Grundlagen der Halbleitertechnik und Bauelemente

Intrinsische Halbleiter

Intrinsische Halbleiter sind Halbleiter ohne Verunreinigungen. Ihre Atome besitzen vier Valenzelektronen und bilden kovalente Bindungen mit benachbarten Atomen, wobei sie vier Elektronenpaare teilen.

Extrinsische Halbleiter

Extrinsische Halbleiter sind dotierte Halbleiter, d.h. sie enthalten gezielt eingebrachte Verunreinigungen, um ihre Leitfähigkeit zu beeinflussen.

N-Typ-Halbleiter

Werden einem intrinsischen Halbleiter Fremdatome mit fünf Valenzelektronen hinzugefügt (Donatoren), so besitzt jedes dieser Atome in der Kristallstruktur ein überschüssiges, ungebundenes Elektron. Dieses Elektron kann sich leicht innerhalb des Halbleiters bewegen und erhöht dessen Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit hängt dabei von der Anzahl der Fremdatome ab. Dies bildet einen N-Typ-Halbleiter, bei dem Elektronen die Majoritätsladungsträger sind.

P-Typ-Halbleiter

Werden einem intrinsischen Halbleiter hingegen Fremdatome mit drei Valenzelektronen hinzugefügt (Akzeptoren), so entsteht in der Kristallstruktur dieser Atome ein Mangel an einem Elektron für eine Bindung – ein sogenanntes Loch. Dies erzeugt einen P-Typ-Halbleiter, bei dem Löcher die Majoritätsladungsträger sind.

PN-Übergang

Ein PN-Übergang ist die Verbindung eines P-Typ-Halbleiters mit einem N-Typ-Halbleiter. Beim Verbinden bewegen sich einige Elektronen vom N-Typ-Halbleiter zum P-Typ-Halbleiter und rekombinieren dort mit den Löchern. Dies führt zur Bildung einer Sperrschicht, in der keine freien Elektronen oder Löcher vorhanden sind.

Direkte Polarisation (Durchlassrichtung)

Bei direkter Polarisation wird der positive Pol des Generators mit dem P-Typ-Halbleiter und der negative Pol mit dem N-Typ-Halbleiter verbunden. Ist die angelegte Spannung größer als die Schwellenspannung des PN-Übergangs, können Elektronen aus dem N-Typ-Halbleiter die Sperrschicht überwinden und in den P-Typ-Halbleiter diffundieren, wo sie mit Löchern rekombinieren. Gleichzeitig fließen Elektronen vom negativen Pol des Generators in den N-Typ-Halbleiter und Löcher vom P-Typ-Halbleiter zum positiven Pol des Generators, wodurch ein Stromfluss entsteht.

Verpolung (Sperrrichtung)

Bei Verpolung (Sperrrichtung) wird der positive Pol des Generators mit dem N-Typ-Halbleiter und der negative Pol mit dem P-Typ-Halbleiter verbunden. Durch die angelegte Spannung werden die freien Elektronen im N-Typ-Halbleiter zum positiven Pol der Batterie gezogen, während die Löcher im P-Typ-Halbleiter zum negativen Pol gezogen werden. Dies führt zu einer Verbreiterung der Sperrschicht, wodurch der Durchgang von Elektronen durch den Übergang praktisch unterbunden wird. Es fließt jedoch ein sehr geringer Sperrstrom, verursacht durch Minoritätsladungsträger, die durch thermische Energie aus Bindungen gelöst werden.

Diodenparameter

Um eine Diode korrekt zu betreiben, sind folgende Parameter wichtig:

• Maximale Durchlassstromstärke: Der höchste Strom, der im Dauerbetrieb in Durchlassrichtung fließen darf (Gleichstrom, Impulsstrom, Wechselstrom).
• Maximale Sperrspannung: Die höchste Spannung, die eine Diode in Sperrrichtung ohne Schaden widerstehen kann. Wird diese Spannung im Dauerbetrieb überschritten, kann die Diode durchbrechen, ihre kristalline Struktur wird zerstört und der PN-Übergang verschlechtert sich irreversibel.

Eine Diode kann durch den Joule-Effekt zerstört werden, wenn sie im Dauerbetrieb von einem zu hohen Gleichstrom durchflossen wird oder die Sperrspannung den Nennwert überschreitet.

Brückengleichrichter

Ein Brückengleichrichter besteht aus vier Gleichrichterdioden, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind und an die Last angeschlossen werden. Die Wechselspannungsquelle wird an die beiden gegenüberliegenden Punkte der Diodenbrücke angeschlossen. Während jeder Halbwelle der Wechselspannung leiten jeweils zwei Dioden in Durchlassrichtung, während die anderen beiden in Sperrrichtung sind. Dadurch fließt der Strom immer in der gleichen Richtung durch die Last, was eine Gleichrichtung der Wechselspannung bewirkt.

Der Transistor als Schalter

Ein Transistor kann als Schalter verwendet werden.

• Eingeschalteter Zustand (Sättigung): Wenn ein kleiner Strom an den Basisanschluss angelegt wird, fließt ein hoher Strom durch den Kollektor. In diesem Zustand ist der Transistor gesättigt (eingeschaltet).
• Ausgeschalteter Zustand (Sperrung): Wird der Strom an der Basis unterbrochen, leitet der Transistor nicht mehr. In diesem Zustand ist der Transistor abgeschaltet (ausgeschaltet).

Diese Eigenschaft ermöglicht den Betrieb des Transistors als Schalter, wobei eine Last am Kollektor angeschlossen wird. Der Laststrom fließt nur, wenn eine Vorspannung an die Basis-Emitter-Strecke angelegt wird. Wird die Basis-Emitter-Schaltung unterbrochen, fließt kein elektrischer Strom mehr durch die Last.