0RqDiese beiden Grössen sind zu berücksichtigen bei der Wahl der Diode.P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 40

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.3.3. ZWEIWEGGLEICHRICHTER MIT RC LASTDie folgende Schaltung zeigt einen sog. Zweiweggleichrichter mit RC-LastV1-325/325VT1230/2x10VD1Rq1 1N5406+C1RLu q1 = Û q1 sintu q2 = Û q2 sintÛ q2 = Û q150 HzRq2D21N5406SimDie entsprechenden Ströme und Spannungen sind nachstehend abgebildet.SimJede Diode leitet während einer Halbperiode. Die Zeit des Wiederaufladens des Kondensators beträgt10ms, was einer Frequenz von 100Hz entspricht. Die maximale Spitzenspannung U DSPmax der Diodenbeträgt:UDSPmax 2 Û qP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 41

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Andere Variante mit nur einer Transformatorwicklung:V1-325/325V50 Hzu qT11TO10u q'D 1D 4D 2D 3+C1RLu RLSimu q' = Û q' sintDie maximale Spitzenspannung U DSPmax einer Diode beträgt:U Û 0'DSPmax2.3.4. NETZTEIL MIT POS. UND NEG. SPANNUNG MIT DIODENBRÜCKED1V1-325/325V50 HzT1230/2x10Vu qu q1D2D3++C1C2RL1RL2U 1U 2u q2D4SimP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 42

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.3.5. SPANNUNGSVERDOPPLERSCHALTUNGEs ist mit untenstehender Schaltung möglich, eine Spannungsverdoppelung zu erzielen, ohneentsprechend hohe Spannungen der Quelle.V1-10/10VCku CD2Rq210kHzU qRq1u 1CLRLu LD1u q =Û 0 sintSimC K Koppelkondensator, C L SpeicherkondensatorOhne Belastung (R L = ) beträgt die Spannung am Ausgang U L =2Û.2.3.6. ELEKTRISCHE GRENZWERTE VON GLEICHRICHTERDIODENIm folgenden werden die wichtigsten Grenzwerte einer Diode behandelt. Dies sind Grenzwerte, die nichtüberschritten werden dürfen, ansonsten wird die Diode zerstört.2.3.6.1. V RM (rep) auch V RRM (Maximum repetitive peak reverse voltage).Die maximale Spitzensperrspannung ist definiert als kurzzeitig zugelassener Wert der Sperrspannung,wobei wiederholende Spitzen zugelassen sind. Wird dieser Wert überschritten, so sind thermischeÜberlastung des Kristalls die Folge, die zur Zerstörung der Diode führen. Die Verlustleistung inSperrrichtung für Gleichstrom berechnet sich wie folgt:P REV = V RM (rep) I RM .P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 43

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.3.6.2. V R Reverse VoltageDies ist die zulässige maximale Gleichspannung ohne überlagerte Spitzen, weder wiederholend nocheinmalig.2.3.6.3. V RM (nonrep) (V RSM ), Maximum Reverse nonrepetitiv peak VoltageDies ist die zulässige maximale einmalige Spitzenspannung in Sperrrichtung.2.3.6.4. I 0 , maximaler mittlerer DurchlassstromDies ist der zulässige maximale Mittelwert des Stromes durch die Diode. Dies ist der Wert, der mit einemDC Meter gemessen wird.2.3.6.5. I FM (rep) auch (I FRM ) Maximum Repetitiv Forward currentDies ist der maximal zugelassene wiederholende Strom in Durchlassrichtung. Dieser Strom ist imZusammenhang mit Ladekondensatoren besonders zu beachten.2.3.6.6. I FM (surge) auch (I FSM ) Maximum Surge Forward currentEinmaliger Stossstrom unter bestimmten Bedingungen die dem Datenblatt zu entnehmen sind. Speziell beiLadekondensatoren wichtig.2.3.6.7. Verlustleistung in DurchlassrichtungDie Verlustleistung für Gleichstrom lässt sich wie folgt berechnen.P V = I F U F (Durchlassrichtung)Wird vereinfachtes Diodenmodell verwendet, so errechnet sie sich wie folgt:AU S r F DK+ -U F = U S + (r F I)und damitP V = (U S + (r F I)) IP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 44

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Für nicht gleichstromartige Spannungen und Ströme müssen die Funktionen der Zeit zur Berechnungverwendet werden.uF ( t) US rF iF( t)und für die Verlustleistung p V (t) gilt:p V ( t) US iF ( t) rF i 2F ( t)Für den Mittelwert der Verlustleistung P V gilt:PV1TT0pVU(t)dt TTSiF0rF(t)dt TT2iF0(t) dtBeispiel:Gesucht ist die Verlustleistung P V für folgende StromformI DI 0T 1tTT = PeriodendauerPVUTt1SI00rF(t)dt Tt12I00(t) dtUTSI0 t1rFT20I t1t 12 (USI0 rFI0) .TP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 45

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Verständnisfragen:1. Wie verläuft der Strom in Funktion der Zeit bei Schaltung Seite 37?2. Wie berechnet sich sein Spitzenwert?3. Was ist der Unterschied der Stromform von Schaltung Seite 39 gegenüber jener von Seite 37?4. Warum ist die Spannung U DSPmax ~2U q ?5. Wie ist die Polarität des Kondensators C K der Spannungsverdopplerschaltung Seite 43?6. Was passiert, wenn die Spannung V R überschritten wird?7. Was passiert, wenn der Strom I FM (rep) überschritten wird?_____________________________________________________________________________________P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 46

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.4. WÄRMELEITUNGSMODELL_____________________________________________________________________________________Ziel dieses Kapitels: Analogie zwischen einem Wärmekreis und einem elektrischen Kreis kennen lernen. Dimensionieren eines Kühlkörpers beherrschen lernen.Schlüsselworte:Wärmewiderstand, Konstantstromquelle, Kühlkörper_____________________________________________________________________________________2.4.1. EINLEITUNGBei Dioden, die bei grossen Strömen betrieben werden, können grosse Leistungen umgesetzt werden.Dies führt zu entsprechend grosser Wärmeentwicklung im Halbleiterkristall. Man steht also vor demProblem, die im Halbleiter entwickelte Wärme abzuführen. Dies geschieht meistens mit Hilfe einesKühlkörpers. Der Kühlkörper ist so zu dimensionieren, dass der Halbleiterkristall des Halbleiterelementesdie Grenztemperatur von ca. 175 °C bei Silizium nicht übersteigt. Das untenstehende Modell zeigt eineAnalogie zwischen dem thermischen Kreis und einem entsprechenden elektrischen Kreis. Mit diesemModell kann auf einfache Weise die Wärmeproblematik beherrscht werden.2.4.2. DAS WÄRMELEITUNGSMODELLTABELLE ZUM WÄRMELEITUNGSMODELLANALOGIEWÄRME SYMBOL EINHEITENELEKTRISCHE GRÖSSENVerlustleistungPWattKonstantstromquelleTemperaturzunahme T °CSpannungsanstiegWärmewiderstand °C/WWiderstandWärmekapazität c Ws/°CKapazität (Kondensator)P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 47

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________WÄRMELEITUNGSMODELLGehäuseKristallVerlustleistungKristalltemperaturT JT GIsolator JGGehäusetemperaturKühlkörpertemperatur T K GK KUT KT GT JT UKühlkörperUmgebungstemperaturT U JU= JG+ GK+ KUAbsoluter Nullpunkt; 0°KT JKristalltemperaturT GGehäusetemperaturT KT UKühlkörpertemperaturUmgebungstemperaturHier gilt Leistung x Wärmewiderstand = Temperaturänderung, oder, wenn man die Kristalltemperaturberechnen will:T J = P JG + P GK + P KU + T UT J = P( JG + GK + KU ) + T Uwobei auch für den Gesamtwärmewiderstand JU geschrieben werden kann: JU = JG + GK + KUP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 48

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Hierbei gilt: JU = Totaler Wärmewiderstand (Junction-Umgebung) JG = Kristall-Gehäuse Wärmewiderstand GK = Gehäuse-Kühlkörper Wärmewiderstand KU = Kühlkörper-Umgebung WärmewiderstandFür die Kristalltemperatur gilt also:T J = P JU + T UBeispiel:P = 10 Watt (maximale Verlustleistung) GK = 0.4 °C/W (Glimmerplättchen)Totaler JG = 2.4 °C/W (50W Gehäuse)T Jmax = 175°CT U = 50°C KU =(175 50) 0.4 2.4 9.7C / W10Das heisst für obige Anforderungen muss ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 9.7°C/Wgewählt werden._____________________________________________________________________________________Verständnisfragen:1. Was bedeutet der thermische Widerstand?2. Nach welchen Kriterien wird ein Kühlkörper ausgewählt?3. Welche Eigenschaften hat eine Stromquelle?_____________________________________________________________________________________P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 49

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.5. SPEZIELLE DIODEN_____________________________________________________________________________________Ziel dieses Kapitels: Kennen lernen von Spezialdioden für verschiedenste Anwendungen. Verstehen lernen, wie Spezialdioden einzusetzen sind.Schlüsselworte:Zenerdiode, Kapazitätsdiode, Schottkydiode, Photodiode, LED._____________________________________________________________________________________2.5.1. DIE ZENERDIODEDiese Diode wird in Sperrrichtung im Durchbruchgebiet betrieben. Sie werden hauptsächlich zurSpannungsstabilisierung eingesetzt. Die Spannungen reichen von einigen Volt bis ca. 200 Volt. Weiter gibtes Zenerdioden für verschiedenste Leistungen von 500mW bis einige Watt. Die in der Diode umgesetzteLeistung beträgt:P V = I Z U ZSymbol:AKLeistungshyperbelDie maximale Verlustleistung wird durch die Leistungshyperbel, wie in Bild oben begrenzt.P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 50

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Zwischen Null und ca. 5Volt ist der Temperaturkoeffizient negativ. Über 6 Volt ist er positiv. Bei 6V ist erpraktisch 0V/K.Zenerdioden werden in der Regel zur Spannungsstabilisierung eingesetzt.Anwendungsbeispiel:U i +/-U iRV+UE18V-D1IKI ZI LRLU D =U ZR V VorwiderstandR L Lastwiderstand(I Z fliesst in Sperrrichtung!)Am oberen Knoten gilt:SimI = I Z + I LÜber R V liegt die SpannungU RV = U i - U ZBem: Es ist besonders darauf zu achten, dass, falls I L = 0, I Z = I ist, die Zenerdiode maximal belastet wird.Der differentielle Widerstand r diff od. r Z berechnet sich wie folgt:U ZI Zminr Z =r diffUIZZI ZmaxI ZP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 51

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Verständnisfragen:1. Was ist die typische Anwendung einer Zenerdiode?2. Was bedeutet die Leistungshyperbel?3. Warum muss der Minimalstrom durch eine Zenerdiode beachtet werden?_____________________________________________________________________________________2.5.2. DIE KAPAZITÄTSDIODEDer PN-Übergang besitzt eine kleine Kapazität, wenn die Diode in Sperrrichtung gepolt ist. Je nachangelegter Spannung ist die Diffusionsschicht schmaler oder breiter und damit auch diese kleine Kapazität.Diesen Effekt nützt man bei der sog. Kapazitätsdiode aus, die so einen spannungsabhängigenKondensator darstellt. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Kapazität berechnet sich wie folgt:C0C U1 URdiffwobeiC 0 = Kapazität für Si bei U R = 0VU diff = Diffusionsspannung für Si bei Zimmertemperatur ~ 0.6 V = Zahl, vom Halbleitermaterial abhängiger Exponent 1/6 ½Symbol:Anwendungsbeispiel:C14.7pFV1-100m/100mV1MHzL1100uHC2100pFC310nF100kR2D1BBY40+-UR1VU R (Steuerspannung)Bem: Die Kapazitätsdiode wird in Sperrrichtung betrieben.SimP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 52

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Solche Kapazitätsdioden, auch als Varactor bezeichnet, finden Anwendung in Oszillatorschaltungen allerArt. So werden sie z.B. eingesetzt zum Abstimmen einerResonanzfrequenz wie bei Radio und Fernsehtunern, oderzur automatischen Frequenzabstimmung (AFC), oderzur Frequenzmodulation.Die Kapazität einer solchen Diode in Funktion der Spannung sieht etwa folgendermassen aus:Falls für eine Anwendung mehrere Kreise abgestimmt werden müssen, so sind gepaarte Kapazitätsdiodenzu verwenden._____________________________________________________________________________________Verständnisfragen:1. Auf welchem Effekt beruht die Kapazitätsdiode?2. Wie wird die Kapazitätsdiode auch noch genannt?3. Wie gross ist etwa der Kapazitätsbereich einer Kapazitätsdiode?_____________________________________________________________________________________P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 53

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.5.3. DIE SCHOTTKY-DIODEUm einen PN-Übergang zu verwirklichen, kann auch ein Halbleitermaterial mit einem Metall kombiniertwerden. Der Aufbau sieht etwa folgendermassen aus:AnodeSymbol:KathodeEine Diode mit einem solchen Aufbau hat folgende Eigenschaften:- sie reagiert äusserst rasch beim Umpolen, dh. kurze Schaltzeiten- niedrige Schwellspannung ~0.4V- relativ kleine Sperrspannung (

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.5.4. DIE FOTO-DIODEWird ein PN-Übergang von Licht bestrahlt, so lösen die Photonen des Lichtes, wenn sie energiereichgenug sind, Elektronen aus dem Atomverband des Kristallgitters heraus. Es werden Elektronen-Lochpaaregebildet. Diesen Vorgang nennt man innerer Fotoeffekt. Wird ein PN-Übergang, also eine Diode für diesenZweck eingesetzt, so nennt man sie Fotodiode. Sie wird in Sperrrichtung betrieben. Ohne Licht fliesst nurein äusserst kleiner Sperrstrom. Erfolgt Bestrahlung im oben genannten Sinn, so erhöht sich der Strommarkant. Die Abhängigkeit dieses Sperrstromes von der Lichtintensität ist sehr linear über mehrereDekaden. Die Energie eines Photons beträgt:E = h, der Impuls p = h/c = mc und die Energie E = pc = mc 2 .wobei:bedeuten.h, die Planksche Konstante, die Frequenz des Lichtesp, der Impuls des Photonsm, die Masse des Photons undc, die LichtgeschwindigkeitDer Aufbau einer Fotodiode sieht folgendermassen aus:Aufbau einer Silizium-Planar-FotodiodeSymbolSchema für den Betrieb einer Fotodiode:U R- +R LU LP. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 55

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Die zugehörige Kennlinie zeigt folgende Grafik:I(A)10 010 -110 -210 -310 -1 10 0 10 1 10 2 10 3E VE V = Beleuchtungsstärke, [E V ] = lm/m 2 = lxBeispiele:Arbeitsplatzbeleuchtung ca. 700 - 1000 lxTageslicht ca. 3’000 - 7’000 lx._____________________________________________________________________________________Verständnisfragen:1. Wie beeinflusst das Licht ein PN-Übergang?2. Wie wird eine Fotodiode betrieben?3. Wie ist der Zusammenhang zwischen Licht und Strom durch die Diode?_____________________________________________________________________________________2.5.5. DIE LUMINESZENZDIODE LEDEin PN-Übergang kann auch Licht emittieren, wenn das geeignete Material und die entsprechendenDimensionen gewählt werden. Als Material werden Galliumarsenid (Ga AS), oder Galliumarsenidphosphid(Ga As P) und andere verwendet. Liegt Spannung in Durchlassrichtung an, so emittiert sie Licht. DieWellenlänge reicht inzwischen von blau bis infrarot. Mit blau lässt sich auch die Farbe weiss realisieren.P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 56

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________Der Aufbau einer LED sieht folgendermassen aus:Das Licht wird durch die Elektronen und die Löcher des elektrischen Stromes durch die sog.Rekombination am PN-Übergang erzeugt. Die Lichtquanten, also die Photonen, durchdringen die sehrdünne (ca. 1.5m) Halbleiterschicht und gelangen als sichtbares Licht nach draussen. Die Kennlinienähneln jenen gewöhnlicher Dioden. Die Schwellspannungen sind aber deutlich höher. Sie liegen bei ca.1.5V für Infrarotdioden, bei 2,2V bei rot und ca. 4V für blaue LED. Dies sind nur ungefähre Werte!Anwendungen sind:- punktförmige Leuchtanzeigen- Siebensegmentanzeigen für Zahlendarstellung.- Anordnungen in Matrixform für div. Darstellungen- 16 Segment Anzeigen für alphanumerische Darstellungen.Als Sonderausführungen gibt es auch LED’s, die mit Zwei verschiedenen Kristallen bestückt sind undantiparallel geschaltet sind. Mit diesen lassen sich zwei Farben mit nur einer LED darstellen._____________________________________________________________________________________Verständnisfragen:1. Wie entsteht Licht in einer LED?2. Welche Farben gibt es?3. Kann man grafische Darstellungen realisieren mit LED’s?_____________________________________________________________________________________P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 57

Berner Fachhochschule, TI FACHBEREICH MIKROTECHNIK_____________________________________________________________________________________2.5.6. DER OPTOKOPPLERKombiniert man eine Fotodiode mit einer LED, so erhält man einen sog. Optokoppler. Allgemein bestehtein Optokoppler aus einer lichtemittierenden Quelle und einem lichtempfindlichen Empfänger. Mit einemOptokoppler lassen sich z. B. analoge oder digitale Signale übertragen. Ein Optokoppler dienthauptsächlich der galvanischen Trennung von Datenquelle und Empfängerschaltung, um Störungen durchPotentialunterschiede zu vermeiden.Als Lichtquelle kommen- Glühlampen,- LED,als Lichtempfängerin Frage.- Fotodioden,- Fototransistoren,- Fotowiderstände,- Fotozellen_____________________________________________________________________________________Verständnisfragen:1. Wozu ist ein Optokoppler nützlich?2. Welche Einschränkung gibt es bezüglich Übertragungsfrequenz speziell bei Verwendung einesFotowiderstandes?_____________________________________________________________________________________P. Walther, T. Kluter, 2010 ____________________________________________________________ 58