Halbleiterdioden
Schon aus der Bezeichnung wird deutlich, dass es sich um ein elektronisches Bauelement handelt, welches (zumindest ursprünglich) die Funktion einer Röhrendiode, also die Gleichrichtung einer Wechselspannung, auf Halbleiterbasis realisieren kann (Bild 1).
Grundsätzlich ist eine Halbleiterdiode aus zwei aneinandergrenzenden Zonen mit unterschiedlichen Majoritätsträgern, d.h. einem p-Bereich und einem n-Bereich, aufgebaut. In dem einen Bereich sind aufgrund der Dotierung vorrangig Elektronen, in dem anderen Defektelektronen (Löcher) vorhanden. Einzelheiten der technischen Realisierung einer derartigen Zonenfolge werden weiter unten erörtert.
Unabhängig von der konkreten Herstellung treten am pn-Übergang zwei verschiedene Situationen auf:
a) Es liegt keine äußere Spannung an.
b) Es wird eine äußere Spannungsquelle angeschlossen.
Hableiterdioden sind Halbleiterbauelemente, die zu unterschiedlichen Zwecken genutzt werden. Die Fotos zeigen Gleichrichterdioden und Leuchtdioden.
Halbleiterdioden - Hableiterdioden
L. Meyer, Potsdam
Aufbau einer Halbleiterdiode aus p- und n-Bereich
Halbleiterdioden - Aufbau einer Halbleiterdiode
L. Meyer, Potsdam
Fall a). Zu beachtende Voraussetzungen sind einerseits die Tatsache, dass in beiden Zonen eine Eigenleitung (etwa wie ein Hintergrundvorgang) abläuft, zusätzlich in der p-Zone eine hohe Konzentration von Defektelektronen (Löcher) und entsprechend in der n-Zone eine durch Elektronen besteht. Wegen des Fehlens einer Spannungsquelle führen die Ladungen nur eine ungeordnete thermische Bewegung durch.
An der Grenze der beiden Zonen wandern folglich Elektronen und Defektelektronen aneinander vorbei, dringen also jeweils in ein Gebiet mit entgegengesetzt geladenen Majoritätsträger ein.
Dadurch kommt es zu zwei Prozessen: Ein Teil dieser Ladungen rekombiniert beiderseits der Grenze in geringer Entfernung davon. Die nicht miteinander rekombinierenden entfernen sich voneinander und bauen dadurch zwischen sich ein inneres elektrisches Feld auf, welches diese Bewegung abbremst. Da aber die in das p-Gebiet eingedrungenen Elektronen andererseits von dessen p-Ladungen angezogen werden, wirkt auf sie eine zweite Feldkraft. Da aber der Ladungsschwerpunkt (also die Stelle an die man sich ersatzweise die Einzelladungen konzentriert denken darf bei gleichzeitiger Unveränderlichkeit ihrer Gesamtwirkung) relativ weit im p-Gebiet liegt, sind für eine bestimmte Entfernung beide Kräfte von gleicher Größe, jedoch entgegengesetzter Richtung. Damit stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, der durch ein inneres elektrisches Feld aufrecht erhalten wird.
Beiderseits der Trennlinie zwischen den beiden verschieden dotierten Gebieten hat sich eine Grenzschicht bestimmter Breite gebildet, in der lediglich Elektronen und Defektelektronen aus einem dort ablaufenden Paarbildungsvorgang entstehen können. Das innere elektrische Feld holt diese Ladungen aber sofort aus der Grenzschicht heraus.
Die entstandene Grenzschicht stellt damit zwischen dem p- und dem n-Gebiet eine eigenleitende Zone mit sehr hohem Widerstand dar.
Legt man an die Anschlüsse, die aus dem p- und dem n-Gebiet herausführen eine äußere Spannungsquelle an, so kann die Polung unterschiedlich erfolgen:
a) Minuspol an A, Pluspol an K
Die angelegte Spannung erzeugt im Innern des Kristalls ein weiteres elektrisches Feld, das man im Unterschied zum elektrischen Feld in der Grenzschicht als äußeres elektrisches Feld bezeichnet. Es hat die gleiche Orientierung wie das vorhandene innere elektrische Feld. Unter dem Einfluss des äußeren elektrischen Feldes werden die Ladungsschwerpunkte der beiden Gebiete weiter voneinander entfernt. Deshalb können die in das p-Gebiet gelangten negativen Ladungen und die in das p-Gebiet eingedrungenen Löcher noch weiter von der Grenze entfernen, ehe wiederum die oben beschriebene Gleichgewichtssituation erreicht wird. Die Zone, in der nur wenige Ladungen aus dem Eigenleitungsvorgang existieren, wird breiter, die gesamte Strecke zwischen A und K hat einen sehr hohen Widerstand, sie wirkt fast wie ein Isolator.
Durch den pn-Übergang fließt ein sehr geringer Strom, der seine Quelle in Paarbildungsprozessen im gesamten Kristall hat. Diese Polung wird als Sperrrichtung bezeichnet. Dabei ist zu beachten: Die gewählte Polung der Spannungsquelle sperrt zwar den Übergang für die Majoritätsträger, also die Ladungen aus dem Störstellenmechanismus, lässt aber die negativen Minoritätsträger des p-Gebiets und die positiven des n-Gebiets die Grenze passieren. Bei Dioden auf Si-Basis liegt dieser Strom im nA-Bereich, bei solchen auf Ge-Basis im µA-Bereich. Dieser Strom heißt Sperrstrom , die Polung der äußeren Spannungsquelle nennt man Sperrpolung.
b) Pluspol an A, Minuspol an K
Das äußere elektrische Feld ist jetzt dem inneren elektrischen Feld entgegengesetzt. Mit Verstärkung des äußeren Feldes wird die Grenzschicht schmaler, bis sie für verschwindet. Die Majoritätsträger beider Gebiete können nun die Grenze von beiden Seiten passieren, es kommt zu einem starken Stromanstieg. Die Diode ist in Durchlassrichtung oder in Flussrichtung geschaltet.
Charakteristisch ist für pn-Übergänge, dass dieser Stromanstieg erst oberhalb eines für das Halbleitermaterial typischen Spannungswertes erfolgt.
Die betreffende Spannung wird als Schleusenspannung bezeichnet. Ihr Wert beträgt für Ge-Dioden etwa 0,5 V, für Si-Dioden dagegen etwa 0,7 V.
Der Strom in Durchlassrichtung, der sogenannte Flussstrom, steigt exponenziell an und kann in guter Näherung mit folgender Gleichung beschrieben werden:
Die Schleusenspannung ist der Wert, in dem die an den praktisch geradlinigen Teil der Kennlinie gelegte Tangente die
schneidet.
Der typische Verlauf der Kennlinie ist in Bild 3 skizziert. In Sperrrichtung wird nach Überschreiten einer bautypischen Spannungshöhe durch das starke elektrische Feld eine hohe Energiezufuhr bei den Elektronen und Defektelektronen aus dem Eigenleitungsvorgang erzeugt, sodass sie in der Lage sind, durch Stoßvorgänge einen lawinenartigen Zuwachs freier Ladungsträger auszulösen. Der dadurch entstehende starke Stromfluss erzeugt irreversible Schäden im Kristallgitter, die Diode wird zerstört. Diese Durchbruchspannung darf während des Betriebes nicht erreicht werden.
In Flussrichtung darf die Stromstärke nur so groß werden, dass die für die eingesetzte Diode zulässige Verlustleistung nicht dauerhaft überschritten wird. Kurzzeitige impulsartige Überschreitungen sind unter bestimmten Einschränkungen möglich. Diese Bedingungen findet man im Datenblatt des Herstellers. Die Nutzung der Dioden zum Zweck der Gleichrichtung von Wechselspannungen ist auf der CD unter dem Stichwort „Gleichrichterschaltungen“ zu finden und dort ausführlich dargestellt.
Kennlinie für Durchlass- und Sperrrichtung. Für den Sperrstrom wurde ein anderer Maßstab gewählt.
Hinweise zur Herstellung von pn-Übergängen
In den bisherigen Überlegungen wurde ein pn-Übergang einfach als gegeben betrachtet. Seine reale Herstellung erfordert jedoch z.T. aufwändige Technologien.
Die ersten Realisierungen gelangen um 1942 in der Umgebung der Aufsetzstelle eines Metalldrahts auf einen Halbleiterkristall. Auf die Kristallfläche wird ein Metalldraht gesetzt, über den ein Formierungsstromstoß (Kondensatorentladung) geleitet wird. Dadurch kommt es zu einem kurzzeitigen Aufschmelzen bei gleichzeitigem Eindringen von Metall-Atomen in das Kristallgitter. Unter der Metallspitze entsteht eine p-Zone.
Gleichzeitig bilden die Metallspitzen den Anodenanschluss.
So hergestellte Übergänge sind jedoch sehr klein, haben aber eine scharf ausgebildete Grenze. Derartige Dioden auf der Basis von Germanium und Silicium nennt man Spitzendioden .
Zwischen 1950 und 1960 wurden verschiedene Verfahren zur Herstellung flächenhafter Übergänge entwickelt.
In starker Vereinfachung kann man sich vorstellen, dass auf eine n-dotierte Si-Schicht einseitig ein Medium einwirkt, welches Akzeptoren enthält.
Eine Variante besteht z.B. darin, über das n-Si ein Gas mit Boratomen unter exakt einzuhaltenden Werten von Druck, Temperatur, Akzeptorenkonzentration usw. zu leiten. Unter diesen Bedingungen kann dann eine Diffusion von Bor-Atomen in den Kristall erfolgen, was in Abhängigkeit von den Prozesswerten zu einem Umdotieren bis in eine bestimmte Eindringtiefe führt. Dabei ist es möglich, als Basisschicht hochdotiertes n-Si zu wählen, auf welchem man eine normaldotierte n-Si-Schicht unter Beibehaltung der Kristallorientierung aufwachsen lässt ( Epitaxie ), auf der dann eine p-Zone aufgebaut wird.
Der große technologische Vorteil der Flächendioden gegenüber den Spitzendioden ist durch zwei Komponenten bestimmt:
a) Es können die angestrebten Nennwerte des Bauelements mit deutlich geringeren Toleranzen erreicht werden.
b) Die Dioden werden nicht mehr einzeln hergestellt, da die beschriebenen Prozesse auf einer großen Si-Scheibe (Wafer) auf der gesamten Fläche ablaufen können. Nach Fertigstellung wird diese Scheibe mit einem ätzfesten Fotolack überzogen. Durch eine Abdeckmaske, welche die gesamte Oberfläche in kleine voneinander getrennte Bereiche aufteilt, wird belichtet. An den belichteten Stellen härtet der Lack aus, unter den abgedeckten Trennlinien nicht, sodass er dort abgeätzt werden kann. Das Ätzen kann dann bis in eine wählbare Tiefe getrieben werden, dadurch kann entlang dieser Linien die große Scheibe in viele kleine Teilbereiche zerlegt werden, nachdem der Abdecklack wieder entfernt wurde.
Diese „Bruchstücke“ werden auf einen stabilen Träger aufgesetzt, kontaktiert und durch eine feste Umhüllung gegen mechanische Einwirkungen geschützt.
Übersicht über Diodenarten
Die Nutzung von Dioden für die Gleichrichtung ist ein wichtiger, aber nicht der einzige Einsatzbereich.
Dioden für den Betrieb bei Netzwechselspannung werden als Richtdioden bezeichnet. Für sehr hohe Frequenzen einsetzbare Dioden nennt man Hochfrequenzdioden bzw. Höchstfrequenzdioden.
Das Vorhandensein der Sperrschichtkapazität wird in speziellen Dioden bewusst so ausgebaut, dass sie relativ hohe Kapazitätswerte bekommen. Da die Sperrschichtbreite von der Höhe der anliegenden Spannung bestimmt wird, erhält man auf diese Weise veränderbare Kapazitäten. Diese Dioden ersetzen heute die sehr voluminösen Drehkondensatoren, die man früher für die Senderwahl in den Empfangsgeräten einsetzte. Sie werden als Kapazitätsdioden oder Varaktordioden bezeichnet.
Eine sehr wichtige Kategorie sind die Z-Dioden . Sie haben je nach konstruktivem Aufbau im Sperrbereich bei verschieden hohen Spannungen einen reversiblen Durchbruchsbereich. Für wirkt der sogenannte ZENER-Effekt, gekennzeichnet durch einen negativen Temperaturkoeffizienten. Für tritt der AVALANCHE-Effekt mit positivem Temperaturkoeffizienten auf. Deshalb sind Z-Dioden mit einer Durchbruchspannung von etwa 6 V sehr temperaturstabil. Sie kommen als sogenannte Referenzelemente zum Einsatz.
Mit Hilfe von Z-Dioden lassen sich Schwankungen einer Gleichspannung sehr stark reduzieren. Ebenso können sie durch Laststromschwankungen verursachte Spannungsschwankungen weitgehend begrenzen.
Z-Dioden werden grundsätzlich in Sperrrichtung betrieben. Eine Schaltung zur Stabilisierung einer Gleichspannung zeigt Bild 4.
Spannungsstabilisierung mit einer Z-Diode
Eine Vierschichtdiode (Zonenfolge pnpn) mit einem zusätzlichen Gate-Anschluss stellt eine steuerbare Diode für Gleichrichtung dar. Mittels einer zusätzlichen Steuerschaltung am Gate kann in jeder Phase der Flusspolung die Diode geöffnet werden (Phasenanschnittsteuerung). Eine solche Form wird als Thyristor bezeichnet.
Werden auf einer Kristallfläche zwei Thyristoren antiparallel geschaltet, kann ein Stromfluss in jeder der beiden Schwingungshälften der Wechselspannung in jeder Phase durchgesteuert werden. Diese Zweiwegethyristoren bezeichnet man als Triacs . Sie werden vor allem zur Drehzahlsteuerung in Maschinen eingesetzt.
Eine spezielle Diode ist die Lichtemitterdiode (LED, abgeleitet vom englischen light emitting diode), auch Leuchtdiode genannt. Sie ist auf der Basis spezieller Verbindungshalbleiter (z.B. InSb, GaAs, GaP) hergestellt. Die flächenhafte Grenzschicht liegt unter einer extrem dünnen und damit lichtdurchlässigen Deckschicht. Die bei Flussrichtung in das Grenzgebiet eindringenden Minoritätsträger rekombinieren dort und geben die aus dem elektrischen Feld aufgenommene Energie als Strahlungsenergie vom Infrarot- bis zum tiefsten Violettbereich ab. Die Farbe wird durch die Materialien des Kristallgitters festgelegt.
Es gibt bereits farblich durchstimmbare, aber auch weiß leuchtende LED mit sehr hoher Lichtintensität, sodass daraus bereits sehr intensive Lichtquellen realisiert werden können.
Eine spezielle Weiterentwicklung der LED stellen die Laserdioden dar. In ihnen sind Verbindungshalbleiter mit sogenannten metastabilen Niveaus verarbeitet. Ein metastabiles Niveau ist ein Aufenthaltsbereich eines Elektrons, in den es nach Energiezufuhr gelangt und eine bis zu längere Aufenthaltsdauer als in „normalen“ Energieniveaus hat. Dort beträgt sie etwa . Dadurch kann ein metastabiles Niveau eine höhere Besetzungsdichte als tiefere Niveaus haben (Besetzungsinversion). Durch einen zufällig ablaufenden Elektronenübergang in ein darunter liegendes Niveau entsteht ein Photon, welches auf seinem Weg durch den Kristall weitere Elektronen zur Rückkehr anregt ( induzierte Emission). Durch konstruktive Gestaltung des Diodenkristalls (an zwei einander gegenüber liegenden Endflächen befinden sich Verspiegelungen), können senkrecht zu diesen Spiegeln fliegende Photonen den Kristall mehrfach durchlaufen und nach mehreren Durchläufen aus der nur zu etwa 90% reflektierenden Fläche als praktisch paralleles Lichtbündel austreten. Die Photonen mit anderer Flugrichtung treten seitlich aus und werden in der Bauelementehülle absorbiert. Der Pumpvorgang, d.h. das erforderliche Anheben der Elektronen in das metastabile Niveau, wird durch den Diodenstrom kontinuierlich aufrecht erhalten. Dieses Licht ist dann nicht nur extrem gebündelt, sondern auch (fast) streng einfarbig (monochromatisch).
Sperrpolung Referezelemente LED pn-Übergang Diodenarten Laserdioden n-Gebiet Flächendioden Majoritätsträger Hochfrequenzdioden p-Gebiet Sperrstrom Richtdioden Wafer Ge-Dioden Loch p-Leitung Si-Dioden äußeres elektrisches Feld elektronisches Bauelement Leuchtdiode Kapazitätsdioden Grenzschicht Halbleiterdioden Durchlassrichtung Gleichrichtung Defektelektronen inneres elektrisches Feld Lichtemitterdiode n-Leitung Akzeptoren Varaktordioden Epitaxie Löcher Flussrichtung Spitzendioden Durchbruchspannung Elektronen Triacs Sperrrichtung Z-Dioden Höchstfrequenzdioden Zener-Dioden Thyristor
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