Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Elektronik 3       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

Elektronik 3

04 Diode

Prof. Dr. Jörg Vollrath


03 Halbleiter


Video der 4. Vorlesung


Länge: 00:42:10
0:0:0 Oszilloskop XY Diodenkennlinie

0:0:50 Oszilloskop Trigger

0:2:27 Strommessung mit Widerstand

0:4:9 Add XY

0:6:38 Mitschrift Notizen

0:7:42 Leuchtdiode

0:8:14 Eindimensionaler pn Übergang

0:11:34 Poissongleichung Ladungsträger, Feld und Potential

0:13:58 Transportgleichung, Kontinuitätsgleichung

0:14:56 Sperrschichtdicke

0:16:23 Diffusionsspannung

0:20:8 Beispiel Berechnung Diffusionsspannung und Sperrschichtdicke

0:22:18 Math Notepad zur Berechnung

0:26:5 k Boltzmannkonstante

0:27:15 Diffusionsspannung 0.6..1.1 V, Sperrschichtdicke

0:29:10 Höhere Dotierstoffkonzentration kleinere Raumladungszone

0:29:50 Raumladungszone mit externer Spannung

0:31:30 Animation Diodenverhalten Kennlinie, Ladungsträger

0:35:1 Diodengleichung und Kennlinie

0:37:20 Diodenparameter Is, n

0:38:0 Lineare und logarithmische Darstellung

0:42:10 Formula E

Rückblick und Ausblick


Heute:


Elektronische Schaltungstechnik, Reinhold: Kapitel 3, S. 41-64
Microelectronic, Jaeger: Chapter 3, page: 75-133

Praxisbeispiel: Dioden

  • Taschenlampe
    • 2 Dioden
    • Gleichrichtung
    • Spannungsverdopplung
    • Trennung

    • 3 Leuchtdioden LED
    • Lichterzeugung



Quelle: Joerg Vollrath

LED



Quelle: Joerg Vollrath

Fragen

Ein pn-Übergang: Diode

  • pn Übergang
    • Diffusionsstrom
    • Driftstrom
    • Raumladungszone
  • Strom Spannungs Kennlinie
    • Vorwärts und Rückwärtsbetrieb
    • Temperaturabhängigkeiten
    • Durchbruch
  • Dynamisches Verhalten
  • Modelle und Ersatzschaltbilder
    • Mathematisches Modell
    • SPICE Modell
  • Gross und Kleinsignalanalyse
  • Diodentypen:
    • Shottky-Diode, Zener-Diode, Kapazitätsdiode, Solarzellen,
    • LED
  • Diodenschaltungen
    • Gleichrichter
    • Spannungsstabilisatoren

Ein pn-Übergang eindimensional (1)

  • Ein p- und ein n-Halbleiter grenzen aneinander:
    • pn-Übergang
  • Schaltsymbol
  • Wirkprinzip
    • Ladungsträgerdichte
    • Diffusionstrom
    • Ladungsdichte
    • Driftstrom
  • Es liegt keine äußere Spannung an.
Anode: p-dotiert z.B. Bor
Kathode: n-dotiert, z.B. Phosphor
Ein intrinsischer Halbleiter

2 dotierte Halbleiter: n- und p-dotiertes Gebiet (ND, NA)

Diode: 2 dotierte Halbleiter im Kontakt: n- und p-dotiertes Gebiet

Quelle: Vollrath
Ein intrinsischer Halbleiter hat keine Dotierung. Die Eigenleitungsladungsträger stehen für die Leitung zur Verfügung.
Bringt man einen n- und p-dotierten Halbleiter in Kontakt, diffundieren die beweglichen Ladungsträger entlang des Konzentrationsgradienten. Feste Ladungen bleiben zurück, die ein elektrische Feld erzeugen.
Im Gleichgewicht sind der Driftstrom (Ladung, Feld) und der Diffusionsstrom (Konzentrationsgradienten) gleich gross.
Die Kästchen mit Plus oder Minuszeichen sind feste Ladungen.
Die Kreise mit Plus oder Minuszeichen sind bewegliche Ladungen.

Der pn-Übergang eindimensional (2)

  • Ionisierte Dotierungsatome:
    • Feste Ladung
  • Elektrisches Feld
  • Raumladungszone
  • Poissongleichung: U, E
    \( \frac{d(\epsilon_H E)}{dx} = \rho = q(N_D^+-N_A^-+p-n) \)

    \( E = \int \frac{q}{\epsilon_H} \cdot (N_D^+-N_A^-+p-n) \, \mathrm{d}x \)
  • Diffusionsstrom
  • Driftstrom
  • Potenzial, Spannung
  • \( U = \int E \, \mathrm{d}x \)
    ohne äußeres Feld: Diffusionsspannung




Differentialgleichungssystem

Ausdehnung der Sperrschicht/Raumladungszone (RLZ)

Beispiel: Diffusionsspannung und Sperrschicht einer Diode

Berechnen Sie die Diffusionsspannung und die Sperrschichtdicke (Raumladungszonendicke) einer Siliziumdiode mit NA=1·1017cm-3 und ND=1·1020cm-3.
\( \epsilon_{Si} =11.8· \epsilon_0 =11.8·8.85 ·10^{-14}Fcm^{-1} \)
\( q=1.6 ·10^{-19}C; kT/q=0.025V; n_i=1.5·10^{10}cm^{-3} \)
MathNotepad

Raumladungszone mit äußerer Spannung

Diode mit äußerer Spannung

  • Verteilung beweglicher Ladungsträger
  • Sperrrichtung
    • Die Raumladungszone wird größer
    • Es stehen keine beweglichen Ladungsträger in der Raumladungszone zur Verfügung
    • Kein Stromfluß
  • Durchlassrichtung
    • Die Anzahl beweglicher Ladungsträger erhöht sich.
    • Es fliesst ein Strom



<---- Diodenspannung ----
0V

Strom-Spannungskennlinie der Diode

  • Vorwärtsbetrieb \( I_D = I_S\left( e^{\frac{qU}{nkT}}-1\right) \)
  • Näherung für \( \frac{U}{nU_T} \gt 1 \)         \( I_D = I_S \left( e^{\frac{U}{nU_T}} \right) \)
  • Temperaturspannung: \( U_{T} = \frac{kT}{q} = 0.025 V \) für T=300K, Raumtemperatur
  • \( 10^{-18}A \lt I_S \lt 10^{-9} \)
  • Schleusenspannung oder Flussspannung
  • Darstellungen
    • Achsen linear
      • Strombereich für positive und negative Werte unterschiedlich
    • Stromachse logarithmisch
      • Stromwerte absolut
      • Kein Logarithmus einer negativen Zahl möglich
      • Ablesen des Exponenten

Quelle: Vollrath

Rückblick


Nächstes Mal:



05 Diode