Diplomarbeit: Webbasiertes exploratives Tutorial zur Lehrveranstaltung EIS "Funktionsweise des MOS-Transistors"

Wie funktioniert eine Diode?


 
   

Diode = p-n Übergang


Diode / p-n Übergang, die dunklen Farben verdeutlichen die Raumladungszone.

Eine Diode wird auch als p-n Übergang bezeichnet. Sie besteht aus einem positiv und einem negativ dotierten Bereich. Diese beiden Bereiche sind an einem Übergang miteinander verbunden.

Durch die unterschiedliche Konzentration von Löchern und Elektronen in den beiden Gebieten wandern Elektronen in das p-dotierte und Löcher in das n-dotierte Gebiet, um dort zu rekombinieren. Dadurch entsteht eine Zone, die an freien Ladungsträgern verarmt ist. Diese Zone wird Raumladungszone genannt. Die Zone erzeugt ein elektrisches Feld, welches der Diffusionsbewegung entgegen gerichtet ist und damit ein Gleichgewicht herbeiführt.

 

 
Dotierungsstärke bzw. Verhältnis

Die Raumladungszone breitet sich stärker in das schwächer dotierte Gebiet aus. Dies geschieht, weil im schwächer dotierten, gleichgroßen Gebiet weniger Ladungsträger für die Rekombination zur Verfügung stehen.

Beim folgendem Applet kann das Dotierungsverhältnis zwischen den beide Gebieten eingestellt werden.

 

Beobachten Sie die Veränderungen der Raumladungszone.

Dotierungsverhältnis

Bewegen Sie den Regler mit der Maus, um das Dotierungsverhältnis zu ändern.
Die dunklen Farben verdeutlichen die Raumladungszone.

 

 

Die Ladungsdichte gibt die Dichte der Ladungsträger an, die vom anderen Gebiet gekommen und dann rekombiniert sind. Es sind also negative Ladungsträger ins positiv-dotierte Gebiet gewandert.

 

Im folgenden sollen nun die Eigenschaften einer Diode in Abhängigkeit von der angelegten Spannung beschrieben werden.

 

   

unbeschalteter p-n Übergang


Diode unbeschaltet

Die Diode weist im unbeschalteten Zustand, d.h., wenn keine Spannung von außen anliegt, eine Grundspannung Ud auf. Dabei besitzt das n-dotierte Gebiet eine positive Spannung gegenüber dem p-dotierten Gebiet auf. Ud liegt bei Silizium ungefähr bei 0,6 Volt.

 

beschalteter p-n Übergang


Diode sperrt


Diode leitet

Wird die Diode beschaltet, d.h. es wird eine Spannungsquelle an die Bereiche angelegt, sperrt oder leitet sie in Abhängigkeit von der Polung.

Diode sperrt:

Durch Anlegen einer Spannung, mit dem Pluspol an das n-dotierte Gebiet und dem Minuspol an das p-dotierte Gebiet, verbreitert sich die Raumladungszone, weil immer mehr Ladungsträger von der Grenzschicht zwischen den beiden Bereichen abwandern und keine neuen Ladungsträger nachrücken. Dies hat zur Folge, daß durch die Raumladungszone, die hauptsächlich ortsfeste Ladungsträger enthält, nur noch ein Leckstrom fließt. Der Leckstrom entsteht durch die thermische Ladungsträgererzeugung und nicht durch die angelegte Spannung.

Diode leitet:

Durch Umkehrung der Polung, also Plus an p-Dotierung und Minus an n-Dotierung, können immer mehr Ladungsträger aus der Spannungsquelle nachrücken und an der Grenzschicht rekombinieren. Durch das entgegengerichtete elektrische Feld wird die durch das Konzentrationsgefälle erzeugte Raumladungszone ausgeglichen.Die wiederholte Rekombination an der Grenzschicht führt zu einem elektrischer Stromfluß.

 

Beobachten Sie die Veränderung der Raumladungszonen bei unterschiedlichen Spannungen.

beschaltete Diode

Bewegen Sie den Regler mit der Maus, um die Spannung zu ändern
Feld1 zeigt das Feld, das durch die Grundspannung Ud erzeugt wird.
Feld 2 zeigt das Feld, das durch die angelegte Spannung erzeugt wird.

 

   

Kennlinie der Stromstärke


Kennlinie der Stromstärke

Um die Funktion der Diode zu beschreiben, wird bei verschiedenen Spannungen die Stromstärke beobachtet und das Ergebnis in einen Graphen eingetragen.

Die Kennlinie der Stromstärke kann in zwei Bereiche eingeteilt werden:

1. Sperrbereich:

Liegt eine negative Spannung an einem p-n Übergang an, sperrt die Diode und die Stromstärke beträgt ~ 0A

2. Leitender Bereich:

Bereits wenn eine geringe positive Spannung angelegt wird, beginnt die Diode zu leiten und die Stromstärke steigt. Das von der angelegten Spannung erzeugte Feld muß allerdings erst das im unbeschalteten Zustand vorhandene Feld ausgeglichen haben.
(Lassen Sie sich im oberen Applet die Felder anzeigen, um diesen Effekt zu beobachten.)

 

Beobachten Sie die Strormstärke bei verschiedenen Spannungen:

Kennlinie der Diode

Beachte: Die Bestandteile der Konstanten ko wird im Abschnitt "Formel" näher erklärt.

 


Die der Berechnung der Stromstärke basiert auf folgender Formel:

wobei q = Elementarladung , k = Boltzmann-Konstante, e = Eulersche Zahl, I0 = Grundstromstärke, U = Spannung (die Spannung die an die Diode angelegt wird) und T = Temperatur (bei den Beispielen wird von einer Zimmertemperatur von 300 K ausgegangen, da sie die übliche Betriebstemperatur ist)

 

Zusammenfassung

Um später die Funktionsweise des Transistors zu verstehen, sollten die folgenden Punkte verstanden worden sein.

- Eine Diode besteht aus einem n- und einem p-dotierten Bereich

- Eine Diode läßt Strom nur in eine Richtung hindurch

 

 

Glossar Aufgaben Links

Experimentiermodule:
Diode Kondensator Transistor