BE_II

-  Punch - Through

-  Bei einer weiteren Erhöhung der Spannung U_CE (bis U_P) bewirkt, das die Raumladungszone der gesperrten CB – Diode bis zum Emitter reicht

-  Dieses wirkt wie ein Kurzschluss zwischen diesen gleichartig dotierten Gebieten

-  Die nun auftretende Verlustleistung I_C# * U_CE zerstört den Transistor

-  der rechter Teil ist das Ausgangskennlinienfeld eines Bipolartransistors

-  die gradlinige Verlängerung der Aus- gangskurven für Stromsteuerung nach links führt zu einem Schnittpunkt mit

der Spannungsachse

-  der Schnittpunkt heißt Early – Spannung U_ea

    :

-  Transistor im Normalbetrieb, d. h. die Basis – Emitterdiode arbeitet in Durchlassrichtung und Basis Kollektordiode arbeitet in Sperrrichtung

-  der Emitter injiziert Elektronen in die sehr dünne Basiszone (< 50μm)

-  in der Basiszone (P – Gebiet) sind die Elektronen Minoritätsträger

-  Die Elektronen können aus der Basis auf zwei Arten „verschwinden“

o ein geringer Teil der Elektronen rekombinieren in der Basiszone mit den dortigen Majori- tätsträger (Löcher)

- deren ist nur gering, da die Basis nur schwach dotiert und sehr schmal ist\(\to\)kleiner Basisstrom

o die meisten Elektronen werden als Minoritätsträgerstrom vom Kollektorpotential „abge- saugt“

• -  UCE bei PNP – Transistor \(\to\) negativ

• -  UBE bei PNP – Transistor \(\to\) negativ

-  Problem: Exemplarstreuungen verursachen ungleichmäßige Strom- /Spannungsbelastungen

-  Parallelschaltung:

o Serienwiderstände bewirken eine gleichmäßige Aufteilung der Ströme

o Eine geringe Durchlassspannung bewirkt einen großen Strom ,der am Serienwiderstand einen höheren Spannungsabfall verursacht

o Dimensionierung: R = 3 * r_d (r_d = differentieller Widerstand der Diode) - Reihenschaltung:

o Parallelwiderstände bewirken eine gleichmäßige Aufteilung der Sperrspannungen

o Dimensionierung: \(R = {{U_R} \over 3I_R}\)

-  Problem: beim Ausschalten induktiver Lasten (z. B. Relais) entstehen durch selbst Induktion hohe Spannungen, Abhilfe durch eine Freilaufdiode

-  Funktion:

o Beim Schließen des Schalters ist die Diode gesperrt
o Beim Öffnen des Schalters verursacht die Induktivität eine hohe Spannung mit umgekehrten Vorzeichen
o die Diode leitet und die im Magnetfeld gespeicherte Energie kann abgebaut, d. h. in Verlustwärme umgesetzt werden

-  U₁ =0V=logisch„0“, U₂ =5V=logisch„1“, PoentialanB=U_C

-  Funktion:

o wenn ein Eingang A_i = „1“\(\to\)B = „1“
o alle A_i = „0“ \(\to\) alle Dioden leiten \(\to\) B = „0“
o eine Diode A_i = „1“ \(\to\) diese Diode leitet, alle anderen sperren \(\to\) B = „1“
o offene unbenutzte Eingänge wirken wie eine logische „0“ und haben keinen Einfluss auf den Ausgangszustand

-  U₁ =0V=logisch„0“, U₂ =5V=logisch„1“, PotentialanB=U_C

-  Funktion:

o nur wenn alle Eingänge A_i = „1“ \(\to\) B = „1“
o solange ein A_i = „0“\(\to\)B = „0“
o alle A_i = „1“\(\to\)B = „1“
o offene unbenutzte Eingänge wirken wie eine logische

„1“,

-  Positive Halbwelle: C₁ wird auf den Scheitelwert von u₁(t) geladen

-  Negative Halbwelle: C₂ wird auf den Scheitelwert von u₁(t) geladen

- U_RL = U_SS

-  Trafo ohne Mittelanzapfung

-  bei positiver Spannung u₁(t) (Klemme 1 \(\to\) Klemme 2)

kann über die Diode D1 der Strom zum Kondensator C und dem Widerstand R_L fließen und über die Diode D4 wieder zurück zur Spannungsquelle

-  der Kondensator wird auf diesem Weg geladen, die Dioden D2 und D3 sind gesperrt

-  der Kondensator wird über den Lastwiderstand R_L entladen

-  Polarität Wechsel der Spannung u₁(t) (Klemme 2 \(\to\) Klemme 1)

-  Strom fließt diesmal über D3 und über D2 zur Spannungsquelle zurück, D1 und D4 sind gesperrt

-  Abstand Ladestromimpulse gleich T/2

-  Vorgang wird Periodisch widerholt, Schaltung nicht geeignet für kleine Spannungen

-  Sekundarwicklung mit Mittelanzapfung

-  u₂(t) und u₃(t) sind bezogen auf die Mittelanzapfung gegenphasig

-  Funktion:

o Kondensatorladung über D1 (pos. Halbwelle von u₁(t)) und D2 (neg. Halbwelle von u₁(t))

o Abstand der Ladestromimpulse gleich T/2, daraus folgt Aufladevorgang findet mit doppelter Frequenz statt

o Ladestrom arithmetischer Mittelwert des Stroms

o Brummspannung: alle Werte sind im Vergleich mit der Einweggleichrichtung halb so groß o U_RRM gleich wie bei der Einweggleichrichtung

-  Der Serienwiderstand R kann R_i der Spannungsquelle sein

-  Bei dieser Betrachtung wird die Durchlassspannung der Diode vernachlässigt

-  U_RRM beachten (max periodische Spitzen- sperrspannung) 

- Funktion:
o Wenn die Spannung u(t) ihren maximalen Wert erreicht wird der Kondensator auf diesen

Spitzenwert aufgeladen,
o Fällt die Spannung u(t) dann sperrt die Diode und der Kondensator kann nicht über die Diode entladen werden
o die Entladung findet durch die Stromentnahme i_RL über den Lastwiderstand R_L statt o die Spannung u_RL(t) sinkt exponentiell bis zum Start der nächsten Periode
o Abstand der Ladestromimpulse gleich T
o dieser Vorgang widerholt sich Periodisch

- r_z = r_zj + r_th

o rzj = inhärenter differenzieller Widerstand

o rth= thermischer differenzieller Widerstand

• -  Z – Dioden werden im Sperrbereich betrieben,

  mit einer genau definierten Durchbruchsspan-

  nung

• -  Der Arbeitsbereich liegt bei I_ZMAX und ist der ma-

  ximal zulässiger Strom mit P_tot > U_Z * I_ZMAX

- Hochfrequenz- und schnelle Schalteranwendungen:
o Modulator- Demodulator Schaltungen bis 1GHz

o Spezielle Si-Mikrowellendioden bis 40GHz

- Eigenschaften:
o kleine Diffusionskapazität

o Minoritätsträger spielen keine Rolle, da die Zahl der Majoritätsträger erheblich größer ist

o kurze Schalt- und Speicherzeiten (einige 100ps), da die Majoritätsträger beweglicher sind - Anwendung:

o Mikrowellentechnik (bis 50GHz, Schnelle Digitalrechner)

o Schutzdiode an Porteingänge von Mikrocontroller (Ableitdiode)

von 7% - 18%

amorphe Si-Dünnschichtzelle: 7%

CIS-Zelle: 9%

polykistalline Si-Solarzelle: 14%

monokistalline Si-Solarzelle: 18%

Maximale Leistungsentnahme bei Leistungsanpassung (Ri = Ra)

Maximum Power Point: Maximale Leistungsentnahme

- Funktion:
o eine in Sperrrichtung an eine Diode gelegte Spannung verstärkt

die Sperrscht,
o es fließt nur ein kleiner Sperrstrom, der durch thermisch angereg-

te Ladungsträgerpaarbildung hervorgerufen wird,

o Energie kann jedoch der Sperrschicht in Form von Licht zugeführt werden (innerer Photoeffekt)

- Aufbau:
o Fotodioden unterscheiden sich im Herstellungsverfahren nur wenig

von Normalen Dioden,
o das Dioden Gehäuse erhält zur Sperrschicht ein linsenförmiges

Fenster - Anwendung:

o Lichtschranken, Dämmerungsschalter, Codelineale

- Funktion:
o Elektrische Energie wird in Lichtenergie umgewandelt.
o In durchlassbetrieb werden vom p – Gebiet Löcher als Majoritätsträger ins n – Gebiet injiziert und Elektronen als Minoritätsträger vom n – Gebiet ins p – Gebiet
o in den Bahngebieten rekombinieren die Minoritätsträger mit den Majoritätsträger o die Rekombinationsenergie wird als Wärme, sichtbares oder UV – Licht freigesetzt

- Eigenschaften:
o kein Einschaltstromstoß
o niedrige Betriebsspannung
o praktisch trägheitslos (Anstiegs- / Abfallzeiten im ns- Bereich) o modulierbar
o hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit

- Einsatzmöglichkeiten:
o Anzeigeelement, Optokoppler, Leuchtmittel

- Vorteil der PSN – Struktur:
o Sie bewirkt im Sperrbetrieb eine Aufteilung der Spannung auf zwei Übergänge,

P\(\to\)S und S\(\to\)N
- Wirkung der S – Zone im Flussbetrieb:

o Die S – Zone wird im Flussbetrieb mit Ladungsträger Überschwemmt und hat keine große Wirkung

• -  bei einem in Sperrrichtung gepolten PN-Übergang fließt nur ein kleiner Sättigungsstrom und es existiert eine Raumladung,

• -  die in Sperrrichtung gepolte Diode verhält sich wie ein verlustbehafteter Kondensator,

• -  mit zunehmender Sperrspannung U_r verbreitet sich die Sperrschicht und somit nimmt die Sperr-

  schichtkapazität C_S ab,

• -  die Sperrschichtkapazität C_S hat ihren größten Wert bei U_r = 0V

- Arbeitspunkt:

o im Sperrgebiet zwischen Nullpunkt und der Durchbruchspannung

- Anwendung:

o elektronische Abstimmung von Schwingkreisen (Resonanzkreise) o AFC – Schaltungen (Automatic Frequency Control)
o Modulations- und Demodulationsschaltungen

- nach dem Umschalten ist die Raumladungsdoppelschicht noch von Ladungsträgern überflutet o Ladungen in den Bahngebieten müssen durch Rekombination abgebaut werden,
o die Diode wirkt zunächst als Kurzschluss mit I_r = U_r / R
o allmählich stellt sich der Wert von I_S ein mit (t_r recovery time oder Übergangszeit)

• -  Die geringe Dotierung hat eine breite Raumladungszone zur Folge

• -  hat ein Ladungsträger auf dem Weg durch die Sperrschicht genügend kinetische Energie aufgenommen, um weitere Bindungen aufzubrechen, entstehen neue Ladungsträgerpaare und der Sperrstrom steigt lawinenartig an

• -  der Lawinendurchbruch tritt bereits bei Feldstärken E_Si ab 1,8*10⁵ V / cm auf

• -  bei U_D = U_br findet der Lawinendurchbruch statt (br = avalanche- break- down)

• -  Der Diffusionsstrom fließt ohne elektrisches Feld, d. h. ohne Spannung,

• -  Ladungsträger werden nur durch Wärmebewegung angetrieben,

• -  dies führt zum Ausgleich von Konzentrationsgefällen,

• -  häufig ist mit dem Diffusionsstrom eine Aufladung bestimmter Bereiche verbunden

• -  als Folge davon entstehen ein elektrisches Feld und Diffusionsspannung.

Bei DU = -10V, \(\vartheta_U\) = 25°C für BAY44: I_S < 5nA

\(U_T = {kT \over e} = {D \over \mu}\)

- Diode im Durchlassbetrieb:
o In einem pn Übergang ist im Durchlassbetrieb eine Diffusionsladung QD gespeichert, o die Diffusionskapazität wird durch die Trägheit der Minoritätsträger verursacht
o die Diffusionskapazität ist u. a. proportional dem Durchlassstrom ID

- Sperrbetrieb
o durch eine hohe Sperrspannung steigt der Sperrstrom und die Verlustwärme o durch die Erwärmung steigt der Sperrstrom, IS = f(T),
o somit wächst auch die Verlustwärme
o dieses führt schließlich zur Zerstörung der Diode

- Hot Spot:
o die Verlustleistung verteilt sich herstellungsbedingt nicht auf die gesamte Dioden Fläche o hoher Strom und Leistungsdichte verursachen hohe Temperatur
o dies führt zur Zerstörung der Diode.

(Ge) Germanium: 0,15 ... 0,35V; (Si) Silizium: 0,45 ... 0,8V

-  Das Bauelement zeigt eine deutliche Ventilwirkung,

-  Für UD > 0V Arbeitet die Diode in Durchlassbereich

-  Hier nimmt der Strom mit zunehmender Spannung exponentiell zu

-  Ein nennenswerter Strom fließt für UD > 0,7V

-  für UR < 0V sperrt die Diode und es fließt ein vernachlässigbarer kleiner Strom

-  Dieser Bereich wird Sperrbereich genannt

-  Die Durchbruchspannung hängt von der Diode ab und beträgt hier Ubr ca. -80V und es fließt ebenfalls ein Strom.