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1Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14
Kapitel 5
Diode
LS Intelligente Mikrosysteme:
2
Bauelement: Diode
Schaltzeichen:
Anode + - KathodeIF
UF
n - HLp - HL
Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:
3
Kennlinie der realen Diode
ideal------- real
thermische Generation in RLZ
ideal, „schwache Injektion“
„starke Injektion“, d.h. auch
Majoritätsträgerdichte ist
spannungsabhängig
1e~I T
FUU
−
T
FU2
U
e~I ⋅
Resistiver Bereich
FI R
FU'FU
'FFF
'FF UIRIRUU >>⋅≈⋅+=
U~I
S
F
IIlog
FU
Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:
4Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:
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Temperaturabhängigkeit der Gleichstromkennlinie
1) Diode in Sperrbetrieb:
SPU
SPI
SPF UU −=22 ~ ii
An
n
Dp
pSSP nn
NL
NL
qAIII ⋅
⋅+
⋅⋅⋅−=−≈=
ττ
kTE
i
G
eTn ⋅−
⋅ 223~
0312 >+=⋅⇒
kTE
TIdTdI G
S
S( )( )
⋅=dxdy
yxy
dxd 1ln
Zahlenbeispiel:
( ) 11,001,0:300 −+=⋅
KdTI
dIKGe@S
S
( ) 116,001,0:300 −+=⋅
KdTI
dIKSi@S
S
, also Verdopplung alle 10 Grad
, also Verdopplung alle 6 Grad!
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2) Diode mit angelegter Flussspannung:
FU
I
T
F
T
FUU
SUU
S eIeII ⋅≈
−⋅= 1
T
F
T
FUU
T
FS
UU
S
constU
eTU
UIedTdI
dTdI
⋅−⋅⋅+⋅=
=
1
031122 >⋅−
+=⋅
−⋅=⋅kT
UqETkT
UqIdT
dIIdT
dI FGF
S
S
⇒ Etwas kleiner als bei Sperrstrom, dennoch starker Anstieg mit T
Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:
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3) Diode mit konstantem Flussstrom:
., constIII S =>>
STF I
IUU ln⋅≈
KmV
KmV
T
Uq
E
dTdU F
G
constI
F 5,2...5,1 −−≈+−
==
FU
I
Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:
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Arbeitspunkt und Kleinsignalaussteuerung
Konzept: Betrachte Ströme und Spannungen als Überlagerung von
statischem „Arbeitspunkt“ und
veränderlicher „Kleinsignalaussteuerung“
( ) ( ) ( )tfUtuUtU ≠+= ∗∗
( ) ( ) ( )tfItiItI ≠+= ∗∗
mit ( ) ( ) ∗∗ <<<< ItiUtu
Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:
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Wenn AP bekannt:
Ersetze BE – Gleichung durch Tangente an Kurve
→ lineare Näherung
→ Kleinsignal - ESB
AP
( )tU U
( )ti ( )tI
It( )tu
tt
t
∗U
∗I
Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:
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Kleinsignal – ESB Dioden FI
FU∗U
∗IAP ∗=
=UUF
F0 dU
dIgT
F
T
FUU
SUU
SF eIeII ⋅≈
−⋅= 1
T
F
T
UU
SF
F
UI
UeI
dUdI
T
F
=⋅⋅=1
Diode stellt im Flussbetrieb den Leitwert dar:
( )tu
0g ( )ti
( )( ) TU
Igtuti ∗
== 0
Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:
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Diffusionsadmittanz
- Minoritätsträgerinjektion ist spannungsabhängig
- Minoritätsträger-Ladungen haben relativ lange Lebensdauer
→ kapazitiver Effekt
p,n
( )uupn~+
HL-n
pL
( )upn
n0p
nx-
( )u~unp +
HL-p
nL
( )unp
p0n
nx-
RLZ
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Ansatz: tjF
tjF eIIIeUUU ωω ⋅+=⇒⋅+= ~~
gesucht: „Diffusionsadmittanz“DYUI=~
~
( )
⋅+⋅⋅≈
⋅⋅=⋅=
⋅=⋅⋅+
tj
T
UU
n
UeU
UU
nU
eUU
n
UU
nnn
eUUep
eepep
epxp
T
T
tj
TT
tj
T
F
ω
ωω
~10
~
0
~
0
0
benutzte Näherung: ex ≈ 1+x für x << 1
( )T
nn
p
tj
T
UU
n
p
UU
nnn UUppe
UUepepxp
n
T
n
T
~~
~
~
00 ⋅=⇒⋅⋅⋅+⋅=
ω
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Für Stromdichte (Wechselanteil) gilt:
dxpdDqS n
pp
'~~⋅⋅−= Diffusionsstrom
Setze Kontinuitätsgleichung an (nicht stationär)
dtpdp
dxSd
qn
p
np'' ~~~
1−=+⋅
τ
'''
2
'2~~~~
nn
p
nnp pj
dtpdp
dxpdD ⋅⋅==−⋅⇒ ω
τ
DGL:
pp
pn
n
Dj
pdx
pdττω
⋅
⋅⋅+⋅=1~~
'2
'2
Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:
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Lösung:
( ) ( )
⋅⋅+
⋅−⋅−=p
pnnn L
jxxpxp
τω1exp~~ ''
wegen ppp DL τ⋅= pp
ptjnp j
LDq
epS τωω ⋅⋅+⋅⋅
⋅⋅=⇒ 1~~ '
T
UU
nT
nn UUep
UUpp T
~~~
0' ⋅⋅=⋅=
( )np SSAI ~~~ +⋅=Strom
⋅⋅+⋅
⋅⋅+⋅⋅+⋅
⋅⋅⋅⋅= n
n
pnp
p
np jL
nDqj
LpD
qUAI τωτω 11~~ 00
TD U
IgjgUIY =⋅⋅+⋅==⇒ 00 1~~
mitτω
Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:
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+++≈+ ...
81
2111 22τωωτωτ jj :Näherung
++⋅≈
2811 22
0τωτω jgYD
DIFFG
DIFFC
:DY
TDIFF
TDIFF
UIgC
UIggG
⋅⋅
=⋅=
=≈
+⋅=
22
811
0
022
0
ττ
τω
Diffusionskapazität
Diffusionsleitwert
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Zahlenbeispiel:31610 −= cmND
31810 −= cmN A
sµτ 1≈⇒ VU F 65,0=
Ω=→
⋅Ω=
5,21140
02
20 gmm
cmAg
FCmmcm
FA
CDIFF
DIFF µµ 2,0120 22 =→=
vgl. Sperrschichtkapazität:
pFCmmcm
nFA
CSp
Sp 700170 22 =→=
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Kleinsignal – ESB:
DIFFC
SpC
0g
Sperrbereich:
Flussbereich:
0, 0 ≈>> gCC DIFFSp
TSpDIFF U
IgCC ≈>> 0,
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Schaltverhalten der pn – Diode
A Spannungssteuerung:
SpUFUDU
DI• Einschaltvorgang
( )xpn
n0p
0t <
1t2t
∞→t
xnx
DU
tSpU-
FU+
DI
t
FI
SI-
t=0
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• Abschaltvorgang
( )xpn
n0p
0t <1t
2t
∞→t
xnx
3t
t
t
DU
SpU-
FU+
DI
FI+
SI-
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Einschaltvorgang
- Spannungssprung erhöht sofort die Randkonzentration
- bis exponentielles Diffusionsprofil aufgebaut ist, wird der Strom nur durchparasitäre Bahnwiderstände begrenzt
→ Aufbau von Minoritätsträgerladung
FSpD UUU +→−=
Zusteuervorgang
- Umschalten auf Sperrspannung verringert sofort die Randkonzentration
- bis Minoritätsträgerladung abgebaut ist, fließt ein sehr hoher Rückstrom
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B Stromsteuerung:
• Einschaltvorgang
( )xpn
n0p
0t <
1t2t
∞→t
xnx
DUt
SpU-
FU+
DI
t
FI+
SI-
DU
SpI
DI
FI
RISp > IS !
daher R für „überschüssigen“ Strom
Halbleiterbauelemente I/II H. Fiedler, WS 2013/14 LS Intelligente Mikrosysteme:
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• Abschaltvorgang
( )xpn
n0p
0t <
1t
2t
∞→t
xnx
3t
t
t
DU
SpU-
FU+
DI
FI+
SI-
RI-
St Üt
tÜ : Übergangszeit, RC – Zeitkonstante für Umladung der SperrschichtkapazitättS : Sperrverzugszeit
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Abschaltvorgang
- Rückstrom räumt während tS (ns ... 10µs) die gespeicherteMinoritätsträgerladung QS aus (Sperrverzugszeit, Sperrverzugsladung)
- Falls (keine Zeit für Rekombination)
( )! -I I SR >>−
Einschaltvorgang
- eingeprägter Strom IF gibt Gradienten des Minoritätsträger -Diffusionsprofils vor
- es kann zu „Überschwingern“ kommen, da die Diode hochohmig ist
- Minoritätsträgerladung wird durch Konstantstrom aufgebaut
FR II >>
+⋅=
R
FS I
Iτt 1ln
R
I
R
FS I
QIIτt =⋅≈
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Zener – EffektClarence Melvin Zener (* 1. Dezember 1905 in Indianapolis, Indiana, USA, † 15. Juli 1993), Physiker und Elektrotechniker
Bei hoher Dotierung und angelegter Sperrspannung besitzen die Elektronen im Valenzband des p – HL und Leitungsband des n – HL die gleiche Energie:
E E
GE GERLZ
HL - p HL - n
0 0
SpD UU +
SpUe ⋅
ohne Sperrspannung 0U = mit Sperrspannung
Tunnelstrom durch dünne RLZ setzt ein!
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Resultierende Kennlinie:
Durchbruchspannung (Zener – Spannung) UZ
Temperaturabhängigkeit
31817 10...10,,5 −≈≤ cmNNVU DAZ
0<ZUTK
↓→↓→↑ ZG UET
ZU−
FI
FU
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Lawinen – Effekt (Avalanche – Durchbruch)
p - HL n - HL
RLZ
USp
Ladungsträger nehmen aus dem elektrischen Feld so hohe Energie auf,dass durch Stoß neue Elektron – Loch – Paare erzeugt werden→ Lawinen - Multiplikation
( )VVVBU L 200...55>
7...5,1
1
1=
−
⋅−= n
BUU
II n
L
SpS mit
DL N
BU 1~
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praktisch: - sehr hoher Stromanstieg- Zerstörung, falls Strom (Leistung) nicht limitiert
Temperaturabhängigkeit BUL:
„Zenerdioden“ mit beruhen auf Lawineneffekt.
0>LBUTK
↑⇒↓⇒↓⇒↓⇒↑ UEvT kinDriftµ
V5UZ >
0
4
2
-2
KmV
dTdUz
VUZ642
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„Punch – Through“
Falls die angelegte Sperrspannung nicht mehr vollständig in RLZ abgebautwerden kann, können RLZ bis zu den Kontakten (Metall o.ä.) reichen.
VBU
1000
1
10
100
1015 10181016 1017ND
DPT NBU ~
Dr
DPT UNqwBU −
⋅⋅⋅⋅
=εε 0
2
2
20
21
cD
rL E
NqBU ⋅
⋅⋅
⋅≈εε
DPT N~BU
DL N
~BU 1
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Fotodioden, Solarzellen
Licht ausreichender Energie generiert Elektron – Loch – Paare
RLZ SpD UU + FSp UU −=
n – HL
p – HL
ν⋅h
SpU
SpI
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Fotostrom IPH erhöht den Sperrstrom:
qPH AqI ηφ ⋅⋅⋅= 0 : Lichtstrom0φ
: Quantenwirkungsgradqη
PHUU
SFSp IeIII T
F
−
−⋅==− 1
φ
FU00 =φ010 φφ =
020 φφ =
FI
RL: Lastgerade
Bei Leerlauf ( )∞→LR
S
PHT
S
PHTPH
IIU
IIUU
ln
1ln
⋅≈
+⋅=
Generatorbetrieb im 4. Quadranten
⋅ 21ms
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