Halbleiterdiode (pn-Übergang)

Die Halbleiterdiode ist ein Halbleiter-Mehrschichtbauelement. p-leitendes Grundmaterial (Germanium, Silizium) grenzt an n-leitendes Grundmaterial. Dieser Situation (ohne Trägermaterial) entsprechen auch die III/V - Halbleiter wie Galliumarsenid (GaAs), Indiumantimonid (InSb) und Indiumphosphorid (InP), bei denen ein dreiwertiger Halbleiter an einen fünfwertigen Halbleiter grenzt.

Das Schaltzeichen der Halbleiterdiode zeigt folgende Grafik:

Schaltzeichen Diode

W. Shockley hat die Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode mit pn-Übergang abgeleitet:

\( I = I_\mathrm{S} \left(\mathrm{e}^{\left(\frac{U}{m · U_\mathrm{T}}\right)} -1 \right) \)
(75)

\( U_\mathrm{T} \) ist die sogenannte Temperaturspannung:

\( U_\mathrm{T} = \dfrac{\mathrm{k}T}{e} \)
(76)

\( \mathrm{k} \) ist die Boltzmannkonstante:

\( \mathrm{k} = 1{,}38 · 10^{-23} \dfrac{\mathrm{Ws}}{\mathrm{K}} \).
Für \( T = 300 \, \mathrm{K} \) ist \( U_\mathrm{T} = 26 \, \mathrm{mV} \).

\( m \) nimmt Werte zwischen 1...2 an.

Der Sperrsättigungsstrom \( I_\mathrm{S} \) liegt durch Halbleitermaterial, Diodenausführung und Temperatur fest. Als Werte werden angegeben:

\( I_\mathrm{S} = 10^{-16} ... 10^{-3} \mathrm{A} \)

Diese Abbildung zeigt Kennlinien im Durchlassbereich (1.Quadrant) für \( I_\mathrm{S} = 1 \, \mathrm{μA} \) (z.B. Germaniumdiode - rote Kennlinie) und \( I_\mathrm{S} = 1 \, \mathrm{pA} \) (z.B. Siliziumdiode - blaue Kennlinie) und \( m = 1 \) für Dioden mit einem Dauerdurchlassstrom von jeweils \( 200 \, \mathrm{mA} \):

I-U-Kennlinie von Halbleiterdioden

Die sogenannte Knick- oder Schleusenspannung ist eine Folge des elektrischen Feldes, das sich durch Diffusion der Ladungsträger wegen der ungleichnamigen Ladungsträgerkonzentrationen (Löcher, Elektronen) an der Grenzfläche einstellt (Diffusionsspannung). Sie wird bei \( \dfrac{1}{10} \) des Dauerdurchlassstromes gemessen.

Oberhalb dieser Spannung steigt der Durchlassstrom steil an. Der Anstieg der Strom-Spannungs-Kennlinie wird meist durch einen Serienwiderstand \( R = 1 \, \mathrm{Ω} \) berücksichtigt.

Bei Umpolung der Spannung fließt der Sperrstrom (3. Quadrant) als Folge der thermischen Paarbildung (Eigenleitung) in der Übergangszone. Bei hohen Sperrspannungen können die Feldkräfte Elektronen aus den festen Bindungen herausreißen bzw. werden die freien Elektronen so stark beschleunigt, dass beim Aufprall auf Atomrümpfe weitere Valenzelektronen aus den Bindungen herausgeschlagen werden.

Das kann zum Wärmedurchbruch und damit zur Zerstörung des Bauelements führen.

Fotodiode

Das Schaltzeichen zeigt diese Grafik:

Schaltzeichen Fotodiode

Der beim Fotowiderstand benannte Fotoeffekt funktioniert im Prinzip bei jedem pn-Übergang, wird aber bei Fotohalbleitern gezielt durch Aufbau und Dotierung gefördert. Die obere Sperrschicht und das Gehäuse müssen lichtdurchlässig sein.

Fotodiode im Metall- und Kunststoffgehäuse

Wird der pn-Übergang durch Gleichung (75) beschrieben, lautet die Strom-Spannungs-Kennlinie der Fotodiode:

\( I = I_\mathrm{S} \left(\mathrm{e}^{\left(\frac{U}{m · U_\mathrm{T}}\right)} -1 \right) - I_\mathrm{ph} (E_\mathrm{V}) \)
(77)

Die Kennlinien der Fotodiode werden also mit zunehmender Beleuchtungsstärke \( E_\mathrm{v} \) nach unten verschoben:

Kennlinienfeld einer Fotodiode

Für \( I = 0 \) (Leerlauf) ist die Leerlaufspannung \( U_\mathrm{L} \) an den Anschlüssen der Diode abgreifbar:

\( U_\mathrm{L} = m·U_\mathrm{T}·\ln\left(\dfrac{I_\mathrm{ph}}{I_\mathrm{S}} + 1\right) \)
(78)

Werden die Enden der Diode kurzgeschlossen, dann fließt im äußeren Stromkreis der Fotostrom \( I_\mathrm{ph} \), der die Richtung eines Sperrstromes hat. Dieser Fotostrom hängt linear von der Beleuchtungsstärke \( E_\mathrm{v} \) ab.

Fotostrom und Beleuchtungsstärke