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

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3.1.6. Spezielle

Halbleiterdioden

3.1.6.1. Die

Schottkydiode

anstelle

der

p-Schicht im p-n-Übergang eine Metallelektrode

wenn Austrittsarbeit des Metalls > Austrittsarbeit des Halbleiters

→ Elektronen

verlassen die HL-Oberfläche

→ Verarmungszone → Diodenverhalten

Energieniveauschema:

Symbol

Eigenschaften:

- sehr schnelle Dioden, kleine Schaltzeiten

- zum Gleichrichten hochfrequenter Signale

-

pF

C

S

rr

t

= 50 ps … 1ns

Durchlassspannungen

≈ 0,4 V

- Sperrspannung ca. – 50 V

3.1.6.2. Kapazitätsdiode

- veränderliche Kapazität in Sperrrichtung

- großflächige p-n-Übergänge

- Formel für die Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität

(siehe 3.1.3.2)

m

DIFF

S

S

U

U

C

C

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

elektrisch

einstellbarer „Kondensator“

- Abstimmung von Schwingkreisen, in Sendern, Tunern

(Ersatz der mech. Drehkondensatoren)

Symbol:

3.1.6.3. Tunneldiode

- Kennlinie mit negativem differentiellem Widerstand NDR

- schnelle Schaltdioden, Diskriminator

Symbol:

3.1.6.4. Zenerdiode

- exakte Durchbruchspannung mit steiler Kennlinie

- Spannungsreferenz, Netzteile

Umdrehen von Spannung und Strom

schiebt den III. Quadranten in den I.

3.1.6.5.

Leuchtdiode (LED)

Symbol:

Emission von Licht durch Ladungsträgerrekombination in der Raumladungszone

und angrenzenden Diffusionsgebieten

Bandlücke W

bestimmt Wellenlänge

⋅

h

h

E

⋅

=

c

g

W

c

h

⋅

s

eV

h

⋅

−15

136

9978

−

⋅

=

s

m

c

→ hoher Wirkungsgrad: 90% Elektroenergie → Strahlung

allerdings: nur 30% verlassen den Chip

Lichtausbeuten 90 lm/W erreichbar

→ LED´s haben, abhängig von der Farbe und Material, hohe Flussspannungen

GaAIAs/GaAs (rot und infrarot): 1,2–1,8 V

InGaAIP (rot und Orange): 2,2 V

GaAsP/GaP (gelb): 2,1 V

GaP, InGaAlP (grün, ca. 570 nm): 2,2–2,5 V

GaN/GaN (grün): 3,0–3,4 V

InGaN (grün, 525 nm): 3,5–4,5 V

InGaN (blau und weiß): 3,3–4 V

3.2.

Bipolartransistoren

3.2.1.

Grundlagen

Bipolartransistor

→ „Arbeitspferde“ der Elektronik

Bipolartransistor

→ Verstärkerbauelement, hat die Verstärkerröhre abgelöst

Name: „transfer resistor“

→ veränderbarer Durchgangswiderstand

nach vielen Voruntersuchungen in der Halbleiter- und Festkörperphysik

1947 von Shockley, Bardeen & Brattain erfunden.

Erfindung des Transistors

→ Anfang einer rasanten Bauelemente-Entwicklung

3.2.1.1.

Aufbau des Bipolartransistors

Besteht aus zwei p-n-Übergängen die gegeneinander gepolt sind:

Auffbau des Bipolartransistors:

Beispiel: Si-Planartransistor

verschiedene Technologien, verschiedene Bauformen, Leistungen, Gehäuse

Emitter – am höchsten dotiertes Gebiet

Basis – sehr dünn, niedrig dotiert

Kollektor – hochdotiert, große Fläche

3.2.1.2.

Transistorwirung

Das Wesen der Transistorwirkung ist, dass in beiden p-n-Übergängen Ströme

fließen, die von beiden Spannungen abhängen.

p-n-Übergänge müssen sich einander sehr nahe sein (näher als die

Diffusionslänge)

Transistorwirkung

am Beispiel der

Basisschaltung:

- Eingangsdiode in

Durchlassrichtung

- Ausgangsdiode in

Sperrrichtung

Ströme - Injektion von Elektronen in die Basis

- Feldstrom von Minoritätsladungsträgern im BC-Übergang

- Injektion von Löchern aus Basis in dem Emitter

- Rekombination von Elektronen in der Basis

- Generation von Elektronen-Loch-Paaren im BC-Übergang

Was kann man erkennen?

größter Strom: Emitterstrom

Kollektorstrom etwas kleiner als Emitterstrom

1

<

E

C

I

I

Sehr kleiner Basisstrom

kleine EB – Spannung

große BC- Spannung

Verstärkerwirkung: Eingangsleistung

EB

E

U

I

⋅

→ klein

Ausgangsleistung

BC

C

U

I

⋅

→ groß

Ströme im Transistor beschreibbar durch Ersatzschaltbild nach Ebers-Moll:

(1)

1

C

I

nU

U

ES

E

I

A

e

I

I

T

EB

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

(2)

1

e

N

nU

U

CS

C

I

A

e

I

I

T

CB

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

(1)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

1

T

CB

T

EB

nU

U

CS

I

nU

U

ES

E

e

I

A

e

I

I

(2)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

1

T

CB

T

EB

nU

U

CS

nU

U

ES

N

C

e

I

e

I

A

I

⇒ Transistorgrundgleichungssystem

N

A - Stromverstärkung in Normalanrichtung

I

A

- Stromverstärkung in Inversrichtung

3.2.2.__Basisschaltung'>3.2.2.

Basisschaltung

(benannt nach gemeinsamer Elektrode für Ein- und Ausgang)

Eingangsdiode

(EB)

Durchlassrichtung

Ausgangsdiode

(CB)

Sperrrichtung

Herleitung: wovon hängt der Kollektorstrom (Ausgangsstrom) ab?

(1) I = -I (e -1 ) + A I ( e -1 )

I CS

(2) I = A I (e -1 ) - I ( e -1 )

N ES

ES

I

nU

U

ES

E

I

A

e

I

I

T

EB

−

E

CS

I

nU

U

ES

I

I

A

e

I

T

EB

−

CS

nU

U

ES

N

C

I

e

I

A

I

T

EB

−

(

)

N

CS

C

nU

U

ES

A

I

I

e

I

T

EB

−

N

CS

C

E

CS

I

A

I

I

I

I

A

−

(

)

4 3

4 2

1

I

N

CS

E

N

C

A

A

I

I

A

I

−

E

N

C

I

A

I

0

CB

I

Kennlinien für Eingang und Ausgang

Eingang:

(

)

BE

E

U

f

I

Ausgang:

(

)

CB

C

U

f

I

laut

Gleichung:

C

I hängt nicht von

CB

U

ab, sondern von

E

I

wird Parameter (AKL)

hängt von

EB

U

ab (Diodenverhalten!)

Eigenschaften der Basisschaltung:

Kleiner

Eingangswiderstand:

(z.B..

Ω)

Mittlerer

bis

großer

Ausgangswiderstand

Stromverstärkung

Große

Spannungsverstärkung

(z.B.

100)

Phasenverschiebung

0°

Hohe

Grenzfrequenz

3.2.2.

Die Emitterschaltung

Herleitung

des

C

I aus dem Transistorgrundgleichladungssystem:

CS

N

I

N

B

N

N

C

I

A

A

A

I

A

A

I

−

CE

B

N

C

I

I

B

I

CB

CE

A

I

I

−

Erinnerung

B

I

sehr klein

C

I und

E

I

fast gleichgroß

Knotensatz:

=

+

+

E

C

B

I

I

I

Maschensatz:

−

−

CB

BE

CE

U

U

U

3.2.3.1

Kennlinien

Ausgangskennlinienfeld:

(

)

CE

c

U

f

I

Eingangskennlinien:

(

)

BE

B

U

f

I

Übertragungskennlinie:

( )

B

C

I

f

I

Spannungsrückwirkung:

(

)

CE

BE

U

f

U

zu 1.) Ausgangskennlinienfeld

Gleichung

0

CE

B

N

C

I

I

B

I

Early-Effekt: mit wachsender Sperrspannung über der Ausgangsdiode

wird die Sperrschicht breiter

→ Folge: Basisweite wird kürzer → Strom

steigt

Für pnp-Transistor: alles umpolen (-I

, -U

, -I

)

2.)

Eingangskennlinie

(

)

BE

B

U

f

I

Strom an der Eingangsdiode

(1)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

T

CB

T

EB

nU

U

CS

I

nU

U

ES

E

e

I

A

e

I

I

→ Diodenverhalten → exp. Diodenkennlinie

Eingangskennlinie und

Ausgangskennlinienfeld in

Emitterschaltung

3.)

Übertragungskennlinie, Stromsteuerkennlinie

( )

B

C

I

f

I

Gleichung

0

CE

B

N

C

I

I

B

I

⋅

→ vereinfacht linearer Zusammenhang

In der Praxis Abweichungen von der Geraden

Wenn U

> 0

→ Ausgangsdiode in

Sperrrichtung

→ 0

Ausgangsdiode in

Durchlassrichtung bewirkt

Verschiebung

4.)

Spannungsrückwirkungskennlinie

(

)

CE

BE

U

f

U

Spannungsrückwirkung des Ausgangs auf dem Eingang (10

-4

)

- geringe Verschiebung der Eingangskennlinie durch Einfluss von

CE

U

Darstellung aller 4 Kennlinienfelder in einem kombinierten Diagramm:

4-Quadranten-Kennlinienfeld

4-Quadranten-Kennlinienfeld eines Si-npn-Transistors

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