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1. Halbleiter allgemein:
Leiter: Metalle + Metallegierungen ( sehr gute Leiteigenschaften)
Nichtleiter: Isolatoren (z.B. Porzellan, Kunstoffe), Leitfähigkeit = 0
Halbleiter: Eigenschaften zwischen den beiden obigen (Silizium,Germ.)
bei Halbleitern ist der Widerstand durch äußere Umstände (Wärme + Licht) bed.
Aufbau: Germanium + Silizium haben 4 Außenelektronen (Valenzelektronen)
Elektronenpaare => vollkommene Elektronenbindung, Härte
festes Gitter, nur durch durch äußere Energiezufuhr aufbrechbar
=> eigentlich ein Isolator
Eigenleitung: trifft allerdings nur auf absoluten Nullpunkt -273oC zu
bei höheren Temperaturen bricht die Kristallstruktur auf
(Diode mit Fön erhitzen, Widerstand fällt von 1-2M meßbar ab)
bereits bei 20oC leitbar: kleine Temperaturenerhöhungen verbes sern die Leitfähigkeit erheblich
=> Eigenleitung
Wärme auch durch Eigenwärme bei Stromfluß
Halbleiter in reiner Form nutzlos, da zu extrem
Dotieren oder Dopen: Beimengen von Stoffen mit 1 Valenzelektron mehr oder weniger (3, 5)
in Reinsträumen: chemische und physikalische Verfahren
auf 1012 ein Fremdatom, Leitfähigkeit
1. N-Leiter: z.B. Dotierung mit Phosphor (5) und Silizium (4)
jedes fünfte Valenz-Elektron von Phosphor ist frei
nicht in Gitter eingebunden, für Leitung frei => Störstelle
Elektronen frei beweglich => N-Leiter nicht geladen
bei Spannung: Elektronen von Minus nach Plus
2. P-Leiter: z.B. mit Aluminium (3) und Silizium (4)
Elektronenpaarbindungen, bei jeder 4. fehlt ein Elektron
Defektelektron, Loch, Störstelle
Elektron fehlt => P-Leiter nicht geladen
Löcher haben Wirkung wie positive Ladung (obwohl Ladungslos)
in festen Stoffen können nur Elektronenwandern, keine Rümpfe
springen Elektronen, wandert Loch scheinbar in andere Richtung
=> üblich: Löcher als positive Ladung anzusehen
bei Spannung: Löcher von Plus nach Minus
Energiezufuhr auch durch Licht möglich (innere Photoeffekt)
0,7 bis 1,12 eV für Elektron aus Ge oder Si aus Valenzband ind Leitungsband
Photon auf Halbleiter => Elektron und Loch entsteht (Paar)
Photowiderstand (LDR)
Light Depending Resistor !
brauchbare Halbleiterstoffe: Cadmiumsulfid (CdS), Cadmiumselenid (CdSe), Blei sulfid (PbS)
Photowiderstand: Mäanderförmige Schicht in Glaskolben eingeschmolzen
Aufbau: Beleuchtungsfläche einige cm2 (0,02-1,5)
Eigenschaften: - hoher Dunkelwiderstand, hochohmig, kaum meßbarer Strom
- bei zunehmender Beleuchtung sinkt Widerstand auf 1/1000 ab
Diagramm -geringe Beleuchtung
setzen W sehr ab
etwa proportional
- höchste Empfindlichkeit für rotes und infrarotes Licht
- passives Bauelement => grundsätzlich Stromquelle (Photoelement)
- relativ träge, Wechselvorgänge max. 100 bis 1000Hz (3kHz)
- hoch belastbar, direkte Ansteuerung von Relais ohne Verstärker
- Verlustleistung 1,05 bis 1,2 Watt
- Geringe Temperaturabhängigkeit
Einsatz: - Lichtschranke (Einbruchsicherung, infrarot, Rolltreppe, Türöffner)
- Fotoapparat (automatischer Belichtungsmesser)
Photodiode
Diode allgemein: PN-Übergang (Verarmungszone)
- Mitte: Ladungsausgleich,
Rekombinierung, Diffusion
=> isolierte Schicht,
keine freien Elektronen
Schwellen-, Diffusionsspannung: P-Schicht negativ,
N-Schicht positiv geladen
- zieht Elektronen wieder zurück => Gleichgewicht
- innere Spannung von außen nicht nachweisbar
- Höhe materialabhängig: Ge 0,25;Si 0,7; Se 0,6
Plus an P-Schicht und Minus an N-Schicht:
- Elektronen aus N-Schicht werden über Übergang gedrückt
(erst Diff.-Spannung überwinden!) => Stromndurchlässig
Schleußenspannung
Minus an P-Schicht und Plus an N-Schicht:
- Elektronen aus N werden vom Pluspol eingesaugt
Löcher in P von Minus besetzt => keine freien Ladungsträger
=> Diode sperrt, Isolator
- bei sehr starker Spannung: Durchschlag => Zerstörung der Diode
- winziger Sperrstrom 1nA durch Minoritätsträger,
normalerweise vernachlässigbar
Photodiode:
Funktion: - fällt Licht auf PN-Schicht werden Elektronen freigesetzt
(innerer Photoeffekt)
Sperrschicht wird abgebaut, Kristall müßte elektr. neutral sein
Zuleitungen N-Leiter => UMn und UMp, bei UMp > UMn Diff. zu P
unbeleuchtet, keine Spannung => UMp + UMn + Upn = 0
bei Licht, Auflösung von PN => UMp + UMn + Upn` = UF
Upn\' geringere Eindringtiefe
hohe Absorbtion , hohe Rekombination
- Widerstand sinkt bei Beleuchtung um ein vielfaches
- Stromstärke fast unabhängig von angelegter Spannung
zu erst Anstieg, dann Grenzwert
- Stromstärke steigt fast linear mit Beleuchtungsstärke Diagram
Material: - dotiertes Germanium oder Silber
- Halbleiterschicht so dann, daß von Licht durchsetzbar
- meist in lichtundurchlässigen Gehäusen mit kleiner Öffnung
(oft mit noch mit Glaslinse zu Bündelung)
- lichtempfindliche Schicht etwa 1mm2
Betrieb: - Anschluß im Unterschied zum Widerstand, richtungsabhängig
- Betrieb: stets in Sperrichtung, sonst sowieso leitend
Eigenschaften: - geringer Dunkelstrom, hochohmig
- geringere Strombelastung gegenüber Widerstand
=> keine direkte Ansteuerung von Relais, Verstärker nötig
- geringe Verlustleistung 20 bis 100mWatt, wenig belastbar
(bis 100 mikro-Ampere)
- erkennbare Wechselvorgänge bis 100kHz => Datenübertragung
- größte spektrale Empfindlichkeit im Infra-Rot-Bereich
- Si- im sichtbaren empfindlicher als Ge-Dioden
- aktives Bauelement
- Temperaturabhängigkeit sehr gering
- sehr kleine Bauweise (>1mm Durchmesser) => Mikroelektronik
- auch als Photoelement verwendbar;
mit zunehmender Beleuchtung, zunehmende Spannung
(bei 100 Lux 100 bis 400 mV) Anwendung im Phototransistor
Schaltzeichen
Anwendung: - Abtasten von Filmstreifen (Tonspur)
- früher Abtasten von Lochstreifen
- codierte Briefverteilung (Barcodes, CD-Player)
- in Verbindung mit LED: Lichtschranken, Optokoppler
- Infrarot Fernbedienung
- Lichtmessung
- großflächige Siliziumfotodioden als Solarzellen (10%)
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