DW EditSeite anzeigenÄltere VersionenLinks hierherAlles aus-/einklappenNach oben Diese Seite ist nicht editierbar. Sie können den Quelltext sehen, jedoch nicht verändern. Kontaktieren Sie den Administrator, wenn Sie glauben, dass hier ein Fehler vorliegt. CKG Editor ====== 2. Dioden und Transistoren ====== <WRAP> <callout type="info" icon="true"> === Einführendes Beispiel=== Microcontroller verfügen über viele digitale Eingänge, die Signale zwischen $0...5V$ als Digitalsignal auswerten. Das Eingangssignal kann aber bei der Übertragung durch kleine eingekoppelte Pulse gestört werden. Durch diese Störung kann das Signal den erlaubten Spannungsbereich von ca. $-0,5...5,5V$ verlassen und damit die logische Einheit zerstören. Um eine solche Zerstörung zu verhindern, ist eine Überspannungsschutzschaltung aus Dioden verbaut. Im Falle einer Über-/Unterspannung wird dort eine der Dioden leitfähig und senkt durch den resultierenden Strom die Eingangsspannung. In der Simulation ist zu sehen, dass die eingangsseitigen Störungen durch die Schutzschaltung auf ein akzeptables, geringes Maß reduziert werden kann. In diesem Kapitel soll erklärt werden warum eine Diode ab einer gewissen Spannung leitfähig wird, was bei der Nutzung von Dioden beachtet werden muss und welche verschiedenen Diodenarten es gibt. <WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+2e-7+45.7144713268909+82+10+50%0Ad+224+208+224+160+2+1N4148%0Ad+224+256+224+208+2+1N4148%0Ag+224+256+224+288+0%0AR+224+160+224+128+0+0+40+5+0+0+0.5%0A207+224+208+320+208+4+zur%0Ax+335+211+425+214+4+12+logischen%5CsEinheit%0Aw+224+208+16+208+0%0Ar+-48+208+16+208+0+10%0Ap+-48+208+-48+272+1+0%0Ag+-48+272+-48+288+0%0AR+-272+208+-288+208+1+2+100+2.5+2.5+0+0.5%0Aw+-144+208+-112+208+0%0Aw+-112+208+-48+208+0%0A159+-112+208+-112+272+0+20+10000000000%0AR+-128+240+-144+240+5+5+137+1+1.518+0+0.01%0Ar+-224+208+-272+208+0+1000%0AR+-112+272+-112+288+0+2+315+20+0+0+0.5%0A403+32+112+160+208+0+8_1024_0_4098_20_0.1_1_1%0A403+448+128+576+176+0+4_1024_0_4098_5_0.1_0_2_4_3%0Aw+-224+208+-144+208+0%0Ab+-320+112+-197+314+0%0Ab+-171+112+16+314+0%0Ab+167+111+434+313+0%0Ax+-321+336+-186+362+4+20+Digitales%5Cs%5C%5CnEingangssignal%0Ax+-135+338+10+341+4+20+St%C3%B6reinstrahlung%0Ax+226+337+446+363+4+20+Microcontroller%5Csmit%5Cs%5C%5Cninterner%5CsSchutzschaltung%0A 900,400 noborder}} </WRAP> </callout> </WRAP> <alert type="info" icon="fa fa-leanpub"> === weiterführende Unterlagen === * Mit einer Tiefe über diesen Kurs hinaus findet sich das Thema [[https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-662-56563-6_2|Dioden im Tietze Schenk]] * Einen tieferen Einblick auf dem Niveau dieses Kurses und in angenehmen Häppchen bietet [[https://www.youtube.com/watch?v=Wsf6Ks-w3LE&list=PLjkreDBz1mhDrDO590zUy3eM1_4EtO5aW&index=1|Elektrotechnik in 5 Minuten - Thema Diode]]. \\ Dabei sind die Betrachtungen der Verschaltung von Dioden mit nichtlinearen Bauteilen jenseits des Stoffes dieses Kurses. * Eine schöne Einführung auf mit geringerer Tiefe ist im [[https://lx3.mint-kolleg.kit.edu/onlinekursphysik/html/1.3.3/xcontent5.html|KIT Brückenkurs - 3.3.6 Dioden und Transistoren (*)]] zu finden. \\ Aus dieser Einführung sind einige der folgenden Passagen, Videos und Bilder entnommen. * Eine mit ähnlich einführendem Charakter gibt es Unterlage bei [[https://www.leifiphysik.de/elektronik|LEIFIphysik]]. </alert> <WRAP> <callout> === Ziele für Stromleitung bei Halbleitern === Nach dieser Lektion sollten Sie: - die Elektronenbeweglichkeit in Metallen, Halbleitern und Isolatoren unterscheiden können, - wissen was die Eigenleitung eines Halbleiters ist, - Elektronen- und Löcherleitung unterscheiden und zur p- und n-Dotierung zuordnen können, - wissen was eine Dotierung ist und für was diese verwendet wird. - Unterschied zwischen realer und idealer Diode kennen, - den Verlauf in Durchlass- und Sperrrichtung darstellen können, - aus verschiedenen Diodenarten die korrekte auswählen können </callout> </WRAP> ===== 2.1 Stromleitung in Halbleitern ===== <WRAP right> {{youtube>YB3pQ7P8SNg?size=543x392}} </WRAP> ++++ Video-Transkript (Alternativ zur Erklärung im Video) | In Metallen sind die Elektronen frei beweglich. Legt man eine äußere Spannung an, folgen sie dem Potentialunterschied zur positiven Elektrode: Es fließt Strom. Bei Isolatoren hingegen sind die Elektronen fest an die Atomrümpfe gebunden. Wenn eine Spannung angelegt wird, können sie allenfalls polarisiert werden. Es fließt kein Strom. Ein Halbleiter ist ein Material, dessen Leitfähigkeit zwischen der von Metallen und der von Isolatoren liegt. Das technologisch wichtigste Beispiel für einen Halbleiter ist das Silizium. Im Siliziumkristall sind die Elektronen nicht wie in einem Metall frei beweglich, da sie an die Atomrümpfe gebunden sind. Doch reicht eine geringe Zufuhr von Energie (z.B. thermische Energie) aus, um die Elektronen von den Atomen zu lösen. Dann fließt bei Anlegen einer Spannung ein elektrischer Strom. Dies nennt man die **Eigenleitung** (intrinsische Leitung) des Halbleiters. Wenn die Elektronen sich im Halbleiter fortbewegen, spricht man von **Elektronenleitung**. An dem Siliziumatom, von dem das Elektron entfernt wurde, entsteht ein Loch mit positiver elektrischer Ladung. Man nennt es auch ein Defektelektron. Auch diese Löcher können sich durch das Kristallgitter bewegen und damit einen elektrischen Strom erzeugen. Man bezeichnet dies als **Löcherleitung**. Die Löcherleitung kann man sich so vorstellen, dass ein Loch durch ein Elektron des Nachbaratoms aufgefüllt wird. Dadurch entsteht aber in dem Nachbaratom ein Loch. Effektiv ist so ein Loch von einem Atom zum anderen gewandert und führt so eine positive elektrische Ladung mit sich. <imgcaption pic2|p-Dotierung mit Aluminium>{{ :elektronische_schaltungstechnik:mfile6xpsilicium.png?nolink&200|p-Dotierung mit Aluminium}}</imgcaption> <imgcaption pic1|n-Dotierung mit Phosphor>{{ :elektronische_schaltungstechnik:mfile6xnsilicium.png?nolink&200|n-Dotierung mit Phosphor}}</imgcaption> Die meisten Halbleiter sind Elemente der vierten Hauptgruppe, besitzen also vier Elektronen in der äußeren Schale. Dies gilt auch für das Element Silizium. Im Siliziumgitter ist daher jedes Siliziumatom mit je vier Nachbaratomen über eine Bindung verbunden. Werden nun gezielt Fremdatome diesem Halbleitermaterial hinzugefügt, kann die elektrische Leitfähigkeit modifiziert werden. Man nennt dies **Dotierung**. Atome der fünften Hauptgruppe (z.B. Phosphor) besitzen fünf Elektronen in der äußeren Schale. Fügt man diese dem Silizium-Kristallgitter hinzu, ist an diesen Stellen ein Elektron überzählig, da es für die vier Bindungen im Kristallgitter nicht benötigt wird. Dieses Elektron ist wesentlich beweglicher als die Elektronen, die zur Bindung beitragen und erhöht daher sehr stark die Leitfähigkeit durch Elektronenleitung. Dieses Hinzufügen freier negativer Ladungsträger nennt man **n-Dotierung** (siehe <imgref pic1>). Andererseits kann durch das Hinzufügen von Atomen der dritten Hauptgruppe (z.B. Aluminium) an diesen Stellen ein sogenanntes Loch erzeugt werden, da diese Atome nur drei Elektronen in der äußeren Schale besitzen. Dies führt zur Erhöhung der Leitfähigkeit durch Löcherleitung. Dieses Hinzufügen freier positiver Ladungsträger nennt man **p-Dotierung** (siehe <imgref pic2>). ++++ ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ==== Eine quantenmechanische Betrachtung ==== <imgcaption picz|Bohrsches Atommodell und Bändermodell>{{ elektronische_schaltungstechnik:schalen_baendermodell.png?420|schalen_baendermodell.jpg?420|Bohrsches Atommodell und Bändermodell}}</imgcaption> Das oben dargestellte Modell der Leitfähigkeit in Halbleitern soll nun noch etwas tiefer betrachtet werden. Im Bohrschen Atommodell (<imgref picz>, 1) wird davon ausgegangen, dass die Elektronen im **Atom** sich auf bestimmte Kreisbahnen um den Kern bewegen - ähnlich der Planeten im Planetensystem. Dabei sind stärker gebundene Elektronen auf nähere Bahnen und schwächere auf Bahnen weiter außen. Auch dies verhält sich ähnlich zu Trabanten im Gravitationsfeld, die, wenn sie weiter vom Zentrum entfernt sind, schwächer angezogen werden. Bohr postulierte 3 Axiome, damit Modell und Messergebnisse plausibel zusammenpassen: - Die Kreisbahnen sind diskret. Es gibt nur bestimmte Bahnen auf denen sich die Elektronen bewegen dürfen \\ (und damit diskrete Energien für die Elektronen) - Jeder Sprung eines Elektrons von einer auf eine andere Bahn geht mit einer Energieaufnahme oder -abgabe einher. - Die genauen Energiebeträge der Bahnen ergeben sich durch die Quantenphysik. Leider erzeugt diese Darstellung etliche physikalische Widersprüche - das Modell ist aber für die Erklärung der Leitfähigkeit in Halbleitern ausreichend[(Note3>Die Widersprüche des Bohrschen Atommodells wurden erst durch die Quantenphysik und der [[https://www.youtube.com/watch?v=A4Ip1p6o9TU|Orbitaltheorie]] gelöst.)]. Das Bohrsche Atommodell und die [[https://de.wikipedia.org/wiki/Oktettregel|Oktettregel]] (Tendenz der höheren Bahnen mit 8 Elektronen gesättigt zu sein) genügen um einen tieferen Einblick in die Halbleiterphysik zu erlangen. \\ \\ <imgref picz> 1a zeigt die Elektronen auf den diskreten Kreisbahnen, d.h. in einem $x$-$y$-Koordinatensystem. Stärker gebundene Elektronen sind in schwarz auf inneren Bahnen dargestellt; auf der äußersten nicht-vollständig besetzten, grünen Bahn sind die Elektronen in blau eingezeichnet. Neben den besetzten Bahnen sind auch weitere, äußere, nicht-besetzte Bahnen vorhanden (blau in <imgref picz> 1a). \\ Die gleichen Elektronen können auch in ein $x$-$W$-Koordinatensystem einsortiert werden (siehe <imgref picz> 1b). Dabei ist $W$ die Bindungsenergie, bzw. Arbeit die frei wird, wenn ein ungebundenes Elektron in die betrachtete Bahn springt. Der Ursprung der Bindungsenergie (also die Bindungsenergie eines ungebundenes Elektrons: $W=0$) ist oberhalb der unbesetzten Niveaus. Der Betrag der Bindungsenergie des vollständig besetzten Niveaus ist also wie erwartet am höchsten. Durch die diskreten Bahnen ergeben sich auch auf der Energie-Achse diskrete Energieniveaus. \\ ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <WRAP right> {{youtube>_pE-ZX79wX4?size=543x392}} </WRAP> Betrachtet man statt eines einzelnen Atoms einen **Ausschnitt aus einem Festkörper**, so ändert sich die Elektronenkonfiguration. In <imgref picz> 2a ist die Situation wieder im $x$-$y$-Koordinatensystem dargestellt. Die inneren Elektronen und der Kern sind hier nun auf einen einzelnen, gelben Kreis mit den resultierten Ladungen reduziert. Die Elektronen aus den (im Beispielatom) teilbesetzten Niveaus erfüllen nun die Oktettregel. \\ Je nach Element ergeben sich aber hier unterschiedliche Eigenschaften der Elektronen. In Metallen sind die Elektronen frei beweglich - also eine gute Leitfähigkeit messbar, in Halbleitern aber zunächst nicht. Diese Aussage lässt sich nicht durch das Bohrsche Atommodell, aber durch das Bändermodell und etwas Quantenphysik sehr gut erklären. Wie bereits für das Atom werden nun die Elektronen des Festkörpers in ein $x$-$W$-Koordinatensystem eingetragen. Hier sind nun viele Elektronen aus gleichen atomaren Niveaus nahe beieinander. Die Gesetze der Quantenphysik verbieten, dass Elektronen am gleichen Ort exakt das gleiche Energieniveau besetzen. Daraus ergibt sich eine Verbreiterung der diskreten Niveaus zu Energiebändern (<imgref picz> 2b). Im Beispiel ist ein Halbleiter gezeichnet. Im Halbleiter ist das energetisch höchst-gelegene Band vollständig besetzt. Das energetisch höchst-gelegene und besetzte Band wird **Valenzband**, das nächsthöhere nicht-besetzte (oder nicht-vollständig besetzte) Band wird **Leitungsband** genannt. Der energetische Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband wird Bandlücke genannt. Das Leitungsband des Halbleiters entspricht gerade den in der $x$-$y$-Koordinatensystem stark gebundenen Elektronen. Es sind also im Halbleiters zunächst keine bewegliche Elektronen vorhanden (das Leitungsband ist unbesetzt, das Valenzband ist vollständig besetzt). Die Bandlücke bei Halbleitern liegt in etwa im Bereich von $0,1 ... 4eV$ [(Note4> Das Elektronenvolt (eV) entspricht der Energie, die ein Elektron aufnimmt, wenn es in eine Potentialdifferenz von einem Volt durchläuft. Ein Elektronenvolt entspricht $1,602\cdot 10^{-19} J$. Da die Energie in Joule unhandlich und nicht leicht verständlich ist, wird diese auf die Energiegewinn eines Elektrons in Volt umgerechnet.)] \\ Elektronen könnten mit **Zuführung von Energie** aus den Bindungen gelöst werden. Die benötigte Energie kann ein Elektron auf zwei Arten erhalten: Entweder durch eine Anregung des elektromagnetischen Feldes, also einem Lichtquant, oder durch eine Anregung des elastischen Feldes, also Gitterschwingungen des Kristalls. Lichtquanten werden auch Photonen, quantisierte Gitterschwingungen auch Phonon genannt. Im <imgref picz> 2a oben links wird ein Photon von einem Elektron absorbiert und damit aus der Bindung gerissen. Das Elektron nimmt die Energie des Photons auf. Es wird angeregt und um diesen Betrag auf der $W$-Achse angehoben. Daraus ergibt sich auch, dass nur Energiequanten absorbiert werden können, die ein Anheben auf ein vorhandenes und freies Niveau ermöglichen. Durch die Energieaufnahme ergibt sich im Leitungsband ein im Kristall bewegliches Elektron. Zudem hinterlässt das Elektron im Valenzband ein positiv-geladenes Loch. Diesen Prozess nennt man **Generation von Elektronen-Loch Paaren**. Zur Leitfähigkeit tragen im undotierten Halbleiter sowohl Elektronen- als auch Löcherleitung bei. Der umgekehrte Prozess - die **Rekombination** von Elektronen mit Löchern, findet in Silizium nach einigen Dutzend Mikrosekunden, bzw. einigen Dutzend Mikrometern statt. Dabei wird der Energiebetrag der Bandlücke wieder abgegeben. \\ <imgcaption pic0|Bändermodell und Dotierung>{{ https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c0/Halbleiter1.PNG?420|Bändermodell und Dotierung}}</imgcaption> Da das Kristallgitter bei Raumtemperatur bereits thermische Energie enthält (die Atomrümpfe bewegen sich), sind auch Phononen im Kristall vorhanden. Die Phononen haben eine breite, energetische Verteilung. Bei Raumtemperaturen liegt die durchschnittliche Energie eines Phonons bei $k_B\cdot T = 26 meV$. Bei Silizium haben etwa 0,000 000 000 01 % (etwa jedes $10^{13}$te) der Phononen hinreichend viel Energie, um ein Elektron vom Valenzband zum Leitungsband zu heben. Dies reicht aber aus, um bei Raumtemperatur und einem Volumen von $1 cm^3$ (etwa $5\cdot 10^{22}$ Atome) reinem Silizium etwa 10 Milliarden Ladungsträger ($10^{10}$) bereitzustellen. Diese Ladungsträger ermöglichen die oben beschriebene Eigenleitung. Im vorherigen Unterkapitel wurde auch eine weitere Möglichkeit beschrieben, wie die Anzahl der Ladungsträger erhöht werden kann: die Dotierung mit Fremdatomen. Diese setzt voraus, dass das verwendete Halbleitermaterial sehr rein und kristallin gewachsen ist. Verunreinigungen und kristalline Störstellen können ebenso leitfähige Ladungsträger erzeugen. Das Halbleitermaterial sollte weniger als einen Defekt pro $10^{10}$ Atome haben (entspricht etwa einem Menschen auf die Menschheit). In diesem Fall würde darin die Eigenleitung überwiegen. Zur Dotierung wird ein Fremdatom auf $10^5...10^{10}$ Halbleiteratome dazu gegeben. Im Bändermodell ergibt eine n-Dotierung zusätzliche Elektronen im Leitungsband und zusätzliche positiv geladene, feststehende Rekombinationszentren durch die feststehenden, positiven Atomrümpfe, sogenannte (Elektronen-)**Donatoren** (<imgref pic0>: rote Markierung bei n-Dotierung in b,c,d). Eine p-Dotierung erzeugt zusätzliche Löcher im Valenzband und feststehende negativ geladene Rekombinationszentren, sogenannte (Elektronen-)**Akzeptoren**. ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 2.2 PN-Übergang und Funktionsprinzip einer Diode ===== <WRAP right> {{youtube>HdXaTn-JRCo?size=543x392&start=52}} </WRAP> ++++ Video-Transkript | <imgcaption pic3|Schaltzeichen einer Diode>{{ :elektronische_schaltungstechnik:mfile6xschaltzeichen-diode_neu.png?nolink&200|Schaltzeichen einer Diode}}</imgcaption> Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement, das Strom nur in eine Richtung durchlässt. Es kann also als Ventil für den Strom angesehen werden. Das Schaltzeichen ist in <imgref pic3> abgebildet. Die Pfeilspitze zeigt dabei die Richtung an, in der die Diode Strom passieren lässt, wobei hier die technische Stromrichtung, also die Bewegung positiver Ladungsträger, gemeint ist. Dies bedeutet, dass die Diode den Strom leitet, wenn links der Pluspol und rechts der Minuspol einer Gleichspannungsquelle angelegt werden ("Strich" der Diode ist am Minuspol angeschlossen). Wenn man die Diode anders gepolt anschließt, leitet sie den Strom nicht. Leitet die Diode den Strom, ist sie in Durchlassrichtung geschaltet, leitet sie ihn nicht, ist sie in Sperrrichtung geschaltet. ++++ Im der unten abgebildeten Simulation werden drei Beispiele für Dioden in Schaltungen betrachtet. \\ Im **ersten Beispiel links** ist die Spannungsquelle so gepolt, dass die Diode in Durchlassrichtung geschaltet ist. Die Glühlampe leuchtet. \\ Im ersten Beispiel rechts sperrt die Diode. Die Glühlampe bleibt dunkel. \\ Im zweiten Beispiel (mitte) ist eine **ideale Diode** - also ein richtungsabhängiges Stromventil - zu sehen. Daneben ist die Übertragungskennlinie bzw. Strom-Spannungs-Kennlinie (in diesem Fall auch Diodenkennlinie genannt) abgebildet. Die Spannung an der Diode ist dabei auf der x-, der Strom durch die Diode auf der y-Achse abgetragen. Die Diode ist bei allen Spannungen unter 0V nicht-leitend, bei allen Spannungen darüber leitet Sie den Strom. \\ Im letzten Beispiel (rechts) ist eine **reale Diode** verschaltet. Die reale Diode unterscheidet sich in folgenden Punkten von der idealen Diode: - Die reale Diode hat keinen so steilen Anstieg - Die reale Diode hat einen nicht-linearen Widerstand; sie ist kein ohmscherWiderstand - Die reale Diode scheint eine Mindestspannung zu benötigen, um einen Strom fließen zu lassen. Die Details zur realen Diode werden in Folgenden beschrieben. <WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.00005+1.2+50+1+50%0AR+288+192+288+160+0+3+50+1+0+0+0.5%0A34+fwdrop%5Cq0.01+0+1e-7+0+0.024+0%0Ad+288+192+288+272+2+fwdrop%5Cq0.01%0Ag+288+320+288+336+0%0A403+336+160+576+336+0+1_64_0_4163_1.25e-8_5.12e-7_1_2_1_3%0A181+288+272+288+320+0+724174811.0921334+0.001+0.001+0.0001+0.0001%0Ax+288+110+421+113+4+24+ideale%5CsDiode%0Ab+224+128+588+360+0%0Ab+608+128+972+360+0%0Ax+672+110+794+113+4+24+reale%5CsDiode%0A181+672+272+672+320+0+3738+0.0001+0.001+0.0001+0.0001%0Ag+672+320+672+336+0%0Ad+672+192+672+272+2+1N4004%0AR+672+192+672+160+0+3+50+1+0+0+0.5%0A403+720+160+960+336+0+12_64_0_4163_1.25_0.8_1_2_12_3%0Ab+-160+128+204+360+0%0Ax+-123+110+142+113+4+24+Durchlass-/Sperrrichtung%0A181+-96+272+-96+320+0+1024930202.4456751+0.001+0.001+0.0001+0.0001%0Ag+-96+320+-96+336+0%0Ad+-96+192+-96+272+2+fwdrop%5Cq0.01%0AR+-96+192+-96+160+0+0+50+1+0+0+0.5%0AR+48+192+48+160+0+0+50+1+0+0+0.5%0Ad+48+272+48+192+2+fwdrop%5Cq0.01%0Ag+48+320+48+336+0%0A181+48+272+48+320+0+300+0.001+0.001+0.0001+0.0001%0Ax+558+268+570+271+4+18+U%0Ax+944+272+956+275+4+18+U%0Ax+465+171+470+174+4+18+I%0Ax+846+168+851+171+4+18+I%0Ax+893+272+930+275+4+18+0,7V%0A 1100,400 noborder}} </WRAP> <imgcaption pic5|Entstehung des p-n-Übergangs>{{ https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d5/Halbleiter2.PNG?400|Entstehung des p-n-Übergangs}}</imgcaption> In einer Diode stoßen zwei verschieden dotierte Schichten von Silizium aufeinander, nämlich p-dotiertes Silizium ("p-Kristall") auf der einen und n-dotiertes Silizium ("n-Kristall") auf der anderen Seite. Es soll zunächst die Situation __ohne äußere Spannung__ betrachtet werden (vergleiche <imgref pic5>). Auf der n-dotierte Seite werden sich bei Raumtemperatur viele frei beweglichen Elektronen lösen und Akzeptoren ortsfest hinterlassen. Gleiches ist auf der p-dotierten Seite zu sehen: die frei beweglichen Löcher hinterlassen Donatoren. in der Mitte, am **pn-Übergang**, treffen beide bewegliche Ladungsträger, Elektronen und Löcher, aufeinander. Beim direkten Aufeinandertreffen werden beide Ladungsträger sich aufheben, sie **rekombinieren**. Dabei entsteht ein Photon (elektromagnetische Schwingung) und/oder ein Phonon (Gitterschwingung). Durch die Rekombination bildet sich eine Schicht, die **Sperrschicht**, welche weitgehend frei von freien beweglichen Ladungsträgern ist. Die Sperrschicht wirkt zunächst als Isolator. __Mit äußerer Spannung $U_D$__ an der Diode sind zwei Fälle zu unterscheiden (<imgref pic6>): - Anlegen einer positiver Spannung von p-dotierte Seite nach n-dotierter Seite \\ (Diodenspannung = Vorwärtsspannung $U_D = U_F$, $U_F>0$). - Anlegen einer negativen Spannung von p-dotierte Seite nach n-dotierter Seite \\ (Diodenspannung = Sperrspannung $U_D = -U_R$, $U_R>0$). ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <imgcaption pic6|Funktionsweise einer Halbleiterdiode>{{ https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7b/Halbleiter3.PNG?400|Funktionsweise einer Halbleiterdiode}}</imgcaption> Zur Erstellung der Dioden-Kennlinie kann ein Dreieck- oder Sägezahn-Signal aufgebracht werden (siehe Falstad-Simulationen). === Vorwärtsspannung $U_F>0$ === Wird an die __p-dotierte Seite ein positives Potential__ angelegt, so werden die dort frei beweglichen Löcher zum pn-Übergang getrieben. Auf der n-dotierten Seite liegt dann negatives Potential, das die frei beweglichen Elektronen ebenfalls in Richtung pn-Übergang treibt. Am pn-Übergang können Löcher und Elektronen sich gegenseitig neutralisieren. So können weiter Löcher vom Pluspol und Elektronen vom Minuspol nachrücken und es fließt ein elektrischer Strom durch die Diode. Die Diode ist in **Durchlassrichtung** geschaltet. Bei den üblichen Dioden fallen in Durchlassrichtung ungefähr $0,7 V$ ab. Das heißt der Strom passiert die Diode natürlich nicht komplett widerstandslos, sondern es muss dafür die Schleußenspannung $U_F$ von ca. $0,7 V$ von außen angelegt werden.[(Note2>In der Literatur ist die Schleußenspannung unter weiteren Namen zu finden: Durchlassspannung, Schwellenspannung, Flussspannung, Knickspannung, Vorwärtsspannung.)]. Diese Spannung ergibt sich aus der auf ein Elektron bezogenen Energiedifferenz der Bandlücke, welche bei Silizium etwa $1,1eV$ beträgt, aber durch die thermische Energie (Phononen) verringert wird. Bei genauerer Betrachtung gleicht der Verlauf einer Exponentialfunktion. Diese lässt sich durch die [[https://de.wikipedia.org/wiki/Shockley-Gleichung|Shockley-Gleichung]] beschreiben: ^$\boxed{\large{I_F = I_S(T)\cdot (e^{\frac{U_F}{m\cdot U_T}}-1)}}$^^^ | $\small{I_F}$ | <fs small> Durchlassstrom an der Diode (Forward Current)</fs> | "positiver Strom an der Diode" | | $\small{U_F}$ | <fs small> Durchlass-, bzw. Vorwärtsspannung (Forward Voltage)</fs> | "positive Spannung an der Diode" | | $\small{I_S(T)}$ | <fs small> Sperrstrom (Saturation or Leakage Current)</fs> | "vorhandener Strom bei Schaltung in Sperrichtung" | | $\small{m}$ | <fs small> Emissionskoeffizient (1...2) </fs> | "Kniffelfaktor, nur ein Teil der Energie von $U_F$ wirkt auf die Ladungsträger" | | $\small{U_T}$ | <fs small> Temperaturspannung ($26mV$ bei Raumtemp.)</fs> | "Energie aufgrund der Temperatur bezogen auf die Ladung" | <WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.00005+0.62547+85+2+50%0AR+-256+192+-256+176+0+3+200+0.93+0+1.396+0.5%0A34+1N4148_-75%C2%B0+0+4.352e-9+0.6458+1.27+110%0Ad+-336+272+-336+304+2+1N4148_-75%C2%B0%0Ag+-336+304+-336+320+0%0A160+-256+192+-256+224+0+20+10000000000%0AR+-240+208+-224+208+1+2+50+2.5+2.5+0+0.5%0AR+-288+240+-272+240+1+2+100+2.5+2.5+0+0.5%0A160+-304+224+-304+256+0+20+10000000000%0Aw+-304+224+-272+224+0%0A160+-208+224+-208+256+0+20+10000000000%0AR+-192+240+-176+240+1+2+100+2.5+2.5+0+0.5%0Aw+-240+224+-208+224+0%0Ag+-288+304+-288+320+0%0A34+1N4148_+0+4.352e-9+0.6458+1.906+110%0Ad+-224+272+-224+304+2+1N4148_%0Ag+-176+304+-176+320+0%0Ag+-224+304+-224+320+0%0A34+1N4148_-25%C2%B0+0+4.352e-9+0.6458+1.59+110%0Ad+-288+272+-288+304+2+1N4148_-25%C2%B0%0Aw+-320+256+-336+256+0%0Aw+-336+256+-336+272+0%0Aw+-288+256+-288+272+0%0Aw+-224+256+-224+272+0%0Aw+-192+256+-176+256+0%0Aw+-176+256+-176+272+0%0A403+-144+144+160+368+0+0_1024_0_4162_5e-56_1e-57_0_2_0_3%0Ax+99+268+103+271+4+18+%7C%0Ax+72+285+109+288+4+18+0,7V%0Ax+152+276+164+279+4+18+U%0Ax+15+169+20+172+4+18+I%0A34+1N4148_%5Cp75%C2%B0+0+4.352e-9+0.6458+2.22+110%0Ad+-176+272+-176+304+2+1N4148_%5Cp75%C2%B0%0Ax+-360+354+-309+357+4+18+-75%C2%B0C,%0Ax+-307+354+-256+357+4+18+-25%C2%B0C,%0Ax+-242+353+-197+356+4+18+25%C2%B0C,%0Ax+-189+353+-149+356+4+18+75%C2%B0C%0Ax+133+161+179+164+4+18+-75%C2%B0C%0Ax+133+184+179+187+4+18+-25%C2%B0C%0Ax+130+206+180+209+4+18+%5Cp25%C2%B0C%0Ax+130+227+180+230+4+18+%5Cp75%C2%B0C%0Ax+-327+130+149+133+4+24+Temperaturabh%C3%A4ngigkeit%5Csder%5CsDiodenkennlinie%0Ax+-407+356+-365+359+4+24+T%5Cs%5Cs%5Cq%0Ax+-397+363+-385+366+4+18+D%0A 600,400 noborder}} </WRAP> Aus der exponentiellen Funktion lassen sich mehrere Konsequenzen ableiten: - Die Durchlassspannung $U_F$ von ca. $0,7 V$ ist davon abhängig, welcher Strom(/Spannungs-)bereich betrachtet wird. $0,6...0,7V$ ist ein geeigneter Wert für Störme im Bereich von $5...100mA$. Dieser Bereich ist wird in den meisten Schaltungen genutzt. Bei kleineren Strömen sinkt auch die Durchlassspannung $U_F$ \\ (z.B. für $5...100\mu A \rightarrow ca. 0,4V$,(nbsp)(nbsp) $0,1...1\mu A \rightarrow ca. 0,2V$, siehe folgende Falstad Simulation). - Die Durchlassspannung und der Spannungsverlauf ist temperaturabhängig. Je höher die Temperatur, desto mehr Strom fließt bei gleicher Spannung. Wird also eine Diode direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen, so würde bei Strömen über ca $50mA$ über die Eigenerwärmung [(Note1>Die Eigenerwärmung $Q$, bzw. Temperaturerhöhung $\Delta \vartheta$ ergibt sich direkt über die Verlustleistung $P_{loss}=U_D \cdot I_D = \dot{Q} = C\cdot \Delta \vartheta$.)] der Strom stark ansteigen bis zum / über den Maximalstrom. <WRAP column 40%> <panel type="danger" title="Merke"> <WRAP group><WRAP column 7%>{{fa>exclamation?32}}</WRAP><WRAP column 80%> Wird eine Diode verwendet, ist zu beachten, dass diese thermisch stabilisiert werden muss. Eine häufig verwendete Methode ist die Verwendung eines Widerstands, z.B. Lastwiderstand oder Vorwiderstand bei einer LED. </WRAP></WRAP></panel> </WRAP> <WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.00005+0.62547+85+2+50%0Ab+192+144+524+376+0%0Ax+194+128+428+131+4+24+reale%5CsDiode%5Cs(%C2%B1500mV)%0Ag+224+288+224+320+0%0A34+1N4148_+0+4.352e-9+0.6458+1.906+110%0Ad+224+208+224+288+2+1N4148_%0AR+224+208+224+176+0+3+50+0.5+0+0+0.5%0A403+272+176+512+352+0+4_64_0_4167_1.25e-56_8e-57_1_2_4_3%0AR+-128+208+-128+176+0+3+50+0.95+0+0+0.5%0Ad+-128+208+-128+288+2+1N4148_%0Ag+-128+288+-128+336+0%0Ax+-128+126+106+129+4+24+reale%5CsDiode%5Cs(%C2%B1950mV)%0Ab+-160+144+172+376+0%0A403+-80+176+160+352+0+7_512_0_4161_5e-96_1.6e-96_0_2_7_3%0Ax+46+185+51+188+4+18+I%0Ax+398+181+403+184+4+18+I%0Ax+152+285+164+288+4+18+U%0Ax+501+283+513+286+4+18+U%0Ax+74+286+111+289+4+18+0,7V%0Ax+101+269+105+272+4+18+%7C%0Ax+444+289+481+292+4+18+0,4V%0Ax+467+271+471+274+4+18+%7C%0Ax+299+247+311+250+4+18+U%0Ax+315+254+325+257+4+18+Z%0AR+576+208+576+176+0+3+50+0.3+0+0+0.5%0Ad+576+208+576+288+2+1N4148_%0Ag+576+288+576+320+0%0A403+624+176+864+352+0+23_512_0_4161_5e-48_4e-46_0_2_23_3%0Ab+541+144+873+376+0%0Ax+543+128+777+131+4+24+reale%5CsDiode%5Cs(%C2%B1300mV)%0Ax+747+181+752+184+4+18+I%0Ax+850+283+862+286+4+18+U%0Ax+774+292+811+295+4+18+0,2V%0Ax+795+272+799+275+4+18+%7C%0Ax+648+247+660+250+4+18+U%0Ax+664+254+674+257+4+18+Z%0Ax+329+223+381+226+4+18+100%CE%BCA%0Ax+387+214+397+217+4+18+_%0Ax+695+228+727+231+4+18+1%CE%BCA%0Ax+739+219+749+222+4+18+_%0Ax+34+223+44+226+4+18+_%0Ax+-24+229+33+232+4+18+100mA%0A 1100,400 noborder}} </WRAP> === Sperrspannung $U_R>0$ === Wird die __Diode entgegengesetzt kontaktiert__, also Pluspol an der n-dotierten Seite und Minuspol an der p-dotierten Seite, kann dagegen kein Strom fließen. Denn aus der n-dotierten Seite werden die freien Elektronen vom Pluspol abgesaugt, und aus der p-dotierten Seite werden die freien Löcher entfernt. Dazwischen entsteht eine sogenannte Verarmungszone ohne freie Ladungsträger. Durch diese Verarmungszone kann keine elektrische Ladung transportiert werden und die Diode kann "keinen Strom" leiten. Die Diode ist in **Sperrrichtung** geschaltet. Tatsächlich kann die Diode dennoch einen sehr kleinen **Sperrstrom** $\boldsymbol{I_S}$ leiten: Durch die thermische Energie werden immer wieder freien Elektronen und freie Löcher gebildet, die eine Leitfähigkeit ermöglichen. Dadurch ist auch klar, dass der Sperrstrom temperaturabhängig ist. $I_S(T)$ liegt im Bereich $100nA...10\mu A$. Wird die Sperrspannung betragsmäßig weiter erhöht, dann werden immer stärker die freien Ladungsträger abgesaugt. Ab einer bestimmten negativen Spannung wird die Energie der frei bewegliche Ladungsträger so groß, dass diese weitere Ladungsträger herausschlagen, welche wiederum welche herausschlagen. Dadurch ergeben sich lawinenartig viele frei bewegliche Ladungsträger und die Diode wird abrupt leitend. Diese Situation wird **Durchbruch** genannt. Die Spannung wird, nach dem Entdecker [[https://de.wikipedia.org/wiki/Zener-Effekt|Clarence Zener]], mit $U_Z$ bezeichnet. Für eine gewöhnliche Diode ist der Durchbruch problematisch, da er nicht bei einer definierten Spannung auftritt. Ohne genaue Kenntnis dieser Spannung wird durch den schnellen Stromanstieg die Diode schnell zerstört. Neben dem Lawinen-Durchbruch bei hohen negativen Spannungen gibt es bei hoch-dotierten Materialien aufgrund quantenmechanischer Prozesse einen Zener-Durchbruch bei niedrigen Spannungen. Durch geeignete Strukturierung ist es möglich beide Effekte in der sogenannten **Z-Diode** zu kombinieren. Dies hat zwei große Vorteile: einerseits ist es damit möglich Dioden zu erzeugen, die bei beliebigen (negativen) Spannungen durchlassen. Andererseits lässt sich damit die Temperaturabhängigkeit des Verlaufs kompensieren. <WRAP column 100%> <panel type="danger" title="Merke"> <WRAP group><WRAP column 7%>{{fa>exclamation?32}}</WRAP><WRAP column 80%> Z-Dioden werden für den Betrieb in Gegenrichtung verschaltet. Z-Dioden gibt es vorgefertigt für verschiedenen Durchbruchspannungen $U_Z$ </WRAP></WRAP></panel> </WRAP> In der Dioden-Kennlinie $I_D(U_D)$ sind die einzelnen Spannungsbereiche nach den jeweiligen Wirkungen bezeichnet: Durchbruchbereich ($U < U_Z$), Sperrbereich ($U_Z < U < U_F$), Durchlassbereich ($U > U_F$). <WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.00005+0.487+50+2+50%0Ab+192+144+556+376+0%0Ax+226+128+534+131+4+24+reale%5CsDiode%5Cs(mit%5CsDurchbruch)%0A181+256+288+256+336+0+300+0.0001+0.001+0.0001+0.0001%0Ag+256+336+256+352+0%0Ad+256+208+256+288+2+1N4004%0AR+256+208+256+176+0+3+50+300+-200+0+0.5%0A403+304+176+544+352+0+5_64_0_4163_1.25_0.8_1_2_5_3%0AR+-128+208+-128+176+0+3+50+1+0+0+0.5%0Ad+-128+208+-128+288+2+1N4004%0Ag+-128+336+-128+352+0%0A181+-128+288+-128+336+0+300.02082248671826+0.0001+0.001+0.0001+0.0001%0Ax+-128+126+-6+129+4+24+reale%5CsDiode%0Ab+-192+144+172+376+0%0A403+-80+176+160+352+0+8_512_0_4161_5e-8_1.6e-8_0_2_8_3%0Ax+46+185+51+188+4+18+I%0Ax+430+181+435+184+4+18+I%0Ax+152+285+164+288+4+18+U%0Ax+533+283+545+286+4+18+U%0Ax+77+296+114+299+4+18+0,7V%0Ax+90+269+94+272+4+18+%7C%0Ax+434+257+471+260+4+18+0,7V%0Ax+423+267+427+270+4+18+%7C%0Ax+331+247+343+250+4+18+U%0Ax+347+254+357+257+4+18+Z%0AR+640+208+640+176+0+3+50+8+-2+0+0.5%0Ad+640+208+640+288+2+default-zener%0Ag+640+336+640+352+0%0A181+640+288+640+336+0+2913755504.5533524+0.0001+0.001+0.0001+0.0001%0A403+688+176+928+352+0+25_512_0_4161_5e-8_0.000004096_0_2_25_3%0Ab+573+144+937+376+0%0Ax+607+128+740+131+4+24+Zener-Diode%0Ax+811+181+816+184+4+18+I%0Ax+914+283+926+286+4+18+U%0Ax+814+291+851+294+4+18+0,7V%0Ax+817+268+821+271+4+18+%7C%0Ax+712+247+724+250+4+18+U%0Ax+728+254+738+257+4+18+Z%0Ax+704+269+708+272+4+18+%7C%0Ax+366+387+426+390+4+120+%E2%86%91%0Ax+309+417+369+420+4+120+%E2%86%91%0Ax+410+361+470+364+4+120+%E2%86%91%0Ax+433+412+618+415+4+24+Durchlassbereich%0Ax+333+464+535+467+4+24+Durchbruchbereich%0Ax+389+437+526+440+4+24+Sperrbereich%0A 1100,400 noborder}} </WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 2.3 Spezialdioden ===== Neben der bisher besprochenen Silizium-PN-Diode und der Z-Diode sind noch weitere Dioden für verschiedene Anwendungen vorhanden. Im folgenden sollen die wichtigsten kurz beschrieben werden. ^ Diodenname ^ Besonderheiten beim Aufbau ^ Eigenschaften ^ Anwendungen | Ga-Diode | Verwendung von Gallium statt Silizium | Durchlassspannung $U_D=0,3V$ ist geringer, damit \\ ist die Reaktion der Diode näher an einer idealen Diode. | | (O)LED | Verwendung von anderer (organischer) Halbleitermaterialien statt Silizium | hohe Durchlassspannung $U_D>2V$, damit auch eine große Bandlücke. Wird diese in Durchlassrichtung betrieben, so entstehen durch die Rekombination Photonen. | | Schottky-Diode | Verwendung von Metall statt Silizium auf der p-Seite | | | PIN-Diode | zwischen **p**-dotiertem und n-dotiertem Bereich \\ liegt ein undotierter Bereich (**i**ntrisisch leitend) | | <WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.0005+0.2031+87+2+50%0Ag+192+336+192+352+0%0AR+48+192+48+160+0+3+50+0.1+0+0+0.5%0A403+288+160+576+384+0+1_64_0_4163_1.25e-72_8e-73_1_2_1_3%0Ax+438+167+443+170+4+18+I%0Ax+557+288+569+291+4+18+U%0Ax+483+300+530+303+4+18+0,05V%0Ax+501+279+505+282+4+18+%7C%0Ad+64+288+64+336+2+1N5711%0Ad+112+288+112+336+2+1N4148%0Ar+112+336+192+336+0+1000%0Ax+38+359+111+404+4+18+Schottky%5C%5CnDiode%5C%5Cn(1N5711)%0Ax+131+274+206+319+4+18+Silizium%5C%5CnDiode%5C%5Cn(1N4148)%0A34+1N34_+0+0.0000026+6.5+1.6+75%0Ad+16+288+16+336+2+1N34_%0Aw+64+224+96+224+0%0Aw+112+336+64+336+0%0Aw+64+336+16+336+0%0Aw+112+256+112+288+0%0Aw+80+256+64+256+0%0Aw+64+256+64+288+0%0Aw+16+256+16+288+0%0Aw+32+224+16+224+0%0Aw+16+224+16+256+0%0Ax+-109+278+-2+302+4+18+Germanium%5C%5CnDiode%5Cs(1N34)%0AS+48+192+48+224+0+0+false+0+2%0AS+96+224+96+256+0+0+false+0+2%0A 1100,400 noborder}} </WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 2.4 Rechnungen mit Dioden ===== <WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.00005+1.4391916095149893+50+1+50%0Ab+656+128+956+360+0%0Ax+688+110+810+113+4+24+reale%5CsDiode%0Ag+688+320+688+336+0%0Ad+688+192+688+320+2+1N4004%0AR+688+192+688+160+0+3+50+0.8+0+0+0.5%0A403+704+160+944+336+0+4_64_0_4163_1.25e-32_8e-33_1_2_4_3%0Ax+928+272+940+275+4+18+U%0Ax+830+168+835+171+4+18+I%0Ax+877+272+914+275+4+18+0,7V%0Av+1008+272+1008+224+0+0+40+0.7+0+0+0.5%0Ar+1008+192+1008+224+0+1%0Ax+1008+110+1192+113+4+24+idealisierte%5CsDiode%0Ag+1008+320+1008+336+0%0A34+fwdrop%5Cq0.01+0+1e-7+0+0.024+0%0Ad+1008+272+1008+320+2+fwdrop%5Cq0.01%0AR+1008+192+1008+160+0+3+50+0.8+0+0+0.5%0A403+1040+160+1280+336+0+14_1024_0_4162_5e-88_1e-89_0_2_14_3%0Ab+982+128+1298+360+0%0Ax+1266+268+1278+271+4+18+U%0Ax+1166+166+1171+169+4+18+I%0Ax+1214+270+1251+273+4+18+0,7V%0A 600,400 noborder}} </WRAP> Die idealisierte Diode besteht aus: * einer idealen Diode, welche maximal leitfähig ist, wenn $U>0$, * einer Spannungsquelle, welche die Durchlassspannung bereitstellt: $U_Q = U_D$ * einem ohmschen Widerstand mit einen Widerstandswert in der Art, dass für den gewünschten Spannungsbereich (=Arbeitspunkt) die reale Diodenkennlinie angenähert wird. Dieser Widerstand wird differentieller Widerstand $r_D$ genannt. Ist man nur an dem Verhalten der Diode in bei Spannungen oberhalb der Durchlassspannung ($U>U_D$) interessiert, dann kann die Ideale Diode auch entfernt werden. In den nebenstehenden Videos sind zwei der wesentlichen Rechnungen im Umgang mit Dioden gezeigt ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ <WRAP right> {{youtube>iNZj91TSRUg?size=500x360}} </WRAP> <WRAP> {{youtube>ckDSBLjS1SM?size=500x360}} </WRAP> ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ ===== 2.6 Anwendungen ===== ==== 2.5.1 Dioden ==== Der Einweggleichrichter ermöglicht die Erzeugung eines rein positiven Spannungsverlaufs (siehe Simulation in [[http://www.falstad.com/circuit/e-rectify.htmll|Falstad]]). Zu beachten ist hierbei, dass in Falstad ein einfaches Modell der Diode genutzt wird. Die äußert sich u.a. dadurch, dass die Diode unabhängig von der Frequenz die Gleichrichtung ermöglicht. \\ Hier lohnt der Vergleich mit TINA TI. Bauen Sie dazu dort einen Gleichrichter auf und analysieren Sie sein Verhalten für 50Hz und 400kHz. Weitere Anwendungen der Diode sind unter anderem in der [[http://www.falstad.com/circuit/e-dcrestoration.html|Verschiebung eines Spannungsverlaufs in den positiven Bereich]], das [[http://www.falstad.com/circuit/e-inductkick-block.html|"Freilaufen" des Stroms einer Induktivität]], [[http://www.falstad.com/circuit/e-voltdouble.html|Spannungsvervielfacher]] (auch [[http://www.falstad.com/circuit/e-voltquad.html|kaskadierbar]]) oder [[http://www.falstad.com/circuit/e-diodelimit.html|Überspannungsschutz]]. ====== Aufgaben ====== <panel type="info" title="Aufgabe 2.1.1 Diode bei höheren Frequenzen"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> xxx </WRAP></WRAP></panel> <panel type="info" title="Aufgabe 2.1.2 Berechnung einer Diodenschaltung"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> xxx </WRAP></WRAP></panel> <panel type="info" title="Aufgabe 2.1.3 Z-Diode als Spannungsreferenz"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%> xxx </WRAP></WRAP></panel> <WRAP onlyprint> * Durchlassspannung bei kleineren Strömen * Temperaturabhängigkeit der Diode * Diode bei höheren Frequenzen * Z-Diode als Spannungsreferenz * Klemmschaltung für Z-Diode: <WRAP right> {{youtube>KUEfaL2weNU?size=543x392}} </WRAP> Unterdrückung induktiver Schaltspitzen als Falstad Simu PIN Diode (Solarzelle) </WRAP> ====== Lernfragen ====== * Zeichnen Sie in einem U-I Diagramm die Kennlinie eines einer idealen Diode und einer realen Siliziumdiode ein und erklären Sie die Unterschiede. * Was versteht man unter n- und p-dotiert? * Wie bildet sich eine Sperrschicht innerhalb der Diode? * Was versteht man unter einer Schwellenspannung? * Warum fällt an einer Diode Spannung ab? * Skizzieren Sie den Schichtenaufbau einer Diode und bezeichnen Sie die drei gebildeten Schichten. * Welche Art freier Ladungsträger ist in diesen Schichten jeweils verfügbar? * Zeichnen Sie die entstehenden elektrischen Felder in der Diode ein, wenn kein äußeres Feld anliegt. * Erklären Sie, wie durch eine externe Spannung die Diode in einen leitfähigen Zustand gebracht werden kann. * Erklären Sie die Funktionsweise einer Diode anhand einer Skizze. Zeichnen Sie folgende Bereiche ein: p-dotierter Teil, n-dotierter Teil, Sperrschicht. * Gegeben ist ein Schichtaufbau einer Diode (n-Dotierung und p-Dotierung erkennbar). Wie müsste die Diode angeschlossen werden, damit sie Strom durchlässt? * typische Diodenkennlinie für Siliziumdioden * Zeichnen sie eine Kennlinie für Siliziumdioden. * Welche Spannung ist hierbei kennzeichnend? (Fachbegriff der Spannung, Größe der Spannung, relevanter Strombereich) * Fügen Sie die Fachbegriffe der drei relevanten Spannungsbereiche ein. * Z-Diode * Erklären Sie das Funktionsprinzip einer Z-Diode anhand ihrer Kennlinie. * Zeichnen Sie den Stromverlauf einer 6V8 Diode in ein Spannungs-Strom-Diagramm ein. * Was muss bei der Wahl eines Diodentyps beachtet werden? * Nennen Sie drei Anwendungsfälle von Dioden und skizzieren Sie den Aufbau. * Gleichrichterschaltungen * Zeichnen Sie einen Einweggleichrichter. Zeichnen Sie einen Brückengleichrichter. * Gegeben ist eine sinusförmige Eingangsspannung von 3V. Zeichnen Sie den Signalverlauf der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der beiden Gleichrichter über 2 Perioden für 50 Hz in ein Diagramm. * Wie kann die Ausgangsspannung geglättet werden? Wie kann der Ausgangsstrom geglättet werden? * Gegeben ist eine sinusförmige Eingangsspannung von 3V. Was ist zu beachten, wenn sehr hohe Frequenzen gleichgerichtet werden sollen? Zeichnen Sie einen möglichen Signalverlauf der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der beiden Gleichrichter über 2 Perioden für 50 GHz in ein Diagramm. * Zeichnen Sie eine Schaltung, mit welcher die __positive__ Halbwelle einer Sinusspannung abgeschnitten werden kann. --> Referenzen zu den genutzten Medien # ^ Element ^ Lizenz ^ Link ^ | Video: Stromkreiselemente - Dioden und Transistoren - Teil 1 | [[https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/legalcode|CC-BY (Youtube)]] | https://www.youtube.com/watch?v=YB3pQ7P8SNg | | Video: Stromkreiselemente - Dioden und Transistoren - Teil 2 | [[https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/legalcode|CC-BY (Youtube)]] | https://www.youtube.com/watch?v=HdXaTn-JRCo | | <imgref pic1> | [[https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/|CC-BY-SA 3.0]] | https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schema_-_n-dotiertes_Silicium.svg | | <imgref pic3> | [[https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/|CC-BY-SA 3.0]] | https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schema_-_n-dotiertes_Silicium.svg | | <imgref pic2> | [[https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/|CC-BY-SA 3.0]] | https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Schema_-_p-dotiertes_Silicium.svg | <--