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Halbleiterdioden- Grundlagen und Konstruktionen

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Was sind Dioden ?
Dioden sind elektronische Bauteile, die eine Strom- Durchlaßrichtung besitzen, in der anderen Richtung gibt es keinen Stromfluß. Dierse Eigenschaft wird zum Gleichrichten von Wechselstrom genutzt, es gibt aber auch Dioden, die in Sperrichtung betrieben werden, etwa Kapazitätsdioden, die eine mit der Sperrspsannung veränderbare Sperrschicht- Kapazität besitzen, die auch recht hoch sein kann- diese Dioden verwendet man für Abstimmung von Schwingkreisen. Andere Dioden, sog. "Z- Dioden", auch"Zener- Dioden", haben eine definierte "Durchbruchspannung" in Sperrichtung, das nutzt man zur Spannungsstabilisierung.

Es gibt inzwischen eine nahezu unüberschaubare Anzahl von Bauarten von Dioden, etliche für ganz spezielle Anwendungsfälle.

Grundsätzliche Funktionsweise, Leitungsvorgänge in Halbleitern

Grundsätzlich sind Dioden Bauteile, in denen die speziellen Leitungsvorgänge in Kristallgittern stattfinden.

In Metallen bewegen sich Elektronen als Ladungsträger.
Wenn eine Spannung vorhanden ist, und ein Stromkreis besteht, können Elektronen leicht ihre Bahn verlassen, und sich bewegen-  einen Strom erzeugen.

Das Kristallgitter von Halbleitern hat eine sehr feste Struktur, dso daß nur wenige Elektronen fließen können.

Durch "Verunreinigung" des Materials, das "Dotieren" mit bestimmten Stoffen, etwa  Arsen, Antimon, Bor oder Phosphor, kann diese Eigenschaft beeinflußt werden- es bilden sich entsprechende Materialien- N- Material mit Elektronen- Überschuß = "Majoritätsladungsträger", oder P- Material, mit Fehlstellen = "Valenzelektronen" ="Minoritätsladungsträger" = "Löcher".

Anmerkung Edi: Da  die Elektronen beim Bewegen im Kristallgitter die Fehlstellen besetzen, und dabei "hinter sich" eine Fehlstelle hinterlassen, wirkt es so, als ob sich die "Löcher bewegen"- das tun sie natürlich nicht, echte, bewegliche Ladungsträger sind nur Elektronen.

Bei Kontaktierung des Kristalls mit einer Metallspitze, oder an der Verbindungsstelle zweier verschieden dotierter Kristalle/ Kristallzonen entsteht beim Anliegen einer Spannung ein sog. PN- Übergang, bzw. die Sperrschicht.


Zeichnung: Edi)
Prinzip des Leitungsvorgangs (sog. "Störstellenleitung") im Halbleiter- Kristall.

Die 4 "Bindungsarm"e des Si- Einkristalls sind alle gebunden- bis auf die Bindung zum Phosphor- dieses Atom ist 5- wertig. hat einen "Bindungsarm" mehr.
Auf der n- dotirten Seite ist dafür ein Bindungsarm des Si frei- das Boratom hat nur 3 "Bindungsarme".

Durch die Behandlung des 4- wertigen Silizium- Materials (Dotieren) mit Phosphor und Bor entsteht also eine Zone mit Elektronenüberschuß und eine Zone mit Elektronenmangel (offene Bindung), in welche die Elektronen "hineinspringen".

Dabei hinterlassen sie natürlich ihrerseites eine Fehlstelle, die durch die (von der Stromquelle) "nachgelieferten" Elektronen flugs aufgefüllt werden.

Die Stromflußrichtung ist damit durch die für die aus dem  n- Material kommenden, überschüssigen Elektronen "anziehend wirkenden" Fehlstellen im p- dotiertem Material,  also vom n- Material zum p- Material vorgegeben.

Aufbau von Kristalldetektoren (Beispiel)

 
Beim Kristalldetektor drückt eine federvorgespannte Metallspitze in ein Stück Bleiglanz-, Pyrit- oder Rotzinkerz- Kristall.
Die Punktkontakt- Stelle it unformiert, die Kontaktstelle ist extrem dünn und unstabil.

Die Sperrschicht bildet sich bei Anlegen einer Spannung an der Kontaktstelle.


Aufbau von Spitzen- Dioden 

Bei der Spitzendiode drückt eine federvorgespannte Metallspitze in ein Stück Germanium- oder Silizium- Einkristall.
Die Punktkontakt- Stelle kann unformiert, oder durch einen Stromstoß formiert sein.
Letzteres bringt eine sehr stabile Verbindung, wie eine Art Verschweißung.

Spitzendioden waren in der Anfangszeit der Rundfunktechnik sehr verbreitet, als vor allem als Demodulatordioden für AM und FM, aber auch als Detektor- Gleichrichter in Meßgeräten, Radargeräten und in Balance. Modulatoren von Sendern.

Die Sperrschicht bildet sich bei Anlegen einer Spannung an der Kontaktstelle, bzw. an der formierten Kontaktstelle von Metallspitze/ Einkristall.

 

Aufbau von PN- Dioden (Beispiele)


Ältere Form eine pn- Diode
Bild: Der praktische Funkamateur 03

 

Bei der Silizium- Diode wurde bei der Herstellung ein Teil des Siliziumkristalls durch Dotierung  zur p- bzw. n- Schicht gemacht, dann ein Kontakt auf den jeweiligen Silizium- Einkristall gesetzt und  durch einen Stromstoß formiert.
Das ergibt eine sehr stabile Verbindung, wie eine Art Verschweißung.

Die Sperrschicht bildet sich bei Anlegen einer Spannung an der  formierten Kontaktstelle von p- und n- dotiertem Silizium- Einkristall.

Anmerkung Edi: Wichtig ist die Art der Dotierung und die daraus resultierende Polarität, nicht der mechanische Aufbau !

 

Planar-, Epitaxie- und andere Verfahren/ Bauformen

Dies sind Herstellungsverfahren moderner Dioden.

Beim Planar- Verfahren wird auf einem Silizium- Einkristall eine Oxydschicht erzeugt, die an vorgesehenen Stellen entfernt wird, an denen dann das Dotieriungs- Materiel eingebracht wird.

Beim Epitaxie- Verfahren wird auf eine hochdotierte Schicht eine weitere Schicht aufgebracht, die auch eine entgegengesetzte Polarität haben kann, so können gewünschte Schichtfolgen erzeugt werden.

 

P/ N- Übergang beim Kristall- Detektor


Bild aus Böhmer u. a., "Elemente der angewandten Elektronik,
Kompendium für Ausbildung und Beruf"
Die Funktionsweise des Kristalldetektors entspricht der Schottky- Diode, folgerichtig wird er bei Wikipedia als erste Schottky- Diode bezeichnet.
Der Kristall kann, wie bei der Diode, ein Germanium- oder Silizium- Kristall sein, aber auch ein mineralischer Kristall, wie Bleiglanz, Pyrit Rotzinkerz u. a.
(https://de.wikipedia.org/wiki/Schottky-Diode, Abschnitt "Geschichte")

Anmerkung Edi:
Derr Kristalldetektor hat einige Eigenschaften mit der Schottky- Diode gemein.
Richtig ist der Vergleich nur bezüglich der Bildung des P/N- Übergangs bzw. der Sperrschicht, und der geringen Flußspannung.
Die Kennlinie des Kristalldetektors kann nämlich auch ganz anders sein- einige Kristall- Materialien ergeben eine Kennlinie mit einem abfallenden Kennlinienteil, dem sog. "negativen Widerstand", was Verstärkung und Schwingerregung ermöglicht, das entspricht etwa der Tunneldiode = Esaki- Diode, hierzu siehe auch auf den weiteren Seiten zu "Crystadyne".

 

Anmerkung zur Polarität



P/ N- Übergang bei Metall/ Halbleiter, Schottky- Dioden


Ausführungsformen von Schottky- Dioden
Bild: Wikipedia

Eine Schottky-Diode beruht auf einem Metall-Halbleiter-Übergang.  
Wenn die Austrittsarbeit  der  Elektronen  im  Metall  größer  
als  die  im  Halbleiter,  so  können  beim  Kontakt  Elektronen  
entsprechend hoher Energie leichter vom Halbleiter ins Metall
übergehen als umgekehrt.

Hierdurch entsteht in der Halbleiterrandschicht eines n-Halbleiters
eine positive Raumladung, verbunden mit einer Verarmung an
Majoritätsladungsträgern (Elektronen).

Gegenüber entsteht im Metall eine entsprechend große  negative  Flächenladung.  

Dies  bewirkt  eine  hochohmige  Grenzschicht  zwischen  Metall  und Halbleiter.  

Wird  am  Metall  gegenüber  dem  Halbleiter  eine  positive  Spannung  
angelegt,  wird  die Raumladungszone reduziert und Elektronen können aus dem
Halbleiter ins Metall fließen.

Ein deutlicher Stromanstieg setzt bereits bei der vergleichsweise kleinen
Flussspannung von UF0=0,3V ein.
Bei negativer Spannung wird die Raumladungszone vergrößert und die Diode
bleibt gesperrt.

Die Kennlinie der Schottky-Diode gleicht also der einer Halbleiterdiode.
Sowohl im Metall als auch im Halbleiter wird der Ladungstransport nur
durch die Elektronen realisiert.
Textquelle: Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig Leipzig

P/ N- Übergang/ Sperrschicht  im Detail
Die Sperrschicht bildet sich bei Anlegen einer Spannung am Übergang verschieden dotierter Einkristalle, also der  formierten Kontaktstelle von p- und n- dotiertem Silizium- Einkristall, ODER um die Aufsetzstelle der Kontaktspitze bei Spitzendioden und einiger Bauformen von Schottky- Dioden, hier ist der PN- Übergang sehr klein, und die Sperrschicht noch dünner, als bei PN- Dioden.


Bild aus Böhmer u. a., "Elemente der angewandten Elektronik,
Kompendium für Ausbildung und Beruf"


Ähnliche Darstellung in anderen Buch
Bild: Der praktische Funkamateur 03


Einfluß der anliegenden Spannung, Durchlaß, Sperren

Ist die Polarität der anliegenden Spannaung so, daß Minus an der p- dotiertem Kristallseite liegt, Plus an der n-dotierten Seite, analog Metallspitze und Kristall, ziehen die Elektronen und die Fehlstellen sich weitgehend zurück.
Dies ist faktisch eine Verbreiterung der Sperrschicht.
Es fließt kein Strom.
(Zeichnung: Edi)
                    
Ist die Polarität der anliegenden Spannaung so, daß Plus an der p- dotiertem Kristallseite liegt, Minus an der n-dotierten Seite, analog Kristall und Metallspitze, werden eine große Anzahl von Elektronen und Fehlstellen sich jeweils in "ihre" Richtung bewegen.
Dies ist faktisch eine Verringerung der Sperrschicht, bis zum Verschwinden derselben.
Es findet voller Ladungsträgeraustausch statt-
Es fließt Strom.
(Zeichnung: Edi)

 

Dioden und ihr Innenleben

Spitzendiode OA6042 von Werk für Fernsehelektronik Berlin ("WF"), DDR, 60er Jahre


Dioden OA604 in der Originalpackung


OA604 ist eine Koaxialdiode,
HF- Detektor,
Frequenzbereich bis 1 GHz, Patronengehäuse

(Fotos: Edi's eigene Dioden)

 

Russische Glasdiode,  60er Jahre

 
Schön zu sehen. Die Metallspitze (Fotos: Edi's eigene Dioden)


Der Kristall mit aufgesetzter Metallspitze (Fotos: Edi's eigene Dioden)


Der Kristall mit aufgesetzter Drahtspitze, vergrößert. Man kann schön den Aufsetzpunkt der Spitze sehen, und es scheint wirklich dort einen kleinen "Schweißpunkt" zu geben, der durch den Formierungs- Stromstoß entstanden ist. (Fotos: Edi's eigene Dioden)


Andersherum: Der Halter der Drahtspitze (Fotos: Edi's eigene Dioden)

 


Spitzenhalter vergrößert (Fotos: Edi's eigene Dioden)

Diode SZY22 von Werk für Fernsehelektronik Berlin ("WF"), DDR, alteBauform

 
SZY22 ist eine Reihenschaltung aus 3 Einzeldioden, es ist eine Z- Diode.
Fotos: richis-lab.de


Eine der Einzeldioden Fotos: richis-lab.de

Die eigentliche Diode befindet sich an der Schnittstelle zwischen der dünnen, glänzenden Scheibe und dem kleinen, leicht schrägen Zylinder. Recht ist die Diodenkonstruktion mit Lötzinn fixiert. Von links erfolgt die Kontaktierung über eine Art Federkontakt, der wiederum mit dem Anschlusspin des Packages verschweißt ist. (Text: richis-lab) Fotos: richis-lab.de

 


Die Diode entsteht durch einen Legierungsvorgang. Die glänzende Scheibe ist ein Siliziumkristall. Der kleine Zylinder besteht wahrscheinlich aus Aluminium. Aluminium bildet beim Einschmelzen in einen n-dotierten Siliziumkristall einen p-dotierten Bereich und damit einen pn-Übergang. Man kann davon ausgehen, dass diese Fertigungsmethode einen sehr viel größeren Streubereich mit sich brachte als moderne Herstellungsverfahren. (Text: richis-lab) Fotos: richis-lab.de


Diode SZY22 von Werk für Fernsehelektronik Berlin ("WF"), DDR, neue Bauform


Diodenträger, rechts das Stück Si-Einkristall in einer der Dioden Fotos: richis-lab.de



Die Kontaktierungsstellen Fotos: richis-lab.de

Der Aufbau der Diode selbst ist sehr viel moderner als bei der SZY22 der älteren Generation. Es handelt sich um ein quadratisches Die mit einer Kantenlänge von 0,45mm. Es ist deutlich zu erkennen, dass der ursprüngliche Wafer zuerst oberflächlich geschnitten und dann zum Vereinzeln gebrochen wurde. Auf dem Die befindet sich ein verhältnismäßig hoher Metallkontakt. Die Höhe ist notwendig, damit das äußere große Kontaktelement keinen Kurzschluss zum Die verursacht.
Das Die besitzt eine Rahmenstruktur. Das spricht dafür, dass es sich hier nicht mehr um eine Legierungsdiode handelt. Höchstwahrscheinlich stellt das Metallquadrat lediglich die Kontaktierung dar und die innere Fläche enthält selbst eine inverse Dotierung zum Substrat, so dass sich an der Grenzfläche die gewünschte Diode ausbildet. (Text: richis-lab)

Vielen Dank an R.Kaußler, richis-lab.de, für die Vergrößerungs- Fotos !

In Arbeit....

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