Bauelemente

In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Arten von Halbleiterbauelementen genauer betrachtet, darunter Dioden, Leuchtdioden (LEDs), Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren. Dabei wird auf das elektrische Verhalten, den Aufbau, die wichtigsten Kenngrößen und deren vielfältige Anwendungen eingegangen.

1 Diode

Die Diode ist das Halbleiterbauelement mit dem einfachsten Aufbau, bestehend aus nur einem pn-Übergang. Dadurch ergeben sich zwei Anschlüsse: Die sogenannte Anode am p-dotierten Bereich und die Kathode am n-dotierten Bereich. Wie bereits im Abschnitt ?? beschrieben, ermöglicht der pn-Übergang den Stromfluss in nur einer Richtung, weshalb Dioden oft zur Gleichrichtung und Spannungsstabilisierung eingesetzt werden.

1.1 Elektrisches Verhalten

Das elektrische Verhalten von Dioden wird wesentlich durch ihre Kennlinie beschrieben, die stark nichtlinear ist. Diese Kennlinie stellt den durch die Diode fließenden Strom in Abhängigkeit von der extern angelegten Spannung dar. Charakteristische Bereiche der Kennlinie sind der Durchlass-, Sperr- und Durchbruchbereich.

• Durchlassbereich: Vom Betrieb im Durchlassbereich wird gesprochen, wenn eine positive Spannung in Richtung der Diode angelegt wird, also wenn das elektrische Potential an der Anode größer ist als das an der Kathode (Bereich rechts von der y-Achse, siehe Abbildung 2). Bei einer Spannung oberhalb der Schleusenspannung (\(U_\mathrm {S}\)) steigt der Diodenstrom näherungsweise exponentiell an. Die Schleusenspannung ist eine materialspezifische Spannung, die mindestens benötigt wird, um die Raumladungszone so stark zu verringern, dass ein Stromfluss ermöglicht wird. Bei Siliziumdioden liegt diese typischerweise bei \(0,6\) bis \({0,7}\,\mathrm {V}\).

• Sperrbereich: Liegt vor, wenn die angelegte Spannung negativ ist (Bereich links von der y-Achse). In diesem Bereich fließt kaum Strom, da der Widerstand der Diode sehr groß ist.

• Durchbruchbereich: Bei einer Spannung oberhalb der Durchbruchspannung (\(U_\mathrm {BR}\)) kommt es zu einem Durchbruch und es fließt schlagartig ein sehr hoher Strom. Ist die Diode nicht speziell für den Durchbruch ausgelegt, führt der hohe Strom zur Überlastung und folglich zur Zerstörung des Bauelements.

Das Ersatzschaltbild einer Siliziumdiode hilft, das Verhalten der Diode in verschiedenen Betriebszuständen besser zu verstehen. Es vereinfacht die reale Diode, indem es ihre wesentlichen Eigenschaften modelliert.
Komponenten des Ersatzschaltbilds:

• Ideale Diode (D): Leitet in Vorwärtsrichtung ohne Spannungsverlust und sperrt in Rückwärtsrichtung vollständig.

• Schleusenspannung/Schwellenspannung (\(U_\mathrm {S}\)/ \(U_\mathrm {T0}\)): Diese Spannung ist der Wert, bei dem ein messbarer Stromfluss durch die reale Diode vorliegt. Im Ersatzschaltbild wird diese durch eine ideale Spannungsquelle dargestellt.

• Differenzieller Widerstand (\(r_\mathrm {D}\)): Der differenzielle Widerstand (\(r_\mathrm {D}\)) beschreibt den Widerstand der Diode im Durchlassbereich. Er ist definiert als die Änderung der Spannung (\(\Delta u_\mathrm {D}\)) geteilt durch die Änderung des Stroms (\(\Delta i_\mathrm {D}\)) und modelliert die Nichtlinearität der Diode nach dem Erreichen der Schleusenspannung.

\begin {equation} r_D = \frac {\Delta u_\mathrm {D}}{\Delta i_\mathrm {D}} \label {Formel 1} \end {equation}

Die Bestimmung des Arbeitspunktes einer Diode ist ein wichtiger Schritt in der Schaltungsentwicklung, da er den stabilen Betriebszustand der Diode unter Berücksichtigung der angelegten Spannung und des Durchlassstroms definiert. Dabei ist es wichtig, die maximale Verlustleistung der Diode zu beachten, um sicherzustellen, dass sie nicht überhitzt und beschädigt wird. Sowohl grafische als auch mathematische Methoden können zur Bestimmung des Arbeitspunktes verwendet werden. Die grafische Methode basiert auf der Darstellung der Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode und der Lastlinie der Schaltung. Der Arbeitspunkt ist der Schnittpunkt dieser beiden Linien. Es kann sowohl der Arbeitspunkt durch den vorgegebenen Widerstand ermittelt werden, als auch der Widerstand auf Basis des gewünschten Arbeitspunktes bestimmt werden. In beiden Fällen sollte der Arbeitspunkt unterhalb der Asymptote für die maximale Verlustleistung der Diode liegen.

Die mathematische Methode basiert auf der Lösung von Gleichungen, die den Durchlassstrom der Diode und den Spannungsabfall über der Last beschreiben. Der Arbeitspunkt wird durch das Gleichsetzen dieser beiden Ausdrücke bestimmt. Dabei ist es wichtig, die maximale Verlustleistung der Diode zu berücksichtigen, um sicherzustellen, dass sie innerhalb ihrer Spezifikationen betrieben wird.

1.2 Aufbau

Wie bereits in der Einleitung beschrieben, besteht die Diode in der Regel aus einem einzelnen pn-Übergang. Neben der bisher betrachteten einfachen Siliziumdiode gibt es noch zahlreiche weitere Dioden. In diesem Abschnitt wird der bisher betrachtete Aufbau mit dem einer Schottky-Diode verglichen. Diese ist sehr verbreitet und kommt ohne pn-Übergang aus.

Die pn-Diode besteht aus zwei Halbleiterregionen, nämlich der p-dotierten (positiv geladenen) und der n-dotierten (negativ geladenen) Region, die sich an einer gemeinsamen Grenzfläche treffen. Die p-Seite wird als Anode und die n-Seite als Kathode bezeichnet. Typischerweise besteht der pn-Übergang aus Silizium oder Germanium. Die Elektronen aus der n-Seite rekombinieren mit den Löchern aus der p-Seite an der Grenzfläche, was zur Bildung einer Raumladungszone führt. Diese Raumladungszone bildet die Barriere für den Stromfluss in Sperrrichtung. Eine Schottky-Diode besteht aus einem Metall-Halbleiter-Übergang anstelle eines pn-Übergangs. Bei der Herstellung müssen keine verschiedenen Dotierungen eingebracht werden. Das Aufbringen einer geeigneten Metallschicht genügt bereits. Das Halbleitermaterial ist typischerweise n-dotiert. Der Übergang zwischen dem Metall und dem Halbleiter bildet eine Schottky-Barriere, die den Stromfluss blockiert. Durch eine geeignete Materialkombination kann sich an der Grenzfläche eine Raumladungszone ausbilden, ähnlich wie bei der Siliziumdiode. Diese Dioden sind für schnelle Schaltvorgänge und einem niedrigen Spannungsabfall in Durchlassrichtung optimiert.

1.3 Spezielle Dioden

Neben den bisher genannten Dioden gibt es noch eine Vielzahl weiterer Varianten, die durch ihren Aufbau verschiedene Eigenschaften aufweisen und entsprechende Anwendungen ermöglichen. Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über typische Dioden.

1.4 Anwendungen/Grundschaltungen

In diesem Abschnitt werden typische Anwendungen und Grundschaltungen von Dioden vorgestellt. Zu den behandelten Themen gehören Einweggleichrichter, Brückengleichrichter sowie Reihen- und Parallelschaltungen von Dioden. Einweggleichrichter und Brückengleichrichter sind wesentliche Schaltungen zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom.

Einweggleichrichter

Ein Einweggleichrichter ist eine einfache Schaltung zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Diese Schaltung besteht typischerweise aus einer einzigen Diode, die in Serie mit der Last angeschlossen ist. Die Hauptfunktion des Einweggleichrichters besteht darin, nur die positiven Halbwellen des Wechselstroms durchzulassen, während die negativen Halbwellen blockiert werden.
Während der positiven Halbwelle des Wechselstroms ist das Potential an der Anode höher als das an der Kathode, wodurch die Diode in Durchlassrichtung leitet. Dies ermöglicht den Stromfluss durch die Diode und die angeschlossene Last, wodurch eine positive Spannung an der Last anliegt. Während der negativen Halbwelle des Wechselstroms ist das Potential an der Anode niedriger als das an der Kathode, sodass die Diode in Sperrrichtung arbeitet und den Stromfluss blockiert. Infolgedessen fällt keine Spannung an der Last ab. In der folgenden Abbildung ist beispielhaft die Eingangsspannung und die resultierende Spannung an der Last dargestellt. Die Differenz der beiden Spannungen (\(\Delta u\)) entspricht dem Spannungsabfall über der Diode. Der Spannungsabfall wird in dem Beispiel mit der Schleusenspannung einer Siliziumdiode angenähert.

Der Einweggleichrichter hat den Vorteil einer einfachen Schaltung und niedriger Kosten, was ihn für grundlegende Anwendungen geeignet macht, bei denen eine einfache Gleichrichtung ausreicht. Allerdings weist diese Schaltung auch erhebliche Nachteile auf. Da nur die positiven Halbwellen des Wechselstroms genutzt werden, ist die Effizienz gering und die Ausgangsspannung hat eine starke Welligkeit, die als Brummspannung bezeichnet wird. Diese Welligkeit kann durch zusätzliche Filter- und Glättungsschaltungen reduziert werden. Um eine stabilere Gleichspannung zu erzeugen kann bereits ein Kondensator ausreichen.

Brückengleichrichter

Ein Brückengleichrichter ist eine weit verbreitete Schaltung zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Diese Schaltung besteht aus vier Dioden, die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind. Der Brückengleichrichter nutzt beide Halbwellen des Wechselstroms, was zu einer effizienteren Gleichrichtung führt als bei Einweggleichrichtern.

Während jeder Halbwelle des Wechselstroms leiten zwei der vier Dioden und bilden einen Pfad für den Stromfluss durch die Last. In der positiven Halbwelle leiten zwei Dioden den Strom in einer Richtung (Abbildung 8 links) und in der negativen Halbwelle leiten die anderen beiden Dioden den Strom in derselben Richtung durch die Last (Abbildung 8 rechts).

Im Folgenden sind die resultierenden Spannungen, als Folge der beiden zuvor gezeigten Strompfade, dargestellt. Dieses Verhalten des Brückengleichrichters führt dazu, dass die Spannung über der Last immer die gleiche Polarität hat, was eine gleichgerichtete Ausgangsspannung erzeugt.

Die Ausgangsspannung hat deutlich kürzere Unterbrechungen im Vergleich zu einem Einweggleichrichter, was eine stabilere und glattere Gleichspannung zur Folge hat. Allerdings benötigt der Brückengleichrichter mehr Dioden als ein Einweggleichrichter, was zu höheren Kosten und einem größeren Spannungsabfall führt.

Reihen- und Parallelschaltung
Die Reihen- und Parallelschaltung von Dioden sind grundlegende Methoden zur Anpassung der elektrischen Eigenschaften von Schaltungen. Diese Konfigurationen werden häufig verwendet, um die Spannungs- und Stromanforderungen von Dioden in verschiedenen Anwendungen zu erfüllen.

• Reihenschaltung: In einer Reihenschaltung werden mehrere Dioden hintereinander geschaltet. Die maximal zulässige Gesamtspannung ergibt sich aus der Summe der Sperrspannungen der einzelnen Dioden. Dies ermöglicht es, höhere Spannungen zu blockieren als mit einer einzelnen Diode. Diese Konfiguration wird oft in Hochspannungsanwendungen eingesetzt.

• Parallelschaltung: In einer Parallelschaltung werden mehrere Dioden parallel geschaltet, wobei die Anoden und Kathoden jeweils miteinander verbunden sind. Diese Konfiguration erhöht die maximale Strombelastbarkeit, da der Strom durch die Dioden aufgeteilt wird. Diese Methode wird oft verwendet, um den Strom zu verteilen und die Belastung einzelner Dioden zu reduzieren.

Durch die Kombination von Dioden in Reihen- oder Parallelschaltungen können die elektrischen Eigenschaften der Gesamtschaltung gezielt angepasst werden, um spezifische Anforderungen zu erfüllen.

2 Bipolartransistor

Der Bipolartransistor (engl.: BJT, bipolar junction transistor) ist ein wesentlicher Bestandteil vieler elektronischer Schaltungen. Er besteht aus drei Schichten von Halbleitermaterialien mit wechselnder Dotierung: dem Emitter (E), der Basis (B) und dem Kollektor (C). Die Funktionsweise eines Bipolartransistors basiert auf der Steuerung des Stromflusses zwischen Kollektor und Emitter durch den Basisstrom. Abhängig von der Reihenfolge der Dotierung wird zwischen npn- und pnp-Transistoren unterschieden. Die folgende Abbildung zeigt sowohl vereinfacht den Querschnitt, die Repräsentation mittels Dioden gemäß den pn-Übergängen und das jeweilige Schaltsymbol.

2.1 Elektrisches Verhalten

Im Folgenden wird das elektrische Verhalten des häufiger verwendeten npn-Transistors anhand der unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten und des zugehörigen Bändermodells betrachtet. Das Verhalten lässt sich entsprechend auch auf den pnp-Transistor übertragen. Gemäß dem Aufbau bilden sich zwischen den drei Schichten zwei pn-Übergänge. Das sperrende Verhalten der beiden Dioden im unbeschalteten Zustand ist sowohl an der ausgebildeten Raumladungszone (RLZ) als auch der hohen Energiedifferenz der Bänder in den verschiedenen Bereichen zu sehen. Die unterschiedlichen Höhen des zusammengesetzten Bändermodells lassen sich aus den Ferminiveaus der einzelnen Bereiche erklären. Im p-Bereich ist das Ferminiveau niedriger als im n-Bereich. Da das Ferminiveau über die einzelnen Bereiche hinweg jedoch konstant ist, ergeben sich die gezeigten Stufen im Bändermodell.

Wird eine positive Spannung zwischen Kollektor und Emitter angelegt befindet sich der pn-Übergang zwischen Basis und Emitter in Durchlassrichtung, der Übergang zwischen Basis und Kollektor ist jedoch in Sperrrichtung, weshalb kein Stromfluss möglich ist. Die durch die Spannungsquelle bereitgestellten Ladungsträger reduzieren die RLZ zwischen Basis und Emitter. Umgekehrt erhöhen die abfließenden Elektronen von der Kollektorseite die zugehörige RLZ. Zusätzlich ist in der folgenden Abbildung die starke Verschiebung der Bänder aufgrund der angelegten Spannung zu sehen.