Grundlagen der Halbleitertechnik: Dioden, Gleichrichtung und Filter

Halbleitergrundlagen und Materialeigenschaften

Halbleiter

Eine Substanz, die sich entweder als Leiter oder als Isolator verhält (z. B. Silizium oder Germanium).

Kristallstruktur

Die Art und Weise, wie Atome zu einer materiellen Form gebunden sind. Im reinen Zustand sind die Atome nach einem sich wiederholenden Muster angeordnet.

Rekombination

Der Prozess, bei dem ein freies Elektron ein Loch in einem Atom füllt (Mischung von Halbleitern mit Verunreinigungen).

Gebundenes Elektron

Ein Elektron, das sich in der Umlaufbahn befindet und eine bestimmte Ionisationsenergie zur Freigabe benötigt.

Lücke (Loch)

Das Fehlen eines Elektrons im Valenzband.

Valenzelektron

Elektronen, die sich in den äußersten Energieniveaus befinden. Diese sind für die Interaktion zwischen Stoffen zuständig.

Thermische Generation (Wärme-Generation)

Phänomen, das auftritt, wenn ein Elektron seine Stelle verlässt, um gleichzeitig ein Loch zu füllen, wobei es an seiner Ausgangsposition ein Loch hinterlässt. Dies produziert Energie.

Ladungsträger und Dotierung

Majoritätsträger (Mehrheitsträger)

Die Atome mit mehr Elektronen (fünfwertige Verunreinigungen) im N-Typ-Halbleiter (negativ).

Minoritätsträger (Minderheitsträger)

Elektronenmangel (meist dreiwertige Verunreinigungen) im P-Typ-Halbleiter (positiv).

Intrinsisches Material

Chemisch reiner Halbleiter.

Extrinsisches Material (Dotierter Halbleiter)

Ein Halbleitermaterial, das einem Prozess der Dotierung (Hinzufügen von Verunreinigungen) unterzogen wurde.

Der PN-Übergang und Diodenverhalten

Kovalente Bindung

Elektronen, die zwischen zwei Atomen gemeinsam genutzt werden.

Anode

P-Typ-Bereich (positiv).

Kathode

N-Typ-Bereich (negativ).

Sperrschicht und Polarisation

Kontaktpotenzial oder Potenzialbarriere

Das Phänomen, bei dem Elektronen die Grenze passieren und in den Ionisationsbereich eintreten. Dabei wird die N-Zone positiv und die P-Zone negativ.

Verarmungszone oder Sperrschicht

Der physische Raum, der nicht leitend ist, da er keine freien Ladungsträger besitzt. Sie erzeugt ein elektrisches Feld oder wirkt als Potenzialbarriere.

Polarisation eines reinen Halbleiters am absoluten Nullpunkt

Das Material besitzt so wenig Energie, dass keine elektrische Leitung möglich ist.

Polarisation eines reinen Halbleiters bei Umgebungstemperatur (Tº)

Einige der starken Bindungen zwischen den Atomen werden durch Erwärmung des Halbleiters gebrochen, und folglich werden einige der Elektronen frei.

Direkte Polarisation (Durchlassrichtung)

Vorspannung einer PN-Diode in Durchlassrichtung: Positive Spannung wird an den P-Bereich und negative Spannung an den N-Bereich angelegt. Die Diode leitet, weil die Verarmungszone mit Ladungsträgern überflutet wird.

Sperrspannung (Sperrrichtung/Isolator)

Wenn der Strom in die entgegengesetzte Richtung zur Pfeilrichtung der Diode fließen möchte. In diesem Fall lässt die Diode keinen Strom passieren.

Z-Diode (Zener-Diode)

Eine Silizium-Diode, die gebaut wurde, um im Durchbruchbereich zu arbeiten. Sie dient als Spannungsstabilisator und Schutz. Der interne Widerstand variiert in Abhängigkeit von der Spannung.

Gleichrichtung und Filtertechnik

Gleichrichtung

Der Prozess, bei dem Wechselspannung (AC) in pulsierende Gleichspannung (DC) umgewandelt wird.

Gleichrichtertypen

Halbwellengleichrichter

Eine Schaltung, die verwendet wird, um den negativen oder positiven Teil des AC-Eingangssignals (Vi) zu eliminieren, um ein DC-Ausgangssignal (Vo) zu erzeugen.

Vollwellengleichrichter (Brückenschaltung)

Eine Schaltung, die ein AC-Eingangssignal (Vi) in pulsierende DC-Ausgangsspannung (Vo) umwandelt. Der negative Teil des Signals wird positiv oder umgekehrt, je nach Bedarf des Ausgangssignals.

Vollwellengleichrichter mit Mittelpunktabgriff (Transformator)

Der Transformator hat drei Anschlüsse in der Sekundärwicklung (ein doppelter Mittelpunktabgriff). Die Schaltung korrigiert die positiven Halbwellen eines AC-Signals, wobei die positive Halbwelle abwechselnd über die obere oder untere Diode geleitet wird.

Dreiphasen-Halbwellengleichrichter

Erzeugt eine Welle mit geringer Welligkeit. Jede Diode trägt ihre Halbwelle bei, sodass der Ausgang die Summe der drei ist.

Dreiphasen-Vollwellengleichrichter

Das Ausgangssignal weist eine sehr geringe Welligkeit auf und ist dem reinen Gleichstromsignal sehr ähnlich. Die Welligkeit ist die Lücke zwischen den Spitzen der Halbwellen, die in diesem Fall sehr klein ist.

Filter und Glättung

Filter

Systeme, die einen Teil der Variationen eines Spannungsimpulses (Welligkeit) eliminieren können.

Kondensatorfilter

Ein Stromkreis, der durch die Verbindung einer Diode und eines Kondensators zur Filterung oder Glättung der Wellen gebildet wird, was zu einem elektrischen Gleichstromsignal führt, dessen Spannung sich im Laufe der Zeit nicht stark ändert.

Funktionsweise des Kondensators

Während der Zeit der steigenden Halbwelle absorbiert der Kondensator Energie. Wenn die Halbwelle zu sinken beginnt, beginnt der Kondensator, die akkumulierte Energie wieder abzugeben.

Brummspannung (Restwelligkeit)

Die Variation der Spannung am Ausgang des Filters. Der Filter ist besser, je geringer diese Variation ist.

RC-Filter

Eine verbesserte Version des Siebkondensators (Kondensatorfilter).

LC-Filter

Eine Kombination der Effekte eines Kondensators und einer Spule, um die Glättung der Spannung zu optimieren. Die Kapazität glättet die AC-Welligkeit, und die Induktivität glättet den Strom.

Diodenbrücken

Eine Schaltung, die den Strom korrigiert und eine Spannung aufrechterhält (häufig als Vollwellengleichrichter verwendet).

Spezialgebiet

Opto-Elektronik

Bauteile, die in der Lage sind, eine Lichtfrequenz zu generieren.