8.1 Grundlagen elektronischer Halbleiter, Diode

8.1.1 Halbleiter

Elektronische Bauteile sind auf der Basis von Halbleitern aufgebaut.

Als Grundmaterial wird in der Regel hochreines einkristallines (im Diamantgitter kristallisiertes) Silizium verwendet, in machen Fällen auch Germanium oder Galliumarsenid. 

In Silizium (vierwertig) gehen die äußeren Elektronen eine Elektronenpaarbildung mit den Nachbaratomen ein, so dass zunächst keine freien Ladungsträger für die Stromleitung zur Verfügung stehen.

 

 

Bei Erwärmung können sich jeweils einzelne Elektronen aus der Bindung lösen. Das Atom, das von dem Elektron verlassen wurde, hat dadurch einen Überschuss an positiver Ladung. Diesen Überschuss kann man sich als positiven Ladungsträger am früheren Ort des Elektrons vorstellen. Wenn ein Elektron ein ursprünglich neutrales Atom verlässt, dann bedeutet das, dass das Atom eine negative Ladung (= Elektron) freigibt und eine positive Ladung („Loch") behält. Dieser Vorgang wird mit „Generation" bezeichnet. Elektronen werden mit

, Löcher mit

 bezeichnet. Treffen Löcher und Elektronen aufeinander, so löschen sie sich gegenseitig aus; dies wird mit „Rekombination" bezeichnet. Durch diese Effekte entsteht eine gewisse Eigenleitfähigkeit des Grundmaterials, auch Intrinsic-Leitfähigkeit genannt (besonders ausgeprägt bei Germanium).

 

 

8.1.2 Dotierung

Bei der Dotierung werden in das Grundmaterial Fremdatome eingebracht, so dass die sogenannte Störstellenleitung entsteht. 

Bringt man fünfwertige Atome ein (z. B. Phosphor, Arsen, Antimon), so steht das fünfte Valenzelektron für die Stromleitung zur Verfügung. Diese Fremdatome werden Donatoren genannt. Das Material erhält dadurch eine

-Leitfähigkeit, im Bild für eine Dotierung mit Antimon (

) dargestellt).

 

 

Beim Einbringen von dreiwertigen Atomen (z. B. Bor, Aluminium, Gallium, Indium) erhält das Material eine

-Leitfähigkeit (Löcherleitfähigkeit); es entsteht ein „Loch", das wie ein positiver Ladungsträger wirkt. Diese Fremdatome werden Akzeptoren genannt, im Bild z. B. Indium (

).

Sowohl die zusätzlichen Elektronen als auch die Löcher sind nur schwach an die Atomkerne gebunden. Sie sind frei beweglich und bewirken so eine Leitfähigkeit des Materials. Jede Unvollkommenheit des Kristallgitters bewirkt eine Leitfähigkeit. Bei elektronischen Bauelementen möchte man die Leitfähigkeit gezielt beeinflussen, es kommt deshalb darauf an, dass das Grundmaterial eine möglichst geringe Leitfähigkeit hat. Die Herstellung von Halbleitern mit einem möglichst perfekten Kristallgitter ist deshalb Voraussetzung für Halbleiterbauelemente.

8.1.3 pn-Übergang

Bringt man eine

-leitende und

-leitende Schicht aneinander so, entsteht ein

-Übergang:

Infolge thermischer Bewegungen gelangen an der Übergangsstelle Elektronen ins

-Gebiet und Löcher ins

-Gebiet (Diffusion). Die Rekombination dieser beweglichen Ladungsträger führt dazu, dass sich um die Übergangsstelle ein Gebiet 

mit einer Verarmung beweglicher Ladungsträger d. h. eine hochohmige Grenzschicht ausbildet (Sperrschicht). Auf der

-Seite der Grenzschicht bleiben die positiven Ionen der Donatoren zurück, während im

-Bereich die Zahl der Elektronen anwächst. Dies bewirkt in der Grenzschicht durch Raumladung eine elektrische Feldstärke in Richtung von der

-Zone zur

-Zone und damit eine Spannung, die sog. Diffusionsspannung

 (

 bei Siliziumhalbleitern). Dadurch stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.

8.1.4 Diode

Die Diode ist ein elektronisches Bauteil, das aus einem

-Übergang besteht:

Ohne äußere Spannung bildet sich die beschriebene Diffusionsspannung

 aus (Bild a). Wenn eine äußere Spannung in Sperrrichtung angelegt, so werden die Ladungsträger weiter in ihre jeweilige Zone zurückgedrängt, die Grenzschicht verbreitert sich (Bild b). Ein Stromfluss ist nicht möglich, weil in der Sperrschicht keine beweglichen Ladungsträger vorhanden sind. Es fließt höchstens ein sehr geringer Sperrstrom

 aufgrund der Eigenleitfähigkeit. Steigt die Sperrspannung jedoch über ein gewisses Maß an, so sind die Kräfte auf die gebundenen Elektronen in der Sperrschicht so groß, dass sie aus ihrem Kristall herausgerissen werden und eine Stromleitung ermöglichen. Es kommt zu einem so genannten Lawinendurchbruch. Wegen der hohen Spannung führt bereits ein kleiner Strom zu einer erheblichen Leistung, die lokal in der Sperrschicht in Wärme umgesetzt wird und oft zu einer Zerstörung der Diode führt (Ausnahme: Zenerdiode, siehe unten). 

Legt man eine kleine positive Spannung an, so verengt sich die Grenzschicht und der Strom nimmt kleine positive Werte an (Bild c). Ist

, so verschwindet die Grenzschicht und der Strom steigt steil an; er wird dann hauptsächlich durch den äußeren Widerstand begrenzt (Bild d). Daraus ergibt sich die dargestellte Strom-Spannungs-Kennlinie.

Verlängert man im Durchlassbereich den etwa linearen Verlauf der Kennlinie bis zum Schnittpunkt mit der Spannungsachse, so erhält man die Schleusenspannung

. Sie liegt bei Siliziumdioden bei etwa

. Für praktische Rechnungen kann meistens vereinfacht mit einer konstanten Spannung

 oder

 in Durchlassrichtung gerechnet werden. Oft ist auch diese Spannung vernachlässigbar klein gegenüber anderen in einer Schaltung vorkommenden Spannungen.

Dioden stehen in einem weiten Leistungsbereich zur Verfügung:

Zulässiger Durchlassstrom: einige

Zulässige Sperrspannung:

Dioden werden für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt. Eine ihrer Hauptanwendungen ist in Gleichrichterschaltungen:

Einweggleichrichtung:

Zweiweggleichrichtung:

Während der positiven Halbwelle der Spannung leiten die Dioden

 während der negativen Halbwelle

 
Schaltet man einen Kondensator parallel zum Widerstand, so wird die Gleichspannung geglättet.

8.1.5 Zenerdiode

Zenerdioden sind im Prinzip wie normale Dioden aufgebaut. Sie werden in Sperrrichtung betrieben. Durch entsprechende Dotierung wird dafür gesorgt, dass der Durchbruch in Sperrrichtung kontrolliert und ohne Zerstörung des Bauteils erfolgt. In der umgekehrten Richtung verhalten sich Zenerdioden wie normale Dioden.

Zenerdioden sind für Zenerspannungen

 im Bereich von 

bis 

verfügbar; die Zenerspannung kann beim Herstellungsprozess sehr genau eingestellt werden. Die Kennlinie verläuft im Zenerbereich sehr steil, so dass

 nahezu unabhängig von dem Strom ist. Die zulässige Verlustleistung

 liegt im Bereich von 

bis

.

Zenerdioden werden u. a. zur Spannungsbegrenzung an elektronischen Bauteilen, zur Erzeugung von Referenzspannungen und zur einfachen Spannungsstabilisierung eingesetzt: Die Ausgangsspannung der dargestellten Schaltung beträgt unabhängig von der Eingangsspannung

 immer

, sofern

 nur groß genug ist.

 

 

8.2 Transistoren

8.2.1 Der bipolare Transistor

Bipolare Transistoren bestehen aus drei Schichten, die zusammen 2 Dioden entsprechen. Die mittlere Schicht weist einen Steueranschluss, die Basis

, auf.

Bezeichnung der Schichten bzw. der Anschlüsse:

: Emitter,

: Kollektor,

: Basis
Von der Schichtabfolge her gibt es zwei Ausführungen, den

-Transistor und den

-Transistor. Der

-Transistor benötigt zur Steuerung negative Basis-Kollektor-Ströme, der

-Transistor positive Ströme.