PN-Übergangsdiode

Der in der vorangegangenen Übung beschriebene Effekt wird erreicht, ohne dass eine externe Spannung an den eigentlichen PN-Übergang angelegt wird, so dass sich der Übergang in einem Gleichgewichtszustand befindet.

Wenn wir jedoch an den Enden des N-Typ- und des P-Typ-Materials elektrische Verbindungen herstellen und sie dann an eine Batteriequelle anschließen, gibt es jetzt eine zusätzliche Energiequelle zur Überwindung der Potenzialbarriere.

Der Effekt dieser zusätzlichen Energiequelle führt dazu, dass die freien Elektronen die Verarmungszone von einer Seite zur anderen durchqueren können. Das Verhalten des PN-Übergangs in Bezug auf die Breite der Potenzialbarriere führt zu einem asymmetrisch leitenden Bauelement mit zwei Anschlüssen, das besser als PN-Übergangsdiode bekannt ist.

Eine PN-Übergangsdiode ist eines der einfachsten Halbleiterbauelemente überhaupt und hat die Eigenschaft, Strom nur in eine Richtung zu leiten. Im Gegensatz zu einem Widerstand verhält sich eine Diode jedoch nicht linear in Bezug auf die angelegte Spannung, da die Diode eine exponentielle Strom-Spannungs-Beziehung (I-V) aufweist und wir daher ihre Funktionsweise nicht einfach mit einer Gleichung wie dem Ohmschen Gesetz beschreiben können.

Wird zwischen den beiden Enden des PN-Übergangs eine geeignete positive Spannung (Vorwärtsspannung) angelegt, so kann sie freien Elektronen und Löchern die zusätzliche Energie zuführen, die sie benötigen, um den Übergang zu durchqueren, da die Breite der Verarmungsschicht um den PN-Übergang verringert wird.

Das Anlegen einer negativen Spannung (Sperrvorspannung) führt dazu, dass die freien Ladungen vom Übergang weggezogen werden, wodurch die Breite der Verarmungsschicht erhöht wird. Dies hat zur Folge, dass der effektive Widerstand des Übergangs selbst erhöht oder verringert wird, wodurch der Stromfluss durch den pn-Übergang der Diode ermöglicht oder blockiert wird.

Dann verbreitert sich die Verarmungsschicht mit zunehmender Anlegung einer Sperrspannung und verengt sich mit zunehmender Anlegung einer Durchlassspannung. Dies ist auf die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften auf den beiden Seiten des PN-Übergangs zurückzuführen, die zu physikalischen Veränderungen führen. Eines der Ergebnisse ist die Gleichrichtung, die sich in den statischen I-U-Kennlinien (Strom-Spannungs-Kennlinien) der PN-Übergangsdioden zeigt. Die Gleichrichtung zeigt sich in einem asymmetrischen Stromfluss, wenn die Polarität der Vorspannung geändert wird, wie unten dargestellt.

Symbol der Sperrschichtdiode und statische I-U-Kennlinien

Aber bevor wir den PN-Übergang als praktisches Bauelement oder als Gleichrichter verwenden können, müssen wir ihn zunächst vorspannen, d. h. ein Spannungspotenzial über ihn legen. Auf der Spannungsachse oben bezieht sich „Reverse Bias“ auf ein externes Spannungspotential, das die Potentialbarriere erhöht. Eine externe Spannung, die die Potenzialbarriere verringert, wirkt in Richtung „Vorwärtsspannung“.

Es gibt zwei Betriebsbereiche und drei mögliche „Vorspannungs“-Zustände für die Standard-Sperrschichtdiode, und diese sind:

• 1. Nullvorspannung – An die PN-Sperrschichtdiode wird kein externes Spannungspotential angelegt.
• 2. Reverse Bias – Das Spannungspotential wird negativ (-ve) an das P-Typ-Material und positiv (+ve) an das N-Typ-Material über der Diode angeschlossen, was eine Vergrößerung der Breite der PN-Übergangsdiode bewirkt.
• 3. Vorwärtsspannung – Das Spannungspotential ist positiv (+ve) mit dem P-Typ-Material und negativ (-ve) mit dem N-Typ-Material über der Diode verbunden, was eine Verringerung der Breite der PN-Übergangsdiode bewirkt.

Nullvorspannungsdiode

Wenn eine Diode in einem Nullvorspannungszustand angeschlossen ist, wird keine externe potentielle Energie an den PN-Übergang angelegt. Wenn jedoch die Anschlüsse der Diode kurzgeschlossen werden, bewegen sich einige Löcher (Majoritätsträger) im P-Typ-Material mit genügend Energie, um die Potentialbarriere zu überwinden, gegen dieses Barrierenpotential über den Übergang. Dies wird als „Vorwärtsstrom“ bezeichnet und als IF

bezeichnet. Ebenso finden die im N-Typ-Material erzeugten Löcher (Minoritätsträger) diese Situation günstig und bewegen sich in entgegengesetzter Richtung über den Übergang. Dies wird als „Umkehrstrom“ bezeichnet und als IR bezeichnet. Diese Hin- und Herbewegung von Elektronen und Löchern über den PN-Übergang wird als Diffusion bezeichnet, wie unten dargestellt.

Nullvorgespannte PN-Übergangsdiode

Die jetzt bestehende Potenzialbarriere verhindert die Diffusion weiterer Majoritätsträger über den Übergang. Die Potenzialbarriere hilft jedoch den Minoritätsträgern (wenige freie Elektronen im P-Bereich und wenige Löcher im N-Bereich), über den Übergang zu driften.

Dann stellt sich ein „Gleichgewicht“ ein, wenn die Majoritätsträger gleich groß sind und sich beide in entgegengesetzte Richtungen bewegen, so dass im Endeffekt kein Strom in der Schaltung fließt.

Die Minoritätsträger werden aufgrund der thermischen Energie ständig erzeugt, so dass dieser Gleichgewichtszustand durch Erhöhung der Temperatur des PN-Übergangs durchbrochen werden kann, was zu einer Zunahme der Erzeugung von Minoritätsträgern und damit zu einem Anstieg des Leckstroms führt, aber kein elektrischer Strom fließen kann, da kein Stromkreis mit dem PN-Übergang verbunden ist.

Umgekehrt vorgespannte PN-Übergangsdiode

Wenn eine Diode im Zustand der umgekehrten Vorspannung angeschlossen ist, wird eine positive Spannung an das N-Typ-Material und eine negative Spannung an das P-Typ-Material angelegt.

Die an das N-Typ-Material angelegte positive Spannung zieht Elektronen in Richtung der positiven Elektrode und weg vom Übergang an, während die Löcher im P-Typ-Ende ebenfalls vom Übergang weg in Richtung der negativen Elektrode angezogen werden.

Das Endergebnis ist, dass die Verarmungsschicht aufgrund eines Mangels an Elektronen und Löchern breiter wird und einen Pfad mit hoher Impedanz, fast einen Isolator, darstellt, und eine hohe Potenzialbarriere über dem Übergang entsteht, die verhindert, dass Strom durch das Halbleitermaterial fließt.

Vergrößerung der Verarmungsschicht durch umgekehrte Vorspannung

Dieser Zustand stellt einen hohen Widerstandswert für den PN-Übergang dar, und bei einer Erhöhung der Vorspannung fließt praktisch kein Strom durch die Übergangsdiode. Es fließt jedoch ein sehr geringer Leckstrom in Sperrrichtung durch den Übergang, der normalerweise in Mikroampere (μA) gemessen werden kann.

Ein letzter Punkt: Wenn die an die Diode angelegte Sperrvorspannung Vr auf einen ausreichend hohen Wert erhöht wird, führt dies dazu, dass der PN-Übergang der Diode überhitzt und aufgrund des Avalanche-Effekts um den Übergang ausfällt. Dies kann dazu führen, dass die Diode kurzgeschlossen wird und ein maximaler Strom durch den Stromkreis fließt, was in der nachstehenden Kurve der statischen Rückwärtskennlinie als stufenförmige Abwärtsneigung dargestellt ist.

Gegenläufige Kennlinie einer Sperrschichtdiode

Gelegentlich findet dieser Lawineneffekt praktische Anwendung in spannungsstabilisierenden Schaltungen, in denen ein Reihenbegrenzungswiderstand mit der Diode verwendet wird, um diesen Sperrstrom auf einen voreingestellten Höchstwert zu begrenzen und dadurch eine feste Ausgangsspannung an der Diode zu erzeugen. Diese Diodentypen sind allgemein als Zener-Dioden bekannt und werden in einem späteren Lehrgang behandelt.

Vorgespannte PN-Übergangsdiode

Wenn eine Diode in Vorwärtsspannung angeschlossen ist, wird eine negative Spannung an das N-Typ-Material und eine positive Spannung an das P-Typ-Material angelegt. Wenn diese externe Spannung größer wird als der Wert der Potentialbarriere, etwa 0,7 Volt für Silizium und 0,3 Volt für Germanium, wird der Widerstand der Potentialbarriere überwunden und Strom beginnt zu fließen.

Das liegt daran, dass die negative Spannung Elektronen in Richtung des Übergangs drückt oder abstößt und ihnen die Energie gibt, den Übergang zu passieren und sich mit den Löchern zu verbinden, die durch die positive Spannung in die entgegengesetzte Richtung zum Übergang gedrückt werden. Dies führt zu einer Kennlinie, bei der bis zu diesem Spannungspunkt kein Strom fließt, was in den statischen Kurven als „Knie“ bezeichnet wird, und dann ein hoher Strom durch die Diode fließt, wenn die externe Spannung nur geringfügig ansteigt, wie unten dargestellt.

Vorwärtskennlinie für eine Sperrschichtdiode

Das Anlegen einer Vorwärtsspannung an die Sperrschichtdiode führt dazu, dass die Verarmungsschicht sehr dünn und schmal wird, was einen Pfad mit niedriger Impedanz durch die Sperrschicht darstellt, wodurch hohe Ströme fließen können. Der Punkt, an dem dieser plötzliche Stromanstieg stattfindet, wird auf der obigen statischen I-U-Kennlinie als „Kniepunkt“ dargestellt.

Reduktion der Verarmungsschicht durch Vorwärtsvorspannung

Dieser Zustand stellt den niederohmigen Pfad durch den PN-Übergang dar, der es ermöglicht, dass sehr große Ströme durch die Diode mit einer nur geringen Erhöhung der Vorspannung fließen. Die tatsächliche Potenzialdifferenz über dem Übergang bzw. der Diode wird durch die Wirkung der Verarmungsschicht konstant gehalten und liegt bei Germanium bei etwa 0,3 V und bei Siliziumdioden bei etwa 0,7 V.

Da die Diode oberhalb dieses Kniepunkts einen „unendlichen“ Strom leiten kann, da sie effektiv zu einem Kurzschluss wird, werden Widerstände in Reihe mit der Diode verwendet, um den Stromfluss zu begrenzen. Das Überschreiten des maximalen Durchlassstroms führt dazu, dass die Diode mehr Leistung in Form von Wärme abgibt, als für sie vorgesehen ist, was zu einem sehr schnellen Ausfall der Diode führt.

Zusammenfassung der Sperrschichtdiode

Der PN-Übergangsbereich einer Sperrschichtdiode hat die folgenden wichtigen Eigenschaften:

• Halbleiter enthalten zwei Arten von mobilen Ladungsträgern, „Löcher“ und „Elektronen“.
• Die Löcher sind positiv geladen, während die Elektronen negativ geladen sind.
• Ein Halbleiter kann mit Donor-Verunreinigungen wie Antimon dotiert sein (N-Dotierung), so dass er bewegliche Ladungen enthält, die hauptsächlich Elektronen sind.
• Ein Halbleiter kann mit Akzeptor-Verunreinigungen wie Bor dotiert sein (P-Dotierung), so dass er bewegliche Ladungen enthält, bei denen es sich hauptsächlich um Löcher handelt.
• Der Übergangsbereich selbst enthält keine Ladungsträger und wird als Verarmungszone bezeichnet.
• Das Sperrschichtgebiet (Verarmungsgebiet) hat eine physikalische Dicke, die mit der angelegten Spannung variiert.
• Wenn eine Diode null vorgespannt ist, wird keine externe Energiequelle angelegt und eine natürliche Potentialbarriere wird über eine Verarmungsschicht entwickelt, die ungefähr 0.5 bis 0,7 Volt für Siliziumdioden und etwa 0,3 Volt für Germaniumdioden.
• Wenn eine Sperrschichtdiode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, verringert sich die Dicke des Verarmungsbereichs und die Diode wirkt wie ein Kurzschluss, so dass der Strom in vollem Umfang fließen kann.
• Wenn eine Sperrschichtdiode in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, vergrößert sich die Dicke des Verarmungsbereichs und die Diode wirkt wie ein offener Stromkreis, der jeglichen Stromfluss blockiert (nur ein sehr geringer Leckstrom fließt).

Wir haben auch gesehen, dass die Diode ein nichtlineares Bauelement mit zwei Anschlüssen ist, dessen I-U-Kennlinie von der Polarität abhängt, da die Diode je nach Polarität der angelegten Spannung VD entweder in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist (VD > 0) oder in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist (VD < 0). So oder so können wir diese Strom-Spannungs-Charakteristiken sowohl für eine ideale Diode als auch für eine reale Siliziumdiode wie folgt modellieren:

Ideale und reale Eigenschaften einer Diode

Im nächsten Lehrgang über Dioden werden wir uns die kleine Signaldiode ansehen, die manchmal auch als Schaltdiode bezeichnet wird und in allgemeinen elektronischen Schaltungen verwendet wird. Wie der Name schon sagt, ist die Signaldiode für Niederspannungs- oder Hochfrequenzsignalanwendungen wie z. B. in Funk- oder digitalen Schaltkreisen bestimmt.

Signaldioden wie die 1N4148 lassen nur sehr kleine elektrische Ströme durch, im Gegensatz zu den Hochstrom-Netzgleichrichterdioden, in denen normalerweise Siliziumdioden verwendet werden. Auch im nächsten Lehrgang werden wir die statische Strom-Spannungs-Kennlinie und die Parameter der Signaldiode untersuchen.