6. Halbleiterdioden - FB E+I: Home
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<strong>6.</strong> <strong>Halbleiterdioden</strong><br />
<strong>6.</strong>1 Halbleiteraufbau und -eigenschaften<br />
Ein Gebiet, in dem ein P-Leiter und ein N-Leiter flächig aneinander grenzen, bezeichnet man als<br />
PN-Übergang. Ein PN-Übergang stellt eine Halbleiterdiode dar.<br />
PN-Übergang ohne äußere Spannung<br />
Am PN-Übergang dringen die Elektronen des N-Leiters durch ihre thermischen Bewegungen in<br />
den P-Leiter und umgekehrt Löcher des P-Leiters in den N-Leiter ein. Diesen Vorgang bezeichnet<br />
man als Diffusion.<br />
Die Elektronen und Löcher rekombinieren beiderseits des PN-Übergangs in einer sehr hochohmigen<br />
Grenzschicht G, so dass die Ladungsträgerdichten nn und np etwa der Eigenleitungsdichte<br />
ni entsprechen. Bei gleichem Dotierungsgrad für Donatoren und Akzeptoren bildet sich ein<br />
symmetrischer PN-Übergang aus.<br />
PN-Übergang<br />
P - Zone N - Zone<br />
P-Zone N-Zone<br />
ρ<br />
G<br />
Donator-Ion Loch<br />
ϕ<br />
Akzeptor-Ion Elektron<br />
Grenzschicht beim PN-Übergang<br />
In der Grenzschicht überwiegen die Ionenladungen,<br />
x<br />
so dass sich im N-Leiter eine positive Raumladung<br />
und im P-Leiter eine negative Raumladung<br />
ausbilden. Der Quotient aus Raumladung und<br />
UD G<br />
Volumen wird als Raumladungsdichte ρ bezeichnet. Diffusionsspannung UD an einer<br />
Grenzschicht<br />
Die elektrische Feldstärke E in Längsrichtung ergibt sich aus der Raumladung ρ.<br />
x<br />
dϕ<br />
1<br />
E = − = ⋅ ρ ⋅ dx<br />
dx ε ∫ (<strong>6.</strong>1)<br />
a<br />
Das Potential ϕ bezogen auf das rechte Ende der N-Zone wird nach Gl. <strong>6.</strong>2 berechnet.<br />
b<br />
ϕ = ∫ E ⋅ dx<br />
(<strong>6.</strong>2)<br />
x<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 50<br />
a<br />
E<br />
x<br />
x<br />
b
Die an der Grenzschicht G auftretende Potentialdifferenz wird Diffusionsspannung UD genannt.<br />
Diese Spannung lässt sich an den äußeren Anschlüssen nicht messen, da sie in gleicher Größe an<br />
den Grenzschichten Metall-Halbleiter mit umgekehrter Polarität auftritt.<br />
Bei Metallen wird diese Spannung auch Kontaktspannung genannt, die bei Temperaturunterschieden<br />
der Kontaktstellen als Thermospannung messbar wird (Thermoeffekt).<br />
Das elektrische Feld in der Grenzschicht wirkt der Diffusion der Majoritätsträger entgegen. Die<br />
Grenzschicht ist einige µm breit; die Feldstärke beträgt einige kV/cm.<br />
Die Diffusionsspannung hängt vom Dotierungsgrad, von der Temperatur und von der Halbleiterart<br />
ab. Die Diffusionsspannung UD kann, wenn für die N-Zone die Majoritätsträgerdichte<br />
(Elektronen) nn, für die P-Zone die Majoritätsträgerdichte (Löcher) np und die Eigenleitungsdichte<br />
ni des Halbleiters bekannt sind, nach Gl. <strong>6.</strong>3 berechnet werden.<br />
⎛ nn<br />
⋅ np<br />
⎞<br />
k ⋅ T<br />
UD = − UT<br />
⋅ ln ⎜ ⎟<br />
⎜<br />
mit UT<br />
=<br />
2<br />
n ⎟<br />
(<strong>6.</strong>3)<br />
⎝ i ⎠<br />
e<br />
Temperaturspannung UT, Temperatur T,<br />
Elementarladung e = 1,6 · 10 -19 As,<br />
Boltzmannkonstante k = 1,38 · 10 -23 Ws/K.<br />
Bei Zimmertemperatur und normaler Dotierung beträgt die Diffusionsspannung UD ≈ 0,3 V bei<br />
Germanium und UD ≈ 0,6 V bei Silizium.<br />
PN-Übergang an äußerer Spannung in Sperrrichtung<br />
Wird der Pluspol einer Spannungsquelle mit der N-Zone und der Minuspol mit der P-Zone des<br />
Halbleiters verbunden, so haben die äußere Spannung U und die Diffusionsspannung UD den gleichen<br />
Richtungssinn. Die beweglichen Ladungsträger werden durch das äußere elektrische Feld<br />
von den Rändern der Grenzschicht abgezogen. Die Raumladungszonen verbreitern sich durch<br />
eine äußerer Spannung in Sperrrichtung. Im äußeren Stromkreis fließt der kleine Sperrstrom IS.<br />
U<br />
P-Zone N-Zone<br />
Verbreiterung der Grenzschicht an einem in Sperrrichtung gepolten PN-Übergang<br />
Der Sperrstrom entsteht durch die in der Grenzschicht in geringer Anzahl vorhandenen<br />
Minoritätsträger, die vom elektrischen Feld über den PN-Übergang hinwegbewegt werden.<br />
Bei konstanter Temperatur erreicht der Sperrstrom einen Sättigungswert, d.h. er ist von U nahezu<br />
unabhängig. Im praktischen Betrieb erwärmt sich die Sperrschicht mit steigender Spannung, so<br />
dass der Sperrstrom mit U ansteigt.<br />
Die Sperrstromdichte JS bei Zimmertemperatur liegt für Germanium bei JS ≈ 0,2 mA/cm 2 und für<br />
Silizium bei JS ≈ 0,002 mA/cm 2 UD UD + U<br />
. Bei Germanium sind Sperrschicht-Temperaturen von 70 ... 85°C<br />
zulässig; Silizium darf bis 200°C betrieben werden.<br />
Die Grenzschicht mit ihrer sehr geringen Leitfähigkeit liegt zwischen den gut leitenden Zonen (P-<br />
Zone, N-Zone). Sie bildet das Dielektrikum eines Kondensators. Die Kapazität der Sperrschicht<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 51<br />
I S
CS kann näherungsweise aus der Dicke d der Grenzschicht, der Übergangsfläche A und der<br />
Dielektrizitätszahl ε berechnet werden.<br />
ε ⋅ A<br />
CS =<br />
mit d = d0<br />
⋅<br />
d<br />
Die Dicke d0 der Grenzschicht bei Zimmertemperatur ohne äußere Spannung beträgt für Silizium<br />
bei sehr hohen Dotierungen rd. 0,1 µm und rd. 100 µm bei sehr niedrigen Dotierungen (εr ≈ 12 bei<br />
Silizium).<br />
Bei <strong>Halbleiterdioden</strong> für sehr hohe Sperrspannungen werden die leitenden Zonen hoch dotiert<br />
(gute Leitfähigkeit) und in der Nähe des PN-Überganges wird mit einer niedrigen Dotierung eine<br />
breite Grenzschicht (niedrige elektrische Feldstärke) erzielt.<br />
Bei Überschreiten einer bestimmten Spannung tritt - fast unabhängig von der Temperatur - eine<br />
plötzliche, starke Zunahme des Sperrstromes auf.<br />
Bei hoch dotiertem Halbleitermaterial (dünne Sperrschicht d = 0,1 ... 0,2 µm) kann die elektrische<br />
Feldstärke dort so hohe Werte erreichen, dass Elektronen aus den Gitteratomen ausgelöst werden,<br />
die die Sperrschicht abbauen. Die Diode wird leitend. Dieser Effekt heißt Zenereffekt (Zener-<br />
Durchbruchspannung ≤ 6,5 V).<br />
Bei schwach dotiertem Halbleitermaterial (breite Sperrschicht) können die Ladungsträger dort so<br />
stark beschleunigt werden, dass sie beim Zusammenstoß mit Gitteratomen weitere Ladungsträger<br />
herausschlagen. Sie verursachen damit ein lawinenartiges Anwachsen des Sperrstromes. Diesen<br />
Effekt nennt man Avalanche-Effekt (Avalanche-Durchbruchspannung ≥ 4,5 V).<br />
Wird der Strom nach Überschreiten der Durchbruchspannung so begrenzt, dass die Stromwärme<br />
in der Sperrschicht keine Zerstörung der Kristallstruktur hervorruft, dann sind die<br />
Durchbruchvorgänge reversibel. Die Grenzschicht ist nach Unterschreiten der Durchbruchspannung<br />
wiederhergestellt.<br />
Wird der Pluspol einer Spannungsquelle mit der P-Zone und der Minuspol mit der N-Zone des<br />
Halbleiters verbunden, so liegt die äußere Spannung U in Gegenrichtung zur Diffusionsspannung<br />
UD.<br />
I<br />
1+<br />
U<br />
U<br />
D<br />
U<br />
P-Zone N-Zone<br />
U D<br />
U D + U<br />
PN-Übergang an äußerer Spannung in Durchlassrichtung<br />
(<strong>6.</strong>4)<br />
Verkleinerung der Grenzschicht an einem in Durchlassrichtung gepolten PN-Übergang<br />
Frei bewegliche Ladungsträger werden durch das äußere Feld in die Grenzschicht hineingetrieben,<br />
wodurch die Raumladung teilweise abgebaut wird. Die Grenzschicht wird schmaler.<br />
Die elektrische Feldstärke zwischen den Raumladungsgebieten wird kleiner und damit die Potentialdifferenz<br />
an der Grenzschicht geringer.<br />
Bei U = UD ist die Grenzschicht vollständig abgebaut.<br />
Bei U ≤ UD werden Elektronen aus der N-Zone und Löcher aus der P-Zone von der äußeren<br />
Spannung über den PN-Übergang getrieben und rekombinieren beiderseits des PN-Übergangs. In<br />
der P-Zone fließt dabei ein Löcherstrom, in der N-Zone ein Elektronenstrom.<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 52
Löcherstrom Elektronenstrom<br />
Rekombinationszone<br />
In Durchlassrichtung gepolter PN-Übergang mit abgebauter Grenzschicht<br />
Nach dem Abbau der Grenzschicht besitzt der Halbleiter nur noch den geringen Bahnwiderstand.<br />
Es fließt der Durchlassstrom, der im Wesentlichen durch den äußeren Widerstand R bestimmt<br />
wird.<br />
Im Durchlassbereich der Diode lässt sich die Strom-Spannungskennlinie iD = f{u} näherungsweise<br />
durch die modifizierte Shockley-Formel beschreiben:<br />
u<br />
m ⋅ U<br />
k ⋅ T<br />
iD = IS<br />
⋅ (e T −1)<br />
mit UT<br />
=<br />
(<strong>6.</strong>5)<br />
e<br />
Der Sperrstrom IS ist ähnlich wie die Eigenleitfähigkeit σe (Gl. 5.11) stark temperaturabhängig.<br />
Der Emissionskoeffizient (Korrekturfaktor) m liegt im Bereich 1 ≤ m ≤ 2.<br />
Bei realen Dioden muss die äußere Spannung uD noch den Spannungsfall Rb · iD in den neutralen<br />
Zonen und an den Kontakten des Halbleiters decken.<br />
uD<br />
⎛ i ⎞<br />
= R ⋅ i + m ⋅ U ⋅ ln ⎜<br />
⎜1+<br />
D<br />
b D T ⎟<br />
⎝ IS<br />
⎠<br />
(<strong>6.</strong>6)<br />
In vielen Schaltungen kann die Strom-Spannungskennlinie im Durchlassbereich der Halbleiterdiode<br />
durch die Näherung nach Gl. <strong>6.</strong>7 angegeben werden.<br />
u = R ⋅ i +<br />
(<strong>6.</strong>7)<br />
D b D UD<br />
In Datenblättern wird der Bahnwiderstand Rb häufig als konstanter, differentieller Widerstand rF<br />
und die Diffusionsspannung UD als Schleusenspannung UT0 bezeichnet.<br />
Mit steigender Temperatur sinkt die Schleusenspannung der Halbleiterdiode und gleichzeitig<br />
verkleinert sich der Durchlasswiderstand geringfügig.<br />
<strong>6.</strong>2 Bauarten von <strong>Halbleiterdioden</strong><br />
Flächendioden<br />
Bei Flächendioden erstreckt sich der pn-Übergang über eine größere Fläche. Sie wird als<br />
diffundierte Flächendiode oder als Planardiode hergestellt.<br />
AnodenanschlussSiliziumdioxid<br />
Anode<br />
Anode<br />
P<br />
N<br />
I<br />
P-Zone N-Zone<br />
Kathodenanschluss<br />
Kathode<br />
Kathode<br />
Planar-Flächendiode im Schnitt Schaltzeichen der Diode Gehäuseformen<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 53<br />
U<br />
R
Flächendioden sind meist Si-Dioden. Sie können große Stromstärken vertragen und haben höhere<br />
Sperrspannungen als entsprechende Ge-Dioden. Je größer die Sperrschichtfläche einer Flächendiode,<br />
desto größer ist ihre Sperrschichtkapazität. Flächendioden mit großer Sperrschichtkapazität<br />
sind nicht für HF-Anwendungen geeignet.<br />
Die Schaltzeiten von Flächendioden wachsen mit der Sperrschichtkapazität. Mit Hilfe der<br />
Planartechnik können heute Flächendioden mit kleiner Sperrschichtfläche und sehr kurzen<br />
Schaltzeiten hergestellt werden. Die sehr widerstandsfähige und gasdichte Siliziumdioxidschicht<br />
(SiO2) schützt den fertig dotierten Halbleiter.<br />
Spitzendioden<br />
Spitzendioden und ihre Sonderbauform, die Golddrahtdiode, werden meist als Germaniumdioden<br />
gebaut.<br />
Auf ein kleines n-leitendes Germaniumkristall wird ein spitzer Draht aufgesetzt und mit dem<br />
Kristall verschweißt. Der Draht enthält als Legierungsbestandteile geeignete Akzeptoratome.<br />
Während des Schweißvorganges dringen diese in das Germaniumkristall ein und erzeugen eine<br />
sehr winzige p-leitende Zone (rd. 50 µm Durchmesser).<br />
Ge<br />
Anode<br />
Kathode<br />
Metalldraht Ge-Halbleiter Glasgehäuse<br />
Spitze<br />
Spitzendiode im Schnitt Kristallausschnitt<br />
Aus der kleinen Fläche des pn-Überganges folgt eine sehr kleine Sperrschichtkapazität<br />
(CS ≈ 0,2 pF). Spitzendioden sind deshalb für Hochfrequenz sehr gut geeignet.<br />
Die Golddrahtdiode ist eine Sonderform der Spitzendiode. Der Golddraht wird stumpf auf das<br />
stark dotierte Kristall geschweißt (Durchmesser der Sperrschichtfläche ≈ 100 µm). Der Durchlasswiderstand<br />
ist besonders gering.<br />
Leistungsdioden<br />
Leistungsdioden sind heute nahezu ausschließlich Siliziumdioden. Sie werden für sehr hohe<br />
Sperrspannungen (Stoßspitzensperrspannung URSM > 5 kV) und sehr große Durchlassströme<br />
(periodischer Spitzenstrom IFRM > 5 kA) gebaut.<br />
Das eigentliche Halbleiterelement ist eine dünne (0,2 mm - 0,4 mm), einkristalline Siliziumscheibe<br />
mit einer Fläche von 1 mm 2 bis 70 cm 2 , die durch Diffusionsprozesse eine N-Zone und<br />
eine P-Zone erhält.<br />
Durch Anbringen metallischer Kontakte - die eine Seite durch Legieren auf eine rd. 1 mm starke<br />
Molybdän- oder Wolfram-Trägerplatte und die andere Seite durch Aufdampfen von Aluminium<br />
oder Silber - entsteht eine Halbleitertablette.<br />
Bei großen Leistungen wird die Halbleitertablette in zweiseitig kühlbare Scheibenzellen<br />
eingesetzt und bei kleinen und mittleren Leistungen in Kompaktbausteinen (Powerblock) elektrisch<br />
isoliert (Metalloxidschicht mit guter Wärmeleitfähigkeit) eingebaut. Mehrere <strong>Halbleiterdioden</strong><br />
in einem Gehäuse sind hier zu einer Gleichrich-<br />
~<br />
~<br />
~<br />
B2-Schaltung B6-Schaltung<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 54<br />
P<br />
N<br />
terschaltung (B2-Schaltung für Wechselspannung,<br />
B6-Schaltung für Drehspannung) verschaltet. Die<br />
Montage von Kompaktbausteinen auf einem Kühlkörper<br />
ist einfach.
Da die Wärmekapazität des Halbleiterkristalls relativ klein ist, muss durch ausreichende Kühlung<br />
(Kühlkörper, Ventilation der Kühlluft) eine thermische Überlastung (sonst Zerstörung) vermieden<br />
werden.<br />
Si-Dioden Ge-Dioden Brückengleichrichter (B2, B6)<br />
Kennwerte und Grenzwerte<br />
Die Hersteller von <strong>Halbleiterdioden</strong> geben Datenblätter heraus. In diesen Datenblättern sind die<br />
Daten und Kennlinien der <strong>Halbleiterdioden</strong> genau beschrieben. Bei den Daten ist zwischen<br />
Grenzwerten und Kennwerten zu unterscheiden.<br />
Grenzwerte sind Werte, die der Anwender nicht überschreiten darf, ohne eine sofortige<br />
Zerstörung des Bauelementes zu riskieren.<br />
Kennwerte sind Werte, die Eigenschaften des Bauelementes im Betriebsbereich (typische Werte,<br />
Nennwerte, Garantiewerte) beschreiben.<br />
Wichtige Grenzwerte:<br />
- Spitzensperrspannung URM (höchster Augenblickswert der Spannung an der Diode in<br />
Sperrrichtung),<br />
- Richtstrom IFAV (höchster arithmetischer Mittelwert des Diodenstromes),<br />
- Durchlassstrom IFRMS (maximaler Durchlassstrom bei ϑj, echter Effektivwert),<br />
- Periodischer Spitzenstrom IFRM (größter zulässiger Spitzenstrom, der periodisch wiederkehren<br />
darf),<br />
- Stoßstrom-Grenzwert IFSM (Höchstwert eines einzelnen Stromimpulses, meistens ϑj = 25°C),<br />
- Verlustleistung Ptot (größte zulässige Gesamtleistung),<br />
- Sperrschichttemperatur ϑj (größte zulässige Temperatur des Kristalls im Bereich der Sperrschicht).<br />
Wichtige Kennwerte:<br />
- Durchlassspannung UF (bei bestimmtem Durchlassstrom),<br />
- Sperrstrom IR (bei bestimmter Sperrspannung und Temperatur),<br />
- Sperrschichtkapazität CS, Cj (bei bestimmter Sperrspannung),<br />
- Sperrverzögerung trr (unter bestimmten Bedingungen),<br />
- Wärmewiderstand Rth (Sperrschicht - Gehäuse - Kühlkörper - umgebende Luft).<br />
Vorwärtskennlinie IF = f{UF}<br />
Die Vorwärtskennlinie wird auch als Durchlasskennlinie bezeichnet. Sie stellt den Vorwärtsstrom<br />
IF in Abhängigkeit von der Vorwärtsspannung UF dar. Die Vorwärtskennlinie ist temperaturabhängig.<br />
Bei höheren Temperaturen nimmt die Vorwärtsspannung ab (Ge rd. 1,5 mV/K und Si rd.<br />
2,5 mV/K).<br />
Der Gleichstromwiderstand in Vorwärtsrichtung rF ist abhängig vom Vorwärtsstrom IF. Bei<br />
steigendem Vorwärtsstrom verringert sich rF. Unterhalb der Schleusenspannung U(T0) ist rF sehr<br />
hoch.<br />
r F =<br />
UF<br />
I<br />
(<strong>6.</strong>8)<br />
F<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 55
I F<br />
50<br />
40<br />
mA<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 0,2 0,4 0,6<br />
UF / V<br />
0,8 1,0<br />
Vorwärtskennlinie bei verschiedenen<br />
Sperrschichttemperaturen<br />
Der differentielle Widerstand in Vorwärtsrichtung<br />
rf kennzeichnet die Steilheit in einem bestimmten<br />
Punkt der Vorwärtskennlinie (Tangente im<br />
Arbeitspunkt). Eine gleichbleibende Sperrschichttemperatur<br />
ϑj wird vorausgesetzt. Der<br />
differentielle Widerstand rf ist stets kleiner als der<br />
Gleichstromwiderstand in Vorwärtsrichtung rF.<br />
dU F<br />
rf<br />
= (im Arbeitspunkt)<br />
(<strong>6.</strong>9)<br />
dI<br />
F<br />
Der differentielle Widerstand rf wird bei der Kleinsignalaussteuerung der Kleinsignalwiderstand<br />
im Arbeitspunkt.<br />
Rückwärtskennlinie IR = f{UR}<br />
Der Rückwärtsstrom (Sperrstrom) IR ist stark temperaturabhängig. Eine Temperaturzunahme von<br />
∆ϑj ≈ 7 K bewirkt eine Verdoppelung des Rückwärtsstromes. Bei Germaniumdioden ist IR bei<br />
gegebener Sperrschichttemperatur ϑj um den Faktor ≈ 10 3 höher als bei vergleichbaren<br />
Siliziumtypen. Der Gleichstromwiderstand in Rückwärtsrichtung rR ist besonders bei Si-Dioden<br />
hochohmig.<br />
U<br />
r R<br />
R =<br />
(<strong>6.</strong>10)<br />
I<br />
R<br />
ϑj = 100°C<br />
ϑj = 25°C<br />
Kleinsignalkapazität Ctot<br />
Nach DIN 41853 ist Ctot die Kapazität, die bei einem festgelegten Arbeitspunkt auf der Rückwärtskennlinie<br />
und kleiner Aussteuerung zwischen den Anschlüssen der Diode gemessen wird.<br />
Die Kleinsignalkapazität Ctot setzt sich aus der Sperrschichtkapazität Cj und Streukapazitäten<br />
zwischen den Anschlussleitungen und dem Gehäuse zusammen. Die Sperrschichtkapazität ist<br />
abhängig von der angelegten Rückwärtsspannung.<br />
Schaltverhalten<br />
Das Schaltverhalten von <strong>Halbleiterdioden</strong> wird durch den Durchlassverzug und einen Sperrverzug<br />
gekennzeichnet.<br />
- Beim Einschalten vergeht eine sehr kurze Zeit (Durchlassverzug), ehe der Durchlassstrom<br />
fließt, weil zuerst Ladungsträger aus den hochdotierten Zonen in den PN-Übergang injiziert<br />
werden müssen. Diese Verzögerung wird bei Schaltungsberechnungen häufig vernachlässigt.<br />
- Beim Ausschalten einer Halbleiterdiode erlischt der Strom nicht im Nulldurchgang, sondern<br />
fließt zunächst in negativer Richtung weiter, bis der PN-Übergang von Ladungsträgern frei ist<br />
und Sperrspannung übernommen werden kann. Der Sperrstrom hat einen Spitzenwert iRRM<br />
und klingt nach Ablauf der Spannungsnachlaufzeit ts schnell ab.<br />
Im Stromkreis vorhandene Induktivitäten führen zu einer Überspannung uRM, die nach Ablauf der<br />
Rückstromfallzeit tf auf die Sperrspannung UR abklingt. Die im Bild schraffierte Fläche ist die<br />
Nachlaufladung Qs. Sie wird neben der Rückstromspitze iRRM und der Sperrverzugszeit trr zur<br />
Beschreibung des Sperrverzuges verwendet. Die Größen iRRM, trr und Qs sind abhängig von der<br />
Sperrschichttemperatur ϑj, vom Durchlassstrom iF und von der Stromsteilheit diF/dt.<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 56
u<br />
i<br />
0<br />
0<br />
Abschalten einer Diode<br />
Verlustleistung P<br />
Die Verlustleistung P einer Halbleiterdiode setzt sich zusammen aus den Durchlassverlusten in<br />
Vorwärtsrichtung, den Sperrverlusten in Rückwärtsrichtung und den Umschaltverlusten. Die<br />
Umschaltverluste treten im Wesentlichen während der Sperrverzögerungszeit trr auf; sie sind nur<br />
bei hohen Frequenzen von Bedeutung. Die Sperrverluste können meistens vernachlässigt werden.<br />
Die Durchlassverluste P werden aus dem zeitlichen Verlauf der Leistung p{t} berechnet.<br />
T<br />
T<br />
P F<br />
0<br />
0<br />
1<br />
1<br />
= ⋅ p{<br />
t}<br />
⋅ dt = ⋅ uF<br />
⋅ i ⋅ dt<br />
T ∫ T ∫<br />
(<strong>6.</strong>11)<br />
Für die Durchlassspannung uF gilt näherungsweise:<br />
u = U + r ⋅ i<br />
(<strong>6.</strong>12)<br />
F<br />
i F in A<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0<br />
i F<br />
( T0)<br />
f<br />
F<br />
i RRM<br />
ts<br />
trr<br />
uRM<br />
tf<br />
duR/dt<br />
0,25 · iRRM<br />
0,9 · iRRM<br />
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1<br />
U (T0)<br />
uF in V<br />
Vorwärtskennlinie einer<br />
Halbleiterdiode<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 57<br />
t<br />
t<br />
uR
Nach Gl. <strong>6.</strong>11 und Gl. <strong>6.</strong>12 werden die Durchlassverluste P näherungsweise berechnet.<br />
T<br />
1<br />
2<br />
P = ⋅∫ ( U(<br />
T0)<br />
+ rf<br />
⋅i<br />
F ) ⋅i<br />
F ⋅ dt = U(<br />
T0)<br />
⋅ IFAV<br />
+ rf<br />
⋅ IFeff<br />
(<strong>6.</strong>13)<br />
T<br />
0<br />
Wärmewiderstand Rth und thermische Ersatzschaltung<br />
Die Wärme durch die Verlustleistung P der Halbleiterdiode wird über den Wärmewiderstand Rth<br />
an die Umgebungsluft abgeführt.<br />
Bei Halbleitern wird als Temperatur der Wärmequelle die Sperrschichttemperatur ϑj eingesetzt;<br />
die Temperatur der Umgebungsluft wird ϑa genannt. Bei freihängender Anordnung (z.B. Montage<br />
auf einer Leiterplatte ohne Kühlkörper) kann die Verlustleistung P ≤ 2 W über den Wärme-<br />
widerstand Sperrschicht-Umgebungsluft RthJA abgeführt werden.<br />
ϑj<br />
− ϑa<br />
P =<br />
R<br />
thJA<br />
Umgebungsluft<br />
Wärmewiderstand der freihängenden Anordnung<br />
Halbleiter für größere Leistungen werden auf einen Kühlkörper montiert, da die Wärmeableitung<br />
unmittelbar vom Gehäuse des Bauelementes an die Umgebungsluft nicht ausreicht. Die<br />
abstrahlende Oberfläche wird durch den Kühlkörper vergrößert.<br />
Es sind die drei Wärme-<br />
ϑj<br />
P widerstände zu berücksichti-<br />
tot<br />
gen:<br />
Wärmewiderstand bei Kühlkörpermontage<br />
(<strong>6.</strong>14)<br />
RthJC Sperrschicht-Gehäuse,<br />
RthCK Gehäuse-Kühlkörper<br />
(Wärmeleitpaste, bei isolierter<br />
Montage Glimmerscheibe),<br />
RthKA Kühlkörper-Umgebungsluft.<br />
Für den Gesamtwärmewiderstand RthJA gilt:<br />
R thJA = R thJC + R thCK + R thKA<br />
(<strong>6.</strong>15)<br />
Bei Kühlkörpermontage kann die Verlustleistung P nach Gl. <strong>6.</strong>16 abgeführt werden.<br />
P =<br />
R<br />
ϑj<br />
− ϑa<br />
+ R + R<br />
(<strong>6.</strong>16)<br />
thJC<br />
thCK<br />
Sperrschicht<br />
thKA<br />
R thJC<br />
R thCK<br />
Wärmeableitung<br />
an die Umgebungsluft<br />
Wärmeableitung von der<br />
Gehäuseoberfläche an die<br />
Umgebungsluft<br />
R thKA<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 58<br />
ϑa<br />
ϑj<br />
P tot<br />
R thJC<br />
R thCK<br />
R thKA<br />
R thJA<br />
ϑa
Der Wärmewiderstand von Kühlkörpern<br />
RthKA wird in K/W angegeben. Bei Profilkühlkörpern<br />
bezieht sich der Listenwert auf<br />
50-mm-Abschnitte.<br />
Der Wärmewiderstand RthKA für quadratische,<br />
blanke und senkrecht freistehende<br />
Aluminiumbleche kann der nachfolgenden<br />
Abbildung entnommen werden.<br />
Bei waagrechter Montage muss die ermittelte<br />
Fläche um 30 % größer sein, bei geschwärzten<br />
Blechen kann die Fläche 30 %<br />
kleiner sein.<br />
Wärmewiderstand von<br />
Aluminiumblechen, Kantenlänge<br />
quadratischer, blanker Bleche bei<br />
senkrechter Anordnung<br />
<strong>Halbleiterdioden</strong> im Schaltkreis<br />
Ist ein Netzwerk bis auf ein Bauelement (z.B. eine Diode) linear, so wird für die übrige Schaltung<br />
die lineare Ersatzspannungsquelle oder die lineare Ersatzstromquelle berechnet.<br />
Für die Reihenschaltung aus linearer Ersatzspannungsquelle und Diode gilt:<br />
U0 − UF1<br />
− IF1<br />
⋅ R1<br />
= 0<br />
(<strong>6.</strong>17)<br />
Die Spannungsaufteilung erfolgt graphisch. Zur Konstruktion der Widerstandskennlinie ist neben<br />
der Leerlaufspannung U0 der Kurzschlussstrom Ik = U0/R1 der Ersatzspannungsquelle erforderlich.<br />
R 1<br />
I F1<br />
U 0<br />
U F1<br />
I F<br />
I k<br />
I F1<br />
0 0<br />
Ersatzspannungsquelle und Halbleiterdiode, graphische Ermittlung des Vorwärtsstromes<br />
und der Teilspannungen<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 59<br />
U F1<br />
U F<br />
U 0
Auszüge aus den Datenblättern der Silizium-Epitaxial-Planar-Diode 1N 4148<br />
Anwendungen: Extrem schnelle Schalter<br />
Vergleichstypen: 1N 4149, 1N 4449, 1N 914, 1N 916<br />
Abmessungen in mm:<br />
Kathode 1,9<br />
0,55<br />
26 3,9 26<br />
Absolute Grenzdaten (Absolute maximum ratings):<br />
- Periodische Spitzensperrspannung (Repetitive peak reverse voltage) URRM = 100 V<br />
- Sperrspannung (Reverse voltage) UR = 75 V<br />
- Stoßdurchlassstrom (Surge forward current, tP ≤ 1 µs) IFSM = 2000 mA<br />
- Periodischer Durchlassspitzenstrom (Repetitive peak forward current) IFRM = 450 mA<br />
- Durchlassstrom (Forward current) IF = 200 mA<br />
- Durchlassstrom, Mittelwert (Average forward current, UR = 0) IFAV = 150 mA<br />
- Verlustleistung (power dissipation, l = 4 mm) bei ϑa = 45°C PV = 440 mW<br />
bei ϑa ≤ 25°C PV = 500 mW<br />
- Sperrschichttemperatur (Junction temperature) ϑj = 200°C<br />
- Lagerungstemperaturbereich (Storage temperature range)<br />
Wärmewiderstand (Thermal resistance)<br />
ϑstg = -65 ... +200°C<br />
- Sperrschicht - Umgebung (Junction - ambient, l = 4 mm) RthJA = 350 K/W<br />
Kenngrößen (Characteristics, ϑj = 25°C) Min. Typ Max.<br />
- Durchlassspannung (Forward voltage, IF = 10 mA) UF 0,72 V 1,0 V<br />
- Sperrstrom (Reverse current) bei UR = 20 V IR 25 nA<br />
bei UR = 20 V, ϑj = 150°C IR 50 µA<br />
bei UR = 75 V IR 5 µA<br />
- Durchbruchspannung (Breakdown voltage, IR = 100 µA) U(BR) 100 V<br />
- Diodenkapazität (Diode capacitance) CD<br />
(UR = 0, f = 100 MHz, UHF = 50 mV)<br />
- Richtwirkungsgrad (Rectification efficiency) ηr 45 %<br />
(f = 100 MHz, UHF = 2 V)<br />
- Rückwärtserholzeit (Reverse recovery time) trr 8 ns<br />
U F<br />
V<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0 -20<br />
I F = 100 mA<br />
10 mA<br />
1 mA<br />
0,1 mA<br />
0 20 40 60<br />
ϑj / °C<br />
80 100<br />
Normgehäuse nach DIN 41880<br />
DO 35<br />
m < 0,15 g<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 60<br />
2 pF<br />
Vorwärtsspannung UF der Si-Diode<br />
1N 4148 in Abhängigkeit<br />
der Sperrschichttemperatur ϑj bei<br />
verschiedenen Vorwärtsströmen
1000<br />
I F<br />
100<br />
mA<br />
10<br />
1<br />
Streugrenze<br />
0,1<br />
0 0,5 1,0 1,5<br />
UF / V<br />
1000<br />
26 6,4 26<br />
Kunststoffgehäuse<br />
DO 7<br />
m < 0,5 g<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 61<br />
I R<br />
nA<br />
100<br />
10<br />
Streugrenze<br />
1<br />
1 10 100<br />
UR / V<br />
Vorwärtskennlinie IF = f{UF} Rückwärtskennlinie IR = f{UR}<br />
der Si-Diode 1N 4148 bei tj = 25°C der Si-Diode 1N 4148 bei tj = 25°C<br />
Auszüge aus den Datenblättern der Silizium-Diffusions-Dioden 1N 4001 ... 1N 4007<br />
Anwendungen: Gleichrichter<br />
Abmessungen in mm:<br />
Kathode 3,1<br />
0,9<br />
Absolute Grenzdaten (Absolute maximum ratings):<br />
- Sperrspannung, Periodische Spitzensperrspannung 1N 4001 UR = URRM = 50 V<br />
(Reverse voltage, Repetitive peak reverse voltage) 1N 4002 UR = URRM = 100 V<br />
1N 4003 UR = URRM = 200 V<br />
1N 4004 UR = URRM = 400 V<br />
1N 4005 UR = URRM = 600 V<br />
1N 4006 UR = URRM = 800 V<br />
1N 4007 UR = URRM = 1000 V<br />
- Stoßdurchlassstrom (Surge forward current, tP ≤ 1 µs) IFSM = 50 A<br />
- Durchlassstrom, Mittelwert (Average forward current, UR = 0) IFAV = 1 A<br />
- Sperrschichttemperatur (Junction temperature) ϑj = 175°C<br />
- Lagerungstemperaturbereich (Storage temperature range)<br />
Wärmewiderstand (Thermal resistance)<br />
ϑstg = -65 ... +175°C<br />
- Sperrschicht - Umgebung (Junction - ambient, l = 25 mm) RthJA = 85 K/W<br />
Kenngrößen (Characteristics, ϑj = 25°C) Min. Typ Max.<br />
- Durchlassspannung (Forward voltage, IF = 1 A) UF 0,95 V 1,1 V<br />
- Sperrstrom (Reverse current) bei UR = URRM IR 60 nA 10 µA<br />
UR = URRM, ϑj = 100°C IR 5 µA 50 µA
I R<br />
µA<br />
10<br />
1<br />
0,1<br />
0,01<br />
0 20 40 60 80 100<br />
UR / URRM in %<br />
i F<br />
A<br />
0,1<br />
ϑJ = 100°C<br />
ϑJ = 25°C<br />
0,01<br />
0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6<br />
uF / V<br />
10<br />
C j<br />
pF<br />
10<br />
1<br />
ϑJ = 25°C<br />
Pulsbreite =300 µs<br />
1% Lastspiel<br />
ϑJ = 25°C<br />
f = 1 MHz<br />
u ~ = 50 mV p-p<br />
1<br />
0,1 1 10 100<br />
UR / V<br />
Sperrstrom IR der Si-Dioden<br />
1N 4001 .... 1N 4007 in<br />
Abhängigkeit der relativen<br />
Spitzensperrspannung<br />
UR / URRM<br />
Augenblickswert des Durchlassstromes<br />
iF der Si-Dioden<br />
1N 4001 .... 1N 4007 in Abhängigkeit<br />
des Augenblickswertes der<br />
Durchlassspannung uF<br />
Sperrschichtkapazität Cj der<br />
Si-Dioden 1N 4001 .... 1N 4007<br />
in Abhängigkeit der<br />
Sperrspannung UR<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 62
<strong>6.</strong>3 Zenerdioden<br />
Z-Dioden sind besonders dotierte Si-Dioden. Sie werden in Sperrrichtung bei der Zenerspannung<br />
UZ0 niederohmig. Im Durchlassbereich verhalten sie sich wie normale Si-Dioden. Der<br />
niederohmige Zustand in Sperrrichtung wird durch zwei Effekte hervorgerufen, durch den<br />
Zenereffekt und durch den Lawineneffekt. Durch entsprechende Dotierung werden Z-Dioden mit<br />
Zenerspannungen von 2 V bis 600 V hergestellt.<br />
Zenereffekt<br />
Die Sperrspannung verursacht in der Sperrschicht der Z-Diode eine hohe elektrische Feldstärke.<br />
Bei einer Feldstärke von rd. 20 V/µm werden auf die Elektronen im Kristallgitter so große Kräfte<br />
ausgeübt, dass Elektronen aus den Kristallbindungen herausgerissen werden. Gleichzeitig entstehen<br />
Löcher, die sich wie positive Ladungsträger verhalten. Die Sperrschicht enthält freie<br />
Ladungsträger und ist damit leitfähig.<br />
Der Zenerdurchbruch ist temperaturabhängig; je mehr die Atome durch Wärmeeinfluss<br />
schwingen, um so kleiner ist die Durchbruchspannung (negativer Temperaturbeiwert).<br />
Bei Z-Dioden mit einer Zenerspannung UZ0 ≤ 5 V wird die sehr schmale Grenzschicht (hohe<br />
Dotierung) aufgrund des Zenereffekts leitfähig.<br />
Lawineneffekt<br />
Die Ladungsträger des geringen Sperrstromes und die durch den Zenereffekt freigemachten<br />
Elektronen werden durch das elektrische Feld stark beschleunigt. Durch ihre große Energie<br />
können sie andere Elektronen aus ihren Kristallbindungen schlagen. Die Zahl der Elektronen<br />
steigt lawinenartig an. Die Sperrschicht ist jetzt mit freien Ladungsträgern überschwemmt und<br />
damit niederohmig. Dieser Lawineneffekt wird auch Avalanche-Effekt genannt. Im Prinzip ist es<br />
eine Stoßionisation im Inneren des Kristalls. Der Lawineneffekt wird bei Z-Dioden mit einer<br />
Zenerspannung UZ0 ≥ 5 V wirksam.<br />
Durchbruchverhalten und Regeneration der Sperrschicht<br />
Bei Zenerdioden überlagern sich Zenereffekt und Lawineneffekt besonders im Bereich<br />
5 V ≤ UZ0 ≤ 15 V. Man spricht von einem Z-Durchbruch der Sperrschicht.<br />
Nach dem Z-Durchbruch ist eine Begrenzung des Stromes unbedingt erforderlich, da sonst die Z-<br />
Diode zerstört wird. Sinkt die Spannung unter den Wert von UZ0, so werden keine Ladungsträger<br />
mehr freigesetzt. Die Sperrschichtzone verarmt an Ladungsträgern. Noch vorhandene freie<br />
Elektronen rekombinieren.<br />
Vom Hersteller wird ein höchstzulässiger Strom IZmax und eine höchstzulässige Verlustleistung<br />
Ptot angeben.<br />
Zener-Dioden BZX 55 (0,7 W) und BZX 85 (1,3 W)<br />
Kennlinien, Kennwerte, Grenzwerte<br />
Die Kennlinie einer Z-Diode in Sperrrichtung besteht aus dem Sperrbereich, dem Knickbereich<br />
und dem Stabilisierungsbereich (Durchbruchsbereich). Der Arbeitspunkt der Zenerdiode liegt im<br />
Stabilisierungsbereich. Die Nennspannung der Zenerdiode UZN (auch Zenerkennspannung UZK<br />
genannt) wird bei einem bestimmten Strom IZ (meist 5 mA) angegeben. Diese Spannung liegt<br />
geringfügig über der Spannung UZ0, bei der der Durchbruch beginnt.<br />
Aus dem Anstieg der Durchbruchskennlinie erhält man den differentiellen Widerstand rZ.<br />
dU<br />
r Z<br />
Z =<br />
(<strong>6.</strong>18)<br />
dI<br />
Z<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 63
Die Durchbruchskennlinien von Z-Dioden mit Zenerspannungen 6 V ≤ U ≤ 8 V verlaufen besonders<br />
steil. Ihr differentieller Widerstand rZ ist sehr klein.<br />
Z-Dioden mit der Nennspannung UZN ≤ 6 V besitzen einen negativen Temperaturkoeffizient αZ,<br />
da der Durchbruch vorwiegend durch den Zenereffekt erfolgt.<br />
Bei Z-Dioden mit der Nennspannung 6 V < UZN < 8 V ist der Temperaturkoeffizient αZ ≈ 0, da<br />
der Durchbruch durch Zener- und Lawineneffekt gemeinsam erfolgt. Z-Dioden mit der<br />
Nennspannung UZN ≥ 8 V besitzen einen positiven Temperaturkoeffizient αZ, da der Durchbruch<br />
vorwiegend durch den Lawineneffekt erfolgt.<br />
Der Betrag der Verschiebung von UZN beträgt:<br />
∆ U = U ⋅ α ⋅ ∆ϑ<br />
(<strong>6.</strong>19)<br />
ZN<br />
ZN<br />
Z<br />
U Z / V<br />
10<br />
UZN 5<br />
∆UZN Betrag der Verschiebung von UZN<br />
IZ = f{UZ} 20 IZ mA<br />
30<br />
Schaltzeichen<br />
der Z-Diode<br />
Vorwärts- und Rückwärtskennlinie der Z-Diode<br />
j<br />
I F<br />
mA<br />
UZN Zenerspannung bei 25°C (IZ = 5 mA)<br />
αZ Temperaturkoeffizient<br />
∆ϑj Temperaturerhöhung der Sperrschicht über 25°C<br />
Die Verlustleistung Ptot ergibt sich aus der anliegenden Diodenspannung UZ und dem fließenden<br />
Strom IZ.<br />
Ptot = UZ<br />
⋅ IZ<br />
(<strong>6.</strong>20)<br />
Kennwerte der Z-Diode:<br />
rZ Differentieller Widerstand<br />
Nennzenerspannung<br />
UZN<br />
αZ Temperaturkoeffizient (auch TKZ)<br />
RthJA Wärmewiderstand (Sperrschicht-Umgebungsluft)<br />
Grenzwerte der Z-Diode:<br />
IZmax Höchstzulässiger Strom<br />
Ptot Höchstzulässige Verlustleistung<br />
ϑj Maximale Sperrschichttemperatur<br />
20<br />
10<br />
0,5 1<br />
(Messstrom)<br />
UF / V<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 64<br />
I Zmess<br />
10<br />
I F = f{U F}
Z-Dioden im Schaltkreis<br />
Z-Dioden eignen sich hervorragend zur Spannungsstabilisierung. Außerdem benutzt man Z-<br />
Dioden als Begrenzerdioden.<br />
~<br />
=<br />
U i<br />
R 1<br />
Spannungsstabilisierung mit einer Z-Diode<br />
Für die Dimensionierung der Spannungsstabilisierung muss der kleinste Strom IZmin der<br />
Zenerdiode und der größte Strom IZmax berechnet werden.<br />
IZ min =<br />
Ui<br />
min − UZ<br />
U<br />
− Z<br />
R1<br />
R2<br />
min<br />
(<strong>6.</strong>21)<br />
IZ max =<br />
Ui<br />
max − UZ<br />
U<br />
− Z<br />
R1<br />
R2<br />
max<br />
(<strong>6.</strong>22)<br />
Auszüge aus den Datenblättern der Silizium-Epitaxial-Planar-Z-Dioden BZX 85/C ...<br />
Anwendungen: Spannungsstabilisierung<br />
Abmessungen in mm: Kathode 2,5<br />
0,85<br />
26 4,1 26<br />
Absolute Grenzdaten (Absolute maximum ratings):<br />
- Verlustleistung (power dissipation, l = 4 mm) bei ϑa = 25°C PV = 1,3 W<br />
- Sperrschichttemperatur (Junction temperature) ϑj = 175°C<br />
- Lagerungstemperaturbereich (Storage temperature range) ϑstg = -65 ... +175°C<br />
Wärmewiderstand (Thermal resistance)<br />
- Sperrschicht - Umgebung (Junction - ambient, l = 4 mm) RthJA = 110 K/W<br />
Kenngrößen (Characteristics, ϑj = 25°C) Min. Typ Max.<br />
- Durchlassspannung (Forward voltage, IF = 200 mA) UF 1,0 V<br />
Typ UZ/ V TKUZ rzj bei IZ rzj bei IZ IR bei UR<br />
10 -4 /K Ω mA Ω mA µA V<br />
BZX 85/C 2V7 2,5 ... 2,9 -8 ... –5
P tot<br />
W<br />
2,0<br />
1,6<br />
1,2<br />
0,8<br />
0,4<br />
l l<br />
l = 4 mm<br />
10 mm<br />
20 mm<br />
0<br />
-50 0 50 100<br />
ϑa / °C<br />
150 200<br />
Gesamtverlustleistung der BZX 85/C... Wärmewiderstand der BZX 85/C...<br />
in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur in Abhängigkeit der Drahtlänge<br />
1000<br />
C j<br />
pF<br />
300<br />
100<br />
30<br />
f = 1 MHz<br />
ϑa = 25°C<br />
U R = 0 V<br />
2 V<br />
5 V<br />
20 V<br />
10<br />
0 10 20 30<br />
30 V<br />
40 50<br />
UZ / V<br />
60<br />
R Zj<br />
Ω<br />
Sperrschichtkapazität der BZX 85/C... Differentieller Widerstand der BZX 85/C...<br />
in Abhängigkeit der Zenerspannung in Abhängigkeit der Zenerspannung<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 66<br />
300<br />
100<br />
30<br />
10<br />
3<br />
R thJA<br />
200<br />
160<br />
K/W<br />
120<br />
80<br />
40<br />
I Z = 1 mA<br />
l l<br />
ϑL = konstant<br />
0<br />
0 5 10 15<br />
l / mm<br />
20 25<br />
2 mA<br />
5 mA<br />
10 mA<br />
20 mA<br />
1<br />
1 3 10 30 100<br />
UZ / V
<strong>6.</strong>4 Spezielle Dioden<br />
Kapazitätsdioden<br />
Kapazitätsdioden werden aus Silizium oder Galliumarsenid hergestellt. Ihre Kapazität lässt sich<br />
mit der Rückwärtsspannung verändern. Sie wird vorwiegend zur Abstimmung von HF-Schwingkreisen<br />
eingesetzt.<br />
Die Gesamtkapazität der Diode CD setzt sich aus der Sperrschichtkapazität Cj (siehe Cs in Gl. <strong>6.</strong>4)<br />
und der Gehäusekapazität Cs (parasitäre Gehäusekapazität) zusammen.<br />
Der Parallelwiderstand rj ist der differentielle Sperrschichtwiderstand (abhängig von UR). Der<br />
Serienwiderstand rs besteht aus dem eigentlichen Halbleiterwiderstand (Halbleiterbahnwiderstand<br />
und Widerstand der Anschlüsse). Bei sehr hohen Frequenzen muss auch die Streuinduktivität Ls<br />
berücksichtigt werden.<br />
Q<br />
=<br />
1<br />
tan<br />
Schaltzeichen<br />
und Ersatzschaltbild der<br />
Kapazitätsdiode<br />
Die Güte Q, die der Kehrwert des<br />
Verlustfaktors tanδ ist, nimmt mit<br />
steigender Sperrschichttemperatur ab und<br />
mit steigender Sperrspannung zu.<br />
Auszüge aus den Datenblättern der Silizium-Planar-Kapazitäts-Zweifachdiode BB 204<br />
Anwendungen: Abstimmung von zwei getrennten Schwingkreisen und Gegentaktschaltungen<br />
im UKW-Bereich<br />
Abmessungen<br />
in mm:<br />
Kathode Anode<br />
r s<br />
1<br />
=<br />
δ 2π<br />
⋅ f ⋅ C<br />
A 2<br />
K<br />
A 1<br />
D ⋅ rs<br />
4,2<br />
r j<br />
C j<br />
C s<br />
2,54<br />
5,2<br />
5,2<br />
L s<br />
2<br />
(<strong>6.</strong>23)<br />
12,4<br />
Absolute Grenzdaten (Absolute maximum ratings):<br />
- Sperrspannung (Reverse voltage) UR = 30 V<br />
- Durchlassstrom (Forward current) IF = 100 mA<br />
- Lagerungstemperaturbereich (Storage temperature range) ϑstg = -65 ... +150°C<br />
Kenngrößen (Characteristics, ϑj = 25°C) Min. Typ Max.<br />
- Sperrstrom (Reverse current) bei UR = 30 V IR 50 nA<br />
- Durchbruchspannung (Breakdown voltage, IR = 10 µA) U(BR) 32 V<br />
- Diodenkapazität (Diode capacitance), grün (green)<br />
(UR = 3 V, f = 1 MHz) blau (blue)<br />
CD<br />
CD<br />
34 pF<br />
37 pF<br />
39 pF<br />
42 pF<br />
(UR = 30 V, f = 1 MHz)<br />
- Kapazitätsverhältnis (Capacitance ratio)<br />
(f = 100 MHz, CD (3 V) / CD (30 V))<br />
CD<br />
CD 2,5<br />
14 pF<br />
2,65 2,8<br />
- Serienwiderstand (Serial resistance)<br />
(CD = 38 pF, f = 100 MHz)<br />
rs 0,3 Ω 0,4 Ω<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 67<br />
0,5<br />
Kunststoffgehäuse nach DIN 41868<br />
T0 92<br />
m < 0,2 g
C D<br />
pF<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
BB 204 grün<br />
ϑj = 25°C<br />
f = 1 MHz<br />
0<br />
0,1 1 10 100<br />
UR / V<br />
Kapazität CD der Kapazitäts-<br />
Zweifachdiode BB 204 in Abhängigkeit<br />
der Sperrspannung<br />
Tunneldiode<br />
Tunneldioden sind Germaniumdioden mit extrem starker Dotierung. Die durch Ladungsträgerdiffusion<br />
entstehende Sperrschicht ist wegen der hohen Dotierung extrem dünn, so dass sie von<br />
Elektronen ab eines bestimmten Energiezustandes durchlaufen werden kann.<br />
Gipfelstrom<br />
Talstrom<br />
U R<br />
I F<br />
I P<br />
I V<br />
BB 204 blau<br />
I R<br />
Tunneleffekt<br />
Gipfelpunkt<br />
U P<br />
Gipfelspannung<br />
AP<br />
Vorwärtskennlinie der Tunneldiode<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 68<br />
∆U<br />
∆I<br />
U V<br />
Talspannung<br />
Diodenkennlinie<br />
U F
Wird an die Tunneldiode in Durchlassrichtung eine Spannung UF = 10 mV angelegt, so fließt ein<br />
Strom, obwohl die Sperrschicht noch nicht abgebaut ist. Die Sperrschicht wird von den<br />
Elektronen „durchtunnelt“.<br />
Schaltzeichen der Tunneldiode<br />
Anode Kathode<br />
Gipfelpunkt P (65 mV ≤ Up ≤ 110 mV, IP) und Talpunkt V (UV ≈ 300 mV, IV) kennzeichnen eine<br />
Tunneldiode. Im Bereich von P bis V ist der differentielle Widerstand rj, auch RN genannt,<br />
negativ. Da die Sperrschicht der Tunneldiode sehr dünn ist, tritt der Zenerdurchbruch schon bei<br />
sehr kleinen Spannungswerten auf. Sie hat somit praktisch keinen Sperrzustand. Für die Tunneldiode<br />
gilt die Ersatzschaltung der Kapazitätsdiode entsprechend.<br />
Werden Tunneldioden im negativen Widerstandsbereich betrieben, so wirken sie wie aktive<br />
Bauelemente. Mit ihnen können Verstärkerstufen und Oszillatoren bis in den Gigahertzbereich<br />
aufgebaut werden.<br />
Backwarddioden sind spezielle Germanium-Tunneldioden. Aufgrund ihrer besonderen Dotierung<br />
und eines abgewandelten Aufbaues zeigen sie nur ein geringes Strommaximum. Backwarddioden<br />
können kleinste Wechselspannungen auch bei höchsten technisch genutzten Frequenzen gleichrichten.<br />
Suppressor-Diode<br />
Die Suppressor-Diode ist in Aufbau und Wirkungsweise mit der Z-Diode vergleichbar. Beide<br />
Dioden werden in Rückwärtsrichtung betrieben.<br />
Die Suppressor-Diode wird zur Begrenzung von Überspannungsspitzen eingesetzt. Hohe<br />
Impulsbelastbarkeit und Ansprechverhalten in wenigen Picosekunden sind ihre besonderen<br />
Merkmale.<br />
Schottky-Dioden<br />
Schottky-Dioden sind Metall-Halbleiter-Dioden. Eine Metallzone (Al, Mo, Ni) ist mit einer n-<br />
Silizium-Zone eng verbunden. Da die Elektronen im n-Silizium einen höheren Energiezustand<br />
haben als die Elektronen im Metall, wandern überwiegend Elektronen von der n-Silizium-Zone in<br />
die Metallzone. Durch die Ladungsträgerdiffusion entsteht eine Raumladungszone.<br />
PN-Übergang<br />
Anode<br />
Metallelektrode<br />
N +<br />
N<br />
Siliziumdioxid<br />
Silizium<br />
Bei einer bestimmten Breite der Raumladungszone<br />
stellt sich durch das elektrische Feld ein<br />
Gleichgewichtszustand ein. Die Kräfte des<br />
elektrischen Feldes verhindern ein weiteres<br />
Übertreten von Elektronen aus der n-Sizlizium-<br />
Zone in das Metall.<br />
Gehäuseboden, Kathode<br />
Schottky-Diode im Schnitt<br />
Polt man eine Schottky-Diode in Sperrrichtung (Kathode positiver als Anode), so wird die Raumladungszone<br />
verbreitert.<br />
Wird die Schottky-Diode in Durchlassrichtung (Anode positiver als Kathode) gepolt, so wird die<br />
Raumladungszone abgebaut. Elektronen, also nur Majoritätsträger, fließen von der n-Silizium-<br />
Zone in die Metallzone. Die bei Vorwärtspolung vom n-Silizium in das Metall injizierten<br />
Elektronen besitzen relativ viel Energie. Man bezeichnet sie deshalb als heiße Elektronen. Die<br />
Schottky-Diode wird deshalb auch "Hot-Carrier"-Diode (HCD) genannt.<br />
Die Schottky-Diode besitzt etwa die halbe Schleusenspannung einer pn-Diode gleicher<br />
Dotierungsstärke. Sie besitzt nämlich nur einen halben pn-Übergang; die etwa 0,3 nm dicke<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 69
Raumladungszone auf der Metallseite liefert praktisch keinen Beitrag zur Schleusenspannung<br />
(0,2 V ≤ U(T0) ≤ 0,5 V). Die Vorwärtsverluste sind gering.<br />
300<br />
Vorwärts- und Rückwärtskennlinie der Ge-Spitzendiode und der Schottky-Diode<br />
Der Übergang vom Durchlasszustand in den Sperrzustand erfolgt sehr rasch, da keine Minoritätsträger<br />
ausgeräumt werden müssen. Das Schalten vom Sperrzustand in den Durchlasszustand<br />
erfordert wenig Zeit, da die Sperrschicht sehr schnell abgebaut ist.<br />
Die Schottky-Diode ist eine extrem schnelle Schalterdiode. Typische Anwendungen sind:<br />
Samplingschaltungen, Begrenzer, Detektoren und Mischer bis in den Mikrowellenbereich.<br />
Das schlechte Sperrverhalten lässt sich durch einen p-Schutzring (Guardring) verbessern. Mit<br />
Guardring kann die Sperrspannung einige hundert Volt betragen. Soll die Speicherzeit durch den<br />
parallelen pn-Übergang nicht vergrößert werden, dann muss ein Metall (z.B. Mo) verwendet<br />
werden, das auf n- wie auf p-Material einen sperrenden Kontakt bildet. Der Schutzring ist dann<br />
bei jeder Polarität gesperrt.<br />
SiO 2<br />
50<br />
Metall<br />
n + -Si-Substrat<br />
UR / V<br />
40 30<br />
Schottky-<br />
Diode<br />
p p<br />
1,95 ... 2,20<br />
20 10<br />
Ge-Spitzendiode<br />
I R = f{U R}<br />
SiO 2<br />
n<br />
4,06 ... 4,57<br />
10<br />
IF mA<br />
5<br />
Guard-Ring<br />
Epi-Schicht<br />
100<br />
200<br />
I F = f{U F}<br />
Schottky-<br />
Diode<br />
Kunststoffgehäuse, D0-214AA, m = 0,093 g<br />
Schottky-Diode mit Schutzring<br />
Auszüge aus den Datenblättern der Niederspannungs-Schottky-Schutzdioden SL22 und<br />
SL23 für Oberflächenmontage<br />
Anwendungen: Niederspannungsgleichrichter für hohe Frequenzen, Verpolungsschutz<br />
Abmessungen in mm:<br />
0,152 ... 0,305<br />
3,30 ...3,94 2,13 ... 2,44<br />
0,5 1<br />
U F / V<br />
0,76 ... 1,52<br />
5,21 ... 5,59<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 70<br />
I R<br />
µA<br />
Ge-Spitzendiode<br />
0,203
Absolute Grenzdaten (Absolute maximum ratings): SL22 SL23<br />
- Periodische Spitzensperrspannung (Repetitive peak reverse voltage) URRM = 20 V 30 V<br />
- Sperrspannung (Reverse voltage) UR = 14 V 21 V<br />
- Stoßdurchlassstrom (Surge forward current) IFSM = 60 A<br />
- Durchlassstrom (Forward current) IF = 2 A<br />
- Sperrschichttemperatur (Junction temperature) ϑj = -55 ... +125°C<br />
- Lagerungstemperaturbereich (Storage temperature range) ϑstg = -55 ... +150°C<br />
Wärmewiderstand (Thermal resistance)<br />
- Sperrschicht - Umgebung (Junction - ambient) RthJA = 75 K/W<br />
Kenngrößen (Characteristics, ϑj = 25°C) Typ Max.<br />
- Durchlassspannung (Forward voltage, IF = 1,0 A, ϑj = 125°C) UF = 0,230 V 0,280 V<br />
(IF = 1,0 A, ϑj = 25°C) UF = 0,390 V 0,395 V<br />
(IF = 2,0 A, ϑj = 125°C) UF = 0,280 V 0,320 V<br />
(IF = 2,0 A, ϑj = 25°C) UF = 0,430 V 0,440 V<br />
- Sperrstrom (Reverse current) bei ϑj = 25°C IR 0,4 mA<br />
bei ϑj = 100°C IR 10 mA<br />
100<br />
I F<br />
10<br />
A<br />
1<br />
0,1<br />
ϑj = 125°C<br />
ϑj = 25°C<br />
0,01 0<br />
0 0,5 1,0 1,5 1 10 100<br />
UF / V<br />
Anzahl der Netzperioden<br />
Vorwärtskennlinie (IF = f{UF}) und Stoßdurchlassstrom IFSM in Abhängigkeit der<br />
Netzperioden der Schottky-Dioden SL22 und SL23<br />
1000<br />
C j<br />
pF<br />
300<br />
100<br />
0,1 0,3 1 3 10<br />
UR / V<br />
G. Schenke, 1.2008 Bauelemente der Elektrotechnik <strong>FB</strong> Technik, Abt. <strong>E+I</strong> 71<br />
I FSM<br />
A<br />
70<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
60 Hz<br />
50 Hz<br />
30 100<br />
Sperrschichtkapazität<br />
in Abhängigkeit der<br />
Sperrspannung<br />
(Cj = f{UR})<br />
der Schottky-Dioden<br />
SL22 und SL23