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Erschienen in:

2021 | OriginalPaper | Buchkapitel

3. Diode

verfasst von : Massoud Momeni

Erschienen in: Grundlagen der Mikroelektronik 1

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Nach einer Einführung in die Halbleiterphysik wird in diesem Kapitel das erste Bauelement, die pn-Diode, diskutiert. Die pn-Diode besteht aus einer Folge zweier unterschiedlich dotierter Halbleiterschichten, einer p- und einer n-dotierten Schicht. Nach einer Untersuchung der elektrostatischen Eigenschaften wird die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie eines pn-Übergangs hergeleitet und erläutert. Mehrere Modelle für das nichtlineare Verhalten werden vorgestellt, um eine Handanalyse von Diodenschaltungen zu ermöglichen. Abschließend wird auf verschiedene Anwendungen wie zum Beispiel Spannungsregler und Gleichrichter eingegangen. Es ist wichtig, sich die Grundlagen einer pn-Diode anzueignen, da diese bei den später eingeführten Bauelementen eine wesentliche Rolle spielen. Zudem werden wichtige Konzepte und Methoden, die später bei Transistoren und Transistorschaltungen Verwendung finden, anhand der pn-Diode erläutert.

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Engl. pn diode oder pn junction.

Engl. anode.

Engl. cathode. Als Gedächtnisstütze kann man sich merken, dass sich die Kathode an der Seite der Diode befindet, die wie ein (spiegelverkehrtes) „K“ aussieht.

Engl. metallurgical junction.

Engl. space charge region (SCR).

Engl. depletion region oder depletion layer.

Engl. neutral zone.

Engl. space charge. Der Begriff Verarmungszone wird anhand von Abb. 3.5(b) deutlich, da in dieser Zone die Konzentration der beweglichen Ladungsträger sehr klein ist. Hingegen kann man den Begriff Raumladungszone auf Abb. 3.5(c) beziehen, da in dieser Zone die Raumladung von 0 unterschiedlich ist. Die Begriffe werden synonym verwendet.

Engl. junction potential oder built-in potential. Der Index j steht für junction, dt. Übergang.

Engl. potential barrier.

$\displaystyle \int \frac{\mathrm{{d}}n}{n} = \ln n + \text {const}$

Bei Raumtemperatur gilt

$$\Delta V_j = V_T \ln \frac{10 \cdot N_A N_D}{n_i^2} - V_T \ln \frac{N_A N_D}{n_i^2} = V_T \ln 10 \approx {60}\,\text {mV}.$$

Einsetzen von Gl. (3.23) in Gl. (3.14) ergibt die Poisson-Gleichung

$$\frac{\mathrm{{d}}^2 \phi }{\mathrm{{d}}x^2} = -\frac{\varrho }{\varepsilon _{\text {Si}}} ,$$

mit deren Hilfe sich der Verlauf des elektrischen Potenzials in Abb. 3.5(e) berechnet lässt.

Der Flächeninhalt eines beliebigen Dreiecks kann mit gh/2 berechnet werden, wobei g die Länge der Grundlinie ($w_{j0}$) und h die Höhe ($-E_{max}$) des Dreiecks ist.

Engl. forward voltage oder bias. In manchen Lehrbüchern wird die Vorwärtsspannung auch mit einer Größe $V_F=V_D>0$ angegeben.

Engl. reverse voltage oder bias. In manchen Lehrbüchern wird die Rückwärtsspannung mit einer positiven Größe $V_R=-V_D>0$ angegeben.

Engl. junction capacitance oder depletion(-layer) capacitance.

Eine auf eine Fläche A bezogene Kapazität C wird auch Kapazitätsbelag genannt und in der deutschen Literatur häufig mit $C''$ abgekürzt, $C''=C/A$. In diesem Lehrbuch wird auch ohne gesonderte Kennzeichnung angenommen, dass es sich bei der Sperrschichtkapazität $C_j$ um eine flächenbezogene Größe handelt.

Engl. zero-bias junction capacitance. Im Deutschen manchmal auch als Null-Kapazität abgekürzt.

Engl. variable capacitor diode, kurz varicap oder varactor.

Engl. (junction) grading coefficient.

Streng genommen gelten Gl. (3.72) und Gl. (3.73) nur am Rand der jeweiligen Raumladungszone.

Die Diodengleichung in Gl. (3.79) wird auch als Shockley-Gleichung bezeichnet, benannt nach William Bradford Shockley Jr. (1910–1989), einem der drei Empfänger des Physik-Nobelpreises von 1956 für die Erforschung von Halbleitern und die Entdeckung des Transistoreffekts zusammen mit John Bardeen (1908–1991) und Walter Houser Brattain (1902–1987).

Engl. reverse saturation current oder nur saturation current.

Engl. emission coefficient. Auch (Nicht-)Idealitätsfaktor, engl. (non)ideality factor, genannt.

Engl. diffusion capacitance.

Engl. (forward) transit time.

Engl. temperature coefficient.

Engl. proportional to absolute temperature.

Engl. breakdown.

Engl. breakdown voltage; häufig auch als $V_{BR}$ oder $V_{BD}$ abgekürzt.

Engl. Zener diode. Das „Z“ in Z-Diode steht nicht für „Zener“, sondern für die Z-förmige Kennlinie in Abb. 3.14.

Engl. Zener breakdown; auch als Tunneldurchbruch bezeichnet.

Engl. avalanche breakdown.

Engl. voltage stabilisation.

Engl. voltage clipping.

Engl. impact ionization.

Als Abbruchkriterium kann beispielsweise dienen, dass die Differenz zweier in aufeinanderfolgenden Schritten berechneter Werte für $I_D$ kleiner ist als ein akzeptierter Fehler.

Die linke Seite, $f_1{(I_D)}$, ist eine lineare Gleichung der bekannten Form $y{(x)} = ax+b$, wobei $a=-R_1/V_T$, $b=V_S/V_T$, $x=I_D$ und $y=f_1$.

Engl. load line.

Engl. operating point, quiescent point, Q-point, bias point.

Ähnlich einem Rückschlagventil.

Bei dieser einfachen Schaltung ist durch bloßes „Hinsehen“ erkennbar, dass die Diode in Flussrichtung betrieben wird. Dass zuerst die falsche Annahme getroffen wurde, dient der Verdeutlichung der Denkweise bei der Lösung solcher Aufgabenstellungen. Außerdem wird die Analyse wegen $I_D=0$ besonders einfach, wenn die Diode zunächst als offener Schalter modelliert wird.

Engl. constant-voltage-drop model, abgekürzt CVD model.

Die Abkürzung „CVD plus R“ soll andeuten, dass das CVD-Modell um einen Widerstand erweitert wurde.

Der Strom $I_Z$ wurde mithilfe von Gl. (3.150) aus $I_S$ und $I_L$ berechnet. Das gleiche Ergebnis für $I_Z$ erhält man aus Gl. (3.152), jedoch muss dafür (wegen der Differenzbildung $V_L-V_Z$) $V_L$ aus Gl. (3.155) auf mehrere Nachkommastellen genau gerundet werden. Beispielsweise erhält man mit Gl. (3.152) bei einer ungenauen Rundung auf ${4{,}70}\,\text {V}$ einen Strom $I_Z=0$, was dem Ergebnis aus der Knotengleichung widerspricht.

Auch Spannungsübertragungskennlinie, engl. voltage transfer characteristic (VTC).

Engl. voltage clipping bzw. limiting.

Abb. 3.42(a) stellt ein weiteres Beispiel für eine Schaltung dar, bei der die Anwendung des idealen Diodenmodells nicht sinnvoll ist, da die Ausgangsspannung 0 ergäbe.

Engl. voltage regulator.

Engl. line regulation.

Engl. load regulation.

In Europa wird diese als Netzspannung bezeichnete Wechselspannung in Niederspannungsnetzen bei einphasigen Systemen mit einem Effektivwert von ${230}\,\text {V}$ bei einer Frequenz von ${50}\,\text {Hz}$ bereitgestellt. In Nordamerika und Kanada beispielsweise betragen der Effektivwert ${120}\,\text {V}$ und die Frequenz ${60}\,\text {Hz}$.

Engl. rectifier.

Die Abkürzungen AC und DC ergeben sich aus den englischen Begriffen alternating current und direct current.

Weitere gebräuchliche Bezeichnungen sind Halbweg- oder Einweggleichrichter; engl. half-wave rectifier (HWR).

Weitere gebräuchliche Bezeichnungen sind Vollweg- oder Zweiweggleichrichter; engl. full-wave rectifier (FWR).

Die Näherung gilt nur für den Fall $V_p \gg V_{D}{_{,on}}$.

Engl. ripple voltage oder nur ripple.

Engl. smoothing capacitor.

Diese Annahme ist gleichbedeutend mit der Aussage, dass die Kapazität von einem konstanten Strom $\left( V_p - V_{D}{_{,on}} \right) /R_L$ entladen wird, sodass die Spannung zwischen $t_2$ und $t_3$ linear abfällt. Die Herleitung von $V_R$ kann daher alternativ mit der Approximation von $v_{out}$ in Gl. (3.193) durch eine Geradengleichung beginnen.

Der Phasenwinkel einer Sinusspannung ist definiert als $\varphi {(t)} = 2\pi ft + \varphi _0$ mit Nullphasenwinkel $\varphi _0$ zum Zeitpunkt $t=0$. Eine Sinusspannung kann hiermit als $v{(t)} = V_p \sin \varphi {(t)}$ ausgedrückt werden.

Engl. conduction angle.

Engl. conduction interval.

Entsprechend dem Zusammenhang $\varphi = \omega t$ bzw. $\varphi _c = \omega _{in} \Delta T$ mit der Kreisfrequenz $\omega _{in} = 2\pi f_{in}$.

Engl. bridge rectifier. Alternativ wird der Brückengleichrichter auch Graetz-Brücke genannt.

Die Näherung gilt nur für den Fall $V_p \gg V_{D}{_{,on}}$.

Titel: Diode
verfasst von: Massoud Momeni
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Buch: Grundlagen der Mikroelektronik 1
Print ISBN: 978-3-662-62031-1

Electronic ISBN: 978-3-662-62032-8

Copyright-Jahr: 2021
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-62032-8_3

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