6. Halbleiter

6.1 Was sind eigentlich Halbleiter

Halbleiter sind Festkörper, die sich abhängig von ihrem Zustand als Leiter oder als Nichtleiter

verhalten können.

Halbleiterwerkstoffe HauptsächlicheAnwendung

Si Silizium Dioden, Transistoren, Integrierte Schalt., Solarzellen

Ge Germanium Hochfrequenz-Transistoren

GaAs Galliumarsenid Leuchtdioden, Laser, Hochfrequenztransistoren

InSb Indiumantimonid

InAs Indiumarsenid Hallgeneratoren

CdS Cadmiumsulfid Fotowiderstände, Solarzellen

SiC Siliziumcarbid Leuchtdioden

Das wichtigste Halbleitermaterial ist Silizium.

Halbleitermaterialien müssen extrem rein sein. (ca. 1 Fremdatom auf 109

Halbleiteratome.)

Bei extrem niedrigen Temperaturen ist Silizium

ein Isolator. Jedes Atom hat 4 Elektronen, die mit

den Elektronen der 4 Nachbarn eine feste

Doppelbindung bilden.

Bei Erwärmung brechen diese Bindungen

teilweise auf, es stehen freie Elektronen zur

Verfügung. Sie hinterlassen ein „Loch“, das man

sich wie eine positive Ladung vorstellen kann. (Es

fehlt ja ein Elektron.)

Elektronen und Löcher stehen für einen

Ladungstransport zur Verfügung und sind im

elektrischen Feld beweglich.

6. Halbleiter

6.2 Dotierte Halbleiter

Zur Herstellung von elektronischen Komponenten werden Kristalle benötigt, die einen

Elektronenüberschuss (n-dotiert) oder einen Löcherüberschuss (=Elektronenmangel, p-

dotiert) haben.

Diese Materialeigenschaften erhält man durch gezielten Einbau von Fremdatomen in das

Kristallgitter.

1

p-Dotierung

Es werden einzelne Siliziumatome durch

Atome eines Materials ersetzt, dass weniger

als 4 Valenzelektronen enthält. Es entsteht

ein zusätzliches Loch für jedes Fremdatom,

ein positiver Ladungsträger.

Materialien: Bor

n-Dotierung

Es werden Atome mit zusätzlichen

Elektronen in den Kristall eingebaut, so dass

ein Elektronenüberschuß entsteht.

Materialien: Phosphor, Arsen (!!!!!!)

Filmlink: http://www.youtube.com/watch?v=Oy0X_fKUDjc

1 Abbildungen: http://olli.informatik.uni-oldenburg.de/weTEiS/weteis/halbleiter.htm

6. Halbleiter

6.3 Die Halbleiterdiode Die Halbleiterdiode ist das einfachste elektronische Bauelement. Es besteht lediglich aus einer

n-dotierten und einer p-dotierten Zone.

6.3.1 PN-Übergang in Durchlassrichtung

Eine äußere Gleichspannung wird so angelegt, dass der Pluspol am P-Gebiet und der Minuspol am N-Gebiet liegt.

Von der Spannung werden die Elektronen im N-Gebiet und die Löcher im P-Gebiet in Richtung Sperrschicht und darüber hinaus getrieben, wo sie rekombinieren.

Da die Spannungsquelle ständig Ladungsträger nachliefert, fließt ein Strom.

Bildquelle: Leonhard Stiny: Grundwissen Elektrotechnik, Franzis-Verlag

6. Halbleiter

6.3.2 PN-Übergang in Sperrrichtung

Freie Elektronen im N-Gebiet wandern in Richtung Pluspol und die Löcher in Richtung Minuspol. Die Grenzschicht verarmt noch stärker an freien Ladungsträgern.

Die ursprüngliche Sperrschicht wird noch breiter, der Widerstand höher.

Ab einer gewissen Sperrspannung kommt es zum „Durchbruch“, d.h. der Strom steigt plötzlich stark an. (Zener- oder Lawinendurchbruch)

6. Halbleiter

6.3.3 Die reale (Kleinsignal-)Diode

Der Flussstrom liegt zunächst deutlich unter 1 mA, ab der „Knickspannung“ (0,6 .. 0,7 V bei Si, 0,3 ..0,4 V bei Ge) erfolgt dann ein rascher Anstieg.

Der maximale Flussstrom liegt bei Kleinsignaldioden meist zwischen 100 mA und einigen A. Darüber wird die Diode thermisch überlastet.

Der Sperrstrom liegt in der Größenordnung von einigen nA.

Die Durchbruchspannung liegt typischerweise bei ca. 100V

6. Halbleiter

6.3.4 Ermittlung von Diodenstrom und -spannung

Gleichung 1: R ID + Ud = USS (Maschenregel)

Gleichung 2: Diodenkennlinie

Die Gradengleichung wird in das Diagramm mit der Diodenkennlinie eingetragen.

ID = 0 => UD = USS = 2V

UD = 0 => ID = USS / R = 2 mA

Der Schnittpunkt ist der „Arbeitspunkt“.

Arbeitspunkt: UD = 0,7 V, ID = 1,3 mA

6. Halbleiter

6.3.5 Diodentypen

Unterscheidungskriterien:

Material (Si, Ge (heute kaum noch), GaAs)

Funktionsprinzip (z.B. Zenerdiode, Kapazitätsdiode)

Anwendung (z.B. Universal-, Schalter-, Abstimmdiode)

Photodiode

Der Strom durch einer in Sperrrichtung betriebenen Diode steigt mit der Beleuchtungsstärke der Sperrschicht an.

Lumineszensdiode

Leuchtdioden (LED) werden aus Gallium-Arsenid-Phosphid-Verbindungen hergestellt. Bei Betrieb in Durchlassrichtung senden sie eine Strahlung aus.

Es sind Dioden für rotes, gelbes, grünes, infrarotes und auch für blaues Licht lieferbar.

Zur Strombegrenzung müssen LEDs immer mit einem Vorwiderstand oder einer Konstantstromquelle betrieben werden.

Die zulässige Sperrspannung liegt sehr niedrig (3V .. 6V), so dass bei Verpolung eine Zerstörung droht.

Film: Tutorial LED: http://www.youtube.com/watch?v=9TMSiYRgvEU&feature=share&list=PLCBBBE57D0994BB27

Kapazitätsdiode

Eine in Sperrrichtung betriebene Diode kann technisch als Kondensator verwendet werden, dessen Kapazität mit der Sperrschicht geändert werden kann. Anwendung: Empfänger und automatische Scharfabstimmung in Radios und Fernsehern.

Schottkydiode

Schottky-Dioden enthalten keinen PN-Übergang. Eine Metallfläche ist direkt mit einem N-Halbleitermaterial (Si) verbunden.

Bereits bei einer Durchlassspannung von ca. 0,35 V erfolgt ein steiler Stromanstieg. (PN-Diode: 0,6 .. 0,7 V)

Die gespeicherte Ladung ist sehr klein, so dass Schottky-Dioden für sehr schnelle Schalter (< 1 ns) und hohe Frequenzen (> 15 GHz) eingesetzt werden können.

Zenerdiode

Eine Zenerdiode wird im Durchbruchbereich betrieben.

Zenerdioden sollten im Durchbruchbereich eine möglichst vertikale Kennlinie haben, d.h. die Spannung sollte unabhängig vom Strom sein.

Zenerdioden sind mit verschiedenen Durchbruchspannungen

lieferbar, z.B. 3,3V / 6,8V / 12 V / 15 V 5%

Anwendung: Spannungsstabilisierung, Überspannungssicherung

6. Halbleiter

6.3.6 Anwendung von Dioden

Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden

Film zu Z-Dioden:

http://www.youtube.com/watch?v=y-NqIosSb0g&feature=share&list=PLCBBBE57D0994BB27

6. Halbleiter

Halbwellengleichrichter

6. Halbleiter

Vollweggleichrichter

Nachteil: Es ist ein Transformator mit Mittelanzapfung notwendig!

6. Halbleiter

Brückengleichrichter

Freilaufdiode

6. Halbleiter

6.3.6 Aufgaben zu Halbleiterdioden

Aufgabe I

Zeichnen Sie eine Schaltung mit einem Brückengleichrichter (Trafo, Gleichrichter,

Lastwiderstand) und skizzieren Sie den Stromfluss in der positiven und der negativen

Halbwelle der Eingangsspannung.

Aufgabe II

In einer Reihenschaltung aus zwei Glühlampen, zwei Schaltern und einer 6V-Wechselspannungsquelle sind die Lampen und Schalter wie in der Abbildung zu sehen mit Dioden überbrückt. Geben Sie an, welche Lampe(n) für alle 4 möglichen Kombinationen der Schalterstellungen leuchtet/leuchten und skizzieren Sie den Stromfluß auf einem Extrablatt.

S1 S2 L1 L2

1 offen offen

2 offen geschlossen

3 geschlossen offen

4 geschlossen geschlossen

Aufgabe III:

An die Eingänge A und B sollen über Umschalter entweder 5V oder 0V angelegt werden können. Erstellen Sie für beide Schaltungen eine Tabelle für die Signale A, B, X.

Aufgabe IV: Leuchtdiode

a. Welche Vorteile bieten LEDs gegenüber Glühlampen?

b. Eine Leuchtdiode soll über einen Vorwiderstand an eine Batterie angeschlossen

werden. Zeichnen Sie die Schaltung mit der richtigen Polarität der Bauteile.

c. Die Leuchtdiode hat eine Schwellspannung von 1,6 V. Welcher Vorwiderstand ist

nötig, wenn ein Strom von 12mA bei einer Batteriespannung von 4,8V durch die

Diode fließen soll?

6. Halbleiter

Aufgabe V: Kennlinie

Für den Durchlassbereich von D1 und D2 wurde die oben abgebildete Kennlinie ermittelt.

Das Strommessgerät zeigt 30mA an.

a. Wie groß ist der Strom durch D1 und D2?

b. Berechnen Sie die Spannung die an R1 abfällt und dessen Widerstand.

c. Berechnen Sie den Widerstand der beiden Dioden für den gegebenen Arbeitspunkt.

Aufgabe VI: Welche Lampe leuchtet?

Aufgabe VII: Zenerdiode

Gegeben: U0 = 20 V Uz = 6,8 V Pzmax = 1 W R2 = 200Ω

a. Wie groß ist der maximal zulässige Strom durch die Diode? (147 mA)

b. Wie groß sind die Ströme I1 und I2 bei einem Kurzschluss oder bei Leerlauf am

Ausgang?

c. Bestimmen Sie Rv, so dass die Zenerdiode niemals überlastet wird. (90 Ω)

6. Halbleiter

6.4 Transistoren

Bis in die 1950er Jahre war die Vakuumröhre für alle Verstärker und (die meisten)

Gleichrichter alternativlos. Ende der 1940er Jahre führte jedoch die Forschung an

Halbleitermaterialien zum ersten funktionsfähigen Transistor, einem zuverlässigen, kleinen

und energiesparenden Schalter und Verstärker.

Film zur Einführung aus der Reihe Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik :

http://www.youtube.com/watch?v=8sj3wbThjs0

6.3.1 Der Bipolartransistor

Der Name Bipolartransistor rührt daher, dass am Stromfluss beide Ladungsträger beteiligt

sind, d.h. sowohl Elektronen, als auch Löcher.

Ein Bipolartransistor ist aus 3 Schichten aufgebaut, wobei die beiden äußeren die gleiche

Dotierung haben und die mittlere die entgegengesetzte. Je nach Dotierung unterscheidet

man NPN und PNP-Transistoren. Die drei Anschlüsse haben die Namen Emitter, Basis und

Kollektor.

NPN-Transistor

PNP-Transistor

Quelle: wikipedia.de

6. Halbleiter

Film zur Funktionsweise des NPN-Transistors: http://www.youtube.com/watch?v=3WftQdffkgM

Aufbau von Transistoren Quelle:wikipedia.de

Film zu den Kennlinien eines Transistors: (!!!)

http://www.youtube.com/watch?v=b4OpUqBI9WU

Datenblatt des Kleinleistungstransistors BC548:

http://arduino.cc/documents/datasheets/BC547.pdf

Der Transistor in Leifi-Physik:

http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/transistor

Arbeitsauftrag: Bearbeiten Sie die Musteraufgaben aus Leifi-Physik.

http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/transistor/aufgaben#

6. Halbleiter

6.3.1.1 Betriebszustände des Bipolartransistors

I. Aktiver Bereich (IC = β IB)

Im aktiven Bereich leitet die BE-Diode und die CB-Diode sperrt. Der Transistor

arbeitet dann als Stromverstärker: Der Basisstrom wird um den Faktor b verstärkt

am Kollektor wiedergegeben (typ.: b = 100).

Anwendung: Stromverstärker

II. Sättigung (IC < β IB)

In der Sättigung beginnt die BC-Diode zu leiten und die Stromverstärkung

verringert sich. Zwischen Kollektor und Emitter liegt dann eine

Sättigungsspannung von typ. 0,2V.

Anwendung: Schalter im Zustand „AN“

III. Cut-Off (IC = IB = 0)

Im Cutoff-Bereich sperren beide Dioden. Es fließt kein Basisstrom und daher auch

kein Kollektorstrom.

Anwendung: Schalter, Zustand „AUS“.

6. Halbleiter

6.3.1.2 Grafische Arbeitspunktbestimmung beim Bipolartransistors

Beispiel Kleinsignalverstärker:

7. Halbleiter

Eingangskreis:

Ausgangskreis:

6. Halbleitertechnik

Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik

6-19

Nichtlineare Verzerrungen:

6. Halbleitertechnik

Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik

6-20

6. Halbleitertechnik

Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik

6-21

6. Halbleitertechnik

Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik

6-22

6. Halbleitertechnik

Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik

6-23

6.3.2 Der Feldeffekttransistor

6.3.2.1 Sperrschicht-FET (Junction-FET/JFET)

Leitender Kanal aus n-dotiertem Halbleiter.

An beiden Enden des Kanals Anschlüsse (Drain, Source)

Entlang des Kanals p-dotierter Halbleiter mit Gate-Anschluß

Sperrspannung am pn-Übergang bewirkt nichtleitende Raumladungszone, die den Kanal einschnürt

Steuerung der Kanalbreite durch UGS

Kanalverengung für UDS > 0

Eine genauere Betrachtung der Feldeffekttransistoren befindet sich bei den MOS-FET, die

heute eine dominierende Rolle spielen.

6. Halbleitertechnik

Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik

6-24

6.3.2.2 MOS-FET (Metall-Oxid-Silizium)

Für alle Feldeffekttransistoren gilt: IG = 0 IS = ID Filme zu selbstsperrenden MOS-Fets:

Funktionsweise: http://www.youtube.com/watch?v=9gvFMHAbR70

MOSFET als Schalter: http://www.youtube.com/watch?v=Te5YYVZiOKs (englisch)

Herstellung Halbleiter-Chip: http://www.youtube.com/watch?v=kuANgMCRnqY

Selbstleitend

Depletion-Typ

Selbstsperrend

Enhacement-Typ

6. Halbleitertechnik

Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik

6-25

Vergleich von n-Kanal-FETs

Schaltsymbole

6. Halbleitertechnik

Dipl.-Ing. Uwe Wittenfeld 2013/2014 Halbleitertechnik

6-26

6.3.3 Vergleich FET <=> Bipolartransistor