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Halbleiterdiode 08:05 min

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Transkript Halbleiterdiode

Hallo und herzlich willkommen. In diesem Video beschäftigen wir uns mit Halbleiterdioden. Das sind elektronische Bauteile, die in fast jedem Schaltkreis auftauchen. So ist es mit einer Diode zum Beispiel sehr einfach, einen Wechselstrom in einen Gleichstrom umzuwandeln. Wie das funktioniert, wirst du am Ende des Videos verstanden haben. Um zu verstehen wie Halbleiterdioden funktionieren, wiederholen wir zuerst das Thema dotierte Halbleiter. Danach betrachten wir die physikalischen Effekte in einer Halbleiterdiode einmal ohne angelegte elektrische Spannung und einmal mit angelegter elektrischer Spannung. Zum Schluss zeige ich dir noch, was man aus der Kennlinie einer Diode alles lesen kann. Und damit kann es auch schon losgehen. Halbleiterdioden bestehen aus dotierten Halbleitern. Das sind Verbindungshalbleiter, die aus einem halbleitenden Element der vierten Hauptgruppe, zum Beispiel Silizium, und einem Dotierungselement der dritten oder fünften Hauptgruppe bestehen. Dotiert man mit einem Element der dritten Hauptgruppe zum Beispiel Aluminium, so bleibt eine Leerstelle auf der Valenzschale eines der umgebenden Siliziumatome unbesetzt, da Aluminium nur drei Elektronen in der Valenzschale hat. Diese Leerstelle nennt man Loch. Dieses Loch entspricht einer positiven Ladung. Man nennt einen solchen Halbleiter p-dotiert. Dotiert man mit einem Element der fünften Hauptgruppe, z.B. Arsen, so werden alle Leerstellen in den Valenzschalen der umliegenden Siliziumatome besetzt. Zusätzlich dazu ist noch ein weiteres negativ geladenes Elektron des Arsens übrig. Das liegt daran, dass Arsen fünf Elektronen auf der Valenzschale hat. Der Halbleiter ist damit negativ, sprich n-dotiert. Da du jetzt weißt, was man unter dotierten Halbleitern versteht, können wir uns der Halbleiterdiode zuwenden. Zuerst betrachten wir eine Halbleiterdiode, an der keine Spannung anliegt. Sie besteht aus einer p-dotierten und einer n-dotierten Schicht. Jede Schicht für sich ist neutral, da sie aus neutralen Atomen besteht. Allerdings existieren durch die Dotierung freie Ladungsträger. Bringt man nun diese Schichten zusammen, so können sich die Ladungsträger in die jeweils andere Schicht bewegen. Man sagt: Sie diffundieren. So kommt es, dass positive Löcher und negative Elektronen aufeinander treffen und sich unter Erzeugung von Wärme oder Licht die Ladungen neutralisieren. Diesen Vorgang nennt man Rekombination. An der Grenzfläche dieses sogenannten p-n-Überganges neutralisieren sich alle Ladungen und es gibt keine freien elektrischen Ladungen mehr. Man spricht von einer Verarmungszone. Sie hat eine Breite von circa 100 Nanometer. Dabei entspricht ein Nanometer einem Millimeter geteilt durch eine Million. Durch diese Prozesse ist die Grenzfläche nicht mehr elektrisch neutral. Die n-dotierte Schicht hat weniger negative Ladungen. Sie ist an der Grenzfläche positiv geladen. Bei der p-dotierten Schicht fehlen positive Ladungen. Sie ist in der Grenzfläche negativ geladen. Durch diese entgegengesetzten Raumladungen entsteht ein elektrisches Feld, was eine elektrische Spannung zur Folge hat. Die Größe dieser Spannung ist vom verwendeten Halbleitermaterial abhängig. Bei Silizium beträgt sie 0,7 Volt, bei Germanium 0,1 Volt. Die Spannung ist der Diffusionsbewegung der Ladungsträger entgegengerichtet und hindert diese daran, die jeweils andere Schicht zu diffundieren. So stellt sich ein Gleichgewicht ein, in dem keine Löcher und Elektronen mehr in eine andere Schicht diffundieren. So verhält sich eine Halbleiterdiode ohne angelegte elektrische Spannung. Viel interessanter ist allerdings ihr Verhalten, wenn eine externe elektrische Spannung anliegt. Dabei hängt das Verhalten der Diode entscheidend davon ab, in welche Richtung man die Spannung anlegt. Legt man an der n-dotierten Schicht eine positiv gepolte Anode einer p-dotierten Schicht eine negativ gepolte Kathode an, so wird die Diode in Sperrrichtung betrieben. Die Ladungsträger bewegen sich aufgrund der elektrostatischen Anziehung auseinander. Es fließt nur ein sehr kleiner elektrischer Strom, der sogenannte Sperrstrom. Ist die von außen angelegte Spannung größer als die sogenannte Durchbruchspannung, so schlägt die Diode durch und ist den meisten Fällen kaputt. Schließt man die Anode an die p-dotierte Schicht und die Kathode an die n-dotierte Schicht an, so bewegen sich die Ladungsträger aufeinander zu und rekombinieren an der Grenzschicht. Von der Spannungsquelle werden ständig neue Ladungsträger in das Material eingebracht und es fließt ein merklicher elektrischer Strom. Diese Richtung der Polung nennt man Durchlassrichtung. In einem Schaltkreis verwendet man folgendes Symbol für eine Diode: Zeigt die technische Stromrichtung in Richtung der Spitze des Dreiecks, so ist die Diode in Durchlassrichtung geschalten. Zeigt sie zuerst auf den Strich zu, ist die Diode in Sperrrichtung geschalten. Eine Diode kann Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln. Wechselstrom bedeutet, dass Strom und Spannung ständig die Richtung wechseln. Deutlich wird es in einem Strom-Zeit-Diagramm. Auf der x-Achse haben wir die Zeit t, auf der y-Achse den Strom I. In dieser Schaltung liefert die Spannungsquelle Wechselstrom. Im Diagramm sieht man wie sich das Vorzeichen des Stromes ständig ändert. In der zweiten Schaltung liefert die Spannungsquelle auch Wechselstrom. Durch die Diode entsteht aber ein pulsierender Gleichstrom, da nur eine Stromrichtung durchgelassen wird. Diese Anwendung der Diode nennt man Gleichrichtung. Verwendet werden solche Gleichrichter zum Beispiel in Netzteilen von Handyladegeräten. Und jetzt zeige ich dir, wie man die wichtigsten Eigenschaften einer Diode in einem Diagramm zusammenfassen kann. Um Diodenschaltung zu verwenden, muss man wissen wie sich der Strom in Abhängigkeit von der Spannung verhält. Dazu nimmt man für verschiedene Spannungen u Werte für den Diodenstrom I auf. Für kleine Spannungen u fließt kaum Strom, bis zur sogenannten Schleusenspannung Us. An diesem Punkt steigt der Strom stark an. Die Schleusenspannung entspricht der Spannung, die sich in der Grenzschicht der Diode aufgebaut hat. Den Bereich positiver Spannung nennt man Durchlassbereich. Liegt die Spannung in Sperrrichtung an, Diagramm Sperrbereich genannt, so fließt nur ein kleiner Sperrstrom. Ist die angelegte Spannung in Sperrrichtung gleich der Durchbruchspannung uBR, so schlägt die Diode durch und fließt elektrischer Strom. Man befindet sich dann im Durchbruchbereich. Hat man die Kennlinie einer Diode aufgenommen, so weiß man für jeden Spannungswert wie viel Strom fließt. Man kann das Bauteil effektiv einsetzen. So, was hast du eben gelernt? Halbleiterdioden bestehen aus einer p- und einer n-dotierten Schicht. Bringt man diese zusammen, so bildet sich an der Grenzschicht eine Verarmungszone, in das sich keine freien Ladungsträger mehr befinden, Außerdem sind die Schichten nicht mehr elektrisch neutral. Es existiert eine Spannung, die die Bewegung der freien Ladungsträger hindert. Eine Diode kann in Sperr- und in Durchlassrichtung betrieben werden. Sie leitet, wenn die n-dotierte Schicht am Minus- und die p-dotierte Schicht am Pluspol anliegen. Um die Eigenschaften einer Diode in einem Bild darzustellen, nimmt man Kennlinien auf. Das war es zum Thema Halbleiterdioden. Ich hoffe, du hast was gelernt. Tschüss und bis zum nächsten Mal.

9 Kommentare
  1. Karsten

    Hallo Jan,

    ja zum einen rekombinieren die Ladungen im Bereich der Sperrschicht. Zusätzlich sorgt aber die angelegte Spannung in Sperrrichtung dafür, dass sich die Elektronen im Material bewegen. Dabei entfernen sich die Elektronen vom negativen Pol und nähern sich dem positiven Pol an. Als Konsequenz wandern dann auch die Löcher (Elektronenmangel) in der p-dotierten Schicht zum negativen Pol.

    Liebe Grüße aus der Redaktion

    Von Karsten Schedemann, vor 16 Tagen
  2. Default

    Ich verstehe nicht ganz wieso sich auch die positiven Ladungen bewegen. Ist es nicht so, dass die negativen Ladungen zum positiven Loch springen und sich die n-dotierte Schicht sowie die p-dotierte Schicht so neutralisieren?

    Von Jan F., vor 16 Tagen
  3. Karsten

    Hallo, beide Varianten sind gebräuchlich.

    Um es einheitlicher zu machen hat man sich entschieden die Benennung der Mathematiker zu übernehmen.

    Also besser Zeit-Strom-Diagramm.

    Von Karsten Schedemann, vor etwa einem Jahr
  4. Default

    Heißt es Zeit-Strom oder Strom-Zeit Diagramm ?

    Von Amend Juergen, vor etwa einem Jahr
  5. Default

    gutes video

    Von K Sondermann, vor mehr als einem Jahr
  1. Default

    sehr lehrreiches video!!!!!!

    Von maurice e., vor etwa 2 Jahren
  2. Harley davidson logo 12

    Sau gutes Video!!!

    Von Fabi007, vor fast 4 Jahren
  3. Karsten

    Hallo,
    ich glaube du vertauscht gerade die Perioden und die Hauptgruppen. Die Reihen (von links nach rechts) heißen Perioden sie zeigen an mit welche Schale die Valenzschale ist. Die Spalten (von oben nach unten) heißen Hauptgruppen (sie zeigen an wieviele Elektronen auf der Valenzschale sind.
    Silizium (Si) ist in der 3. Periode und in der 4. Hauptgruppe.
    Bedeutet also die 3. Schale ist die Valenzschale auf dieser sind 4 Elektronen.

    Von Karsten Schedemann, vor mehr als 4 Jahren
  4. Default

    Ist nicht SI in der 3.Hauptgruppe ?

    Von A5086903, vor mehr als 4 Jahren
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