Dr. Gernot Ecke tu ilmenau, fg nanotechnologie, Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien, Raum 315

bet	4/8
Sana	16.08.2017
Hajmi	0.97 Mb.
	#13595

1 2 3 4 5 6 7 8

3.1.1.2.

Der p-n-Übergang bei angelegter Spannung

1. Fall:

negative Spannung am n-Gebiet

positive Spannung am p-Gebiet

Verringerung der Potentialschwelle

→ leicht geringere Sperrschichtbreite

→ leicht geringere Raumladungszonenbreite

→ leicht geringerer Feldstrom

Diffusionsstrom > Feldstrom

•

Minoritätsladungsträger diffundieren in die gegenüberliegenden Bahngebiete und

rekombinieren dort

→ Diffusionsschwänze

•

Diodenstrom fließt!

•

Diodenstrom hängt exponentiell von der angelegten Spannung ab

I ~

T

U

U

e

2. Fall:

positive Spannung am n-Gebiet

negative Spannung am p-Gebiet

Potentialschwelle wird höher

→ Feldstärke im p-n-Übergang wird höher

→ p-n-Übergang wird breiter

→ Raumladungszone wird breiter

→ Strom sinkt bis auf ein Minimum

S

I ,

dass durch Generation bestimmt

wird

i

S

n

I

- Konzentration der beweglichen Ladungsträger im p-n-Übergang sinkt.

- an den Raumladungszonen (RLZ) - Grenzen

→ Absenkung der

Minoritätsladungsträgerkonzentration -> 0 (durch Feld über p-n-Übergang)

→ Ergebnis: p-n-Übergang hat „Ventilwirkung“ für elektrischen Strom

Durchlassrichtung

durchlässig

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

T

U

U

e

I ~

Sperrrichtung

undurchlässig

(

)

S

I

I

3.1.2.

Die Diode, Gleichstromverhalten

Herzstück: p-n-Übergang

Aufbau:

Symbol:

Pfeil in Durchlassrichtung

Das Gleichstromverhalten der Diode:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅

T

nU

U

S

e

I

I

Beschreibt Sperr- und Durchlassbereich

⇒ Sperrstrom, Sättigungsstrom

T

U

⇒ Temperaturspannung

mV

U

T

bei Raumtemperatur

e

kT

U

T

⇒ Emissionskoeffizenten, Idealitätsfaktor 1 … 2

Durchlassrichtung

Sperrrichtung

>>

T

nU

U

e

1

<<

T

nU

U

e

Flussspannung

und Sperrstrom sind

abhängig vom Halbleiter-

material

abhängig vom Bandabstand

↑

g

W

↓

S

I

↑

F

U

Einfluss des Halbleiters

auf Flussspannung und

Sperrstrom

Durchbruchsspannung (maximale Belastbarkeit in Sperrrichtung)

hängt ab von der Dotierung

Hohe Dotierung

→ schmaler p-n-Übergang → kleine Durchbruchsspannung

Niedrige Dotierung

→ breiter p-n-Übergang → hohe Durchbruchsspannung

empirische Formel für asymmetrisch dotierte Dioden:

−

⋅

D

A

BR

N

U

A

N

→ Dotierung des niedriger dotierten Gebietes

Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie

Fast alle Größen, die den Diodenstrom bestimmen, sind temperaturabhängig:

2

T

S

i

i

U

I

n

n

Diffusionskoeffizienten für n und p D

, D

Trägerlebensdauer

Stärkste

Temperaturabhängigkeit hat

i

S

n

I

Temperaturabhängigkeit

durch

Minoritätsladungsträgerdichte ~

2

i

n

( )

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ −

⋅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

T

T

kT

Wg

i

i

s

e

T

T

T

n

T

n

I

oder

einfacher:

kT

Wg

S

e

T

T

I

−

⋅

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

der

Diodengleichung

wirkt

S

I im Durchlass- und im Sperrbereich:

mit

steigender

Temperatur:

- verschiebt sich die Kennlinie im Durchlassbereich nach links zu

kleineren Spannungen/höheren Strömen

verschiebt

sich

die

Sperrkennlinie nach unten zu höheren

Sperrströmen

oder

Rechnung

mit

TK:

Temperaturkoeffizient

der

Sperrströme:

Si:

0,03

…

0,06

-1

Ge:

0,04

…

0,12

-1

Der Strom einer Si-Diode verdoppelt sich alle 10 K.

3.1.3.

Kleinsignalverhalten

3.1.3.1. Das

quasistatische

Verhalten

→ Änderung des Stromes I

Δ bei Änderung der Spannung

→ Berechnung durch Aufstellen der Taylor-Reihe

( )

...

⋅

=

U

dU

I

d

U

dU

I

d

U

dU

dI

U

I

I

I

I

U

U

U

....

Δ

U

dU

I

d

U

dU

dI

I

U

U

(

)

T

T

T

nU

U

T

S

nU

U

T

S

nU

U

S

e

nU

I

dU

I

d

e

nU

I

dU

dI

e

I

I

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

Vereinfachte Betrachtung: Abbruch der Taylorreihe nach dem linearen Glied:

U

e

nU

I

U

dU

dI

I

T

nU

U

T

S

U

⋅

Einführung des differentiellen Widerstands r

U

r

I

T

nU

U

S

T

AP

e

I

nU

dI

dU

r

⋅

Was verbirgt sich dahinter?

Bei kleinen Änderungen beschreibt die linearisierte Kennlinie bzw. der differentielle Widerstand

die Stromänderung gut.

Abweichungen bei größeren Spannungsänderungen.

Bei größeren Abweichungen

→ Verzerrungen

Eingangssignal:

Sinusförmig

Ausgangssignal: verzerrter Sinus (Sinus mit Oberwellen)

Erklärung an der Diodenkennlinie, gemessen mit Oszillograph:

3.1.3.2.

Das dynamische Verhalten

Bei hohen Frequenzen: parasitäre Kapazitäten,

in Durchlassrichtung

→ Diffusionskapazität

in Sperrrichtung

→ Sperrschichtkapazität

dU

dQ

C

→ wenn Spannungsänderungen → dann Ladungsänderung → C!

Durchlassrichtung:

U

Q

C

D

D

Ladungen in den Diffusionsschwänzen gespeichert

→ Spannungsänderung bewirkt Ladungsänderung

Abbau der in den Diffusionsschwänzen gespeicherten Ladung beim Umschalten

von Durchlass- in Sperrrichtung

→

D

Minoritätsladungsträger in den Bahngebieten

Sperrrichtung

- Ladungsspeicherung durch „Atmung“ der Raumladungszone

je größer die Sperrspannung desto breiter die Raumladungszone

Sperrschichtkapazität

→ Majoritätsladungsträger

( )

m

DIFF

D

SO

S

U

U

C

U

C

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

SO

C

= Nullspannungskapazität

m = Gradationsexponent

abrupter p-n-Übergang: 0,5

linearer p-n-Übergang: 0,33

DIFF

U

= Diffusionsspannung

Sperrschichtkapazität hängt selbst von der Spannung ab!

Diffusionskapazität:

( )

D

D

D

r

T

U

C

T = Zeitkonstante, Trägerlebensdauer [us]

0

r = differntieller Widerstand

Diffusionskapazität hängt ab vom Diodenstrom

S

D

C

C

Zusätzlich zu den parasitären Kapazitäten der Diode

→ Bahnwiderstände: ohmsche Widerstände der Bahngebiete (p- und n-Gebiet)

Berechenbar aus Dotierung und Geometrie

Dynamisches Ersatzschaltbild der Halbleiterdiode:

3.1.4.

Das Schaltverhalten der Diode

Beim Umschalten der Diode von Sperrrichtung in Durchlassrichtung, und umgekehrt müssen die

Kapazitäten umgeladen werden:

Prinzipschaltung

idealer Verlauf ohne Vorhan-

realer Verlauf mit Umladung

densein der Kapazitäten

der Kapazitäten

in der Speicherzeit

s

t

→ Entladung Diffusionskapazität

in der Abfallzeit

f

t

→ Aufladung der Sperrschichtkapazität

rr

t

- einige ns … einige 100 ns

kritisch beim Schalten von Rechtecksignalen

3.1.5.

Gleichrichterschaltungen

Hauptanwendungsgebiet der Diode: Gleichrichtung von Wechselsignalen

3.1.5.1.

Die Einweggleichrichtung

Maximale Ausgangsgleichspannung:

D

eff

D

DC

U

U

U

U

U

−

Welligkeit der Ausgangsspannung:

100

⋅

=

DC

w

U

U

W

eff

;

Frequenz der Welligkeit

PRIM

W

f

f

Abschätzung

der

Restwelligkeit:

100

⋅

V

U

mA

I

µF

C

W

DC

L

100

⋅

=

k

R

µF

C

W

bei großer Last

(

)

↓

↑

, R

I

und kleiner Welligkeit wird großer Kondensator

gebraucht.

3.1.5.2.

Die Zweiweg-Gleichrichtung

Schaltung und Trafo mit Mittelanzapfung

maximale Ausgangsspannung:

D

eff

D

DC

U

U

U

U

U

−

∧

Welligkeit der Ausgangsspannung:

%,

100

⋅

=

DC

eff

W

U

U

W

Frequenz:

PRIM

W

f

f

⋅

= 2

Abschätzung:

100

⋅

V

U

mA

I

µF

C

W

DC

L

100

⋅

=

k

R

µm

C

W

Welligkeit nur halb so groß oder C halb so groß bei gleicher Welligkeit wie

Einweggleichrichtung

Brückengleichrichtung, Graetzgleichrichtung

Schaltung:

andere Variante zur Nutzung jeder Halbwelle!

Spannungsverläufe

wie

zuvor,

Schaltung mit Mittelanzapfung

aber:

DC

U

U

U

−

∧

(siehe

Strompfad!)

Welligkeit wie Schaltung zuvor

Brückengleichrichtung ist die verbreitetste Schaltung zur Erzeugung von

Gleichspannungen, weil:

- bessere Gleichspannung, geringere Welligkeit als

Einweggleichrichtung

- Platzersparnis, Gewichtsersparnis gegenüber Trafo mit

Mittelanzapfung

- Graetzbrücken als „ein Bauelement“ mit 4 Anschlüssen lieferbar

Download 0.97 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:

1 2 3 4 5 6 7 8