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In diesem Artikel werden Leistungshalbleiter vorgestellt. Dabei handelt es sich um elektronische Geräte, die Halbleiter zur Umwandlung, Steuerung und Regelung von Strom mit hoher Leistung verwenden. Sie werden in verschiedenen Bereichen wie der Industrieelektronik, der Automobilindustrie, der Stromerzeugung oder der Telekommunikation eingesetzt.
Halbleiter-Leistungsbauteile
Die gebräuchlichsten Beispiele für Halbleiter-Leistungsgeräte sind:
- Leistungsdioden: Dioden werden verwendet, um Spannung und Strom gleichzurichten und zu stabilisieren. Leistungsdioden kommen in Stromversorgungen, Wechselrichtern, Überspannungsschutzsystemen, Batterieladesystemen usw. zum Einsatz.
- Leistungstransistoren: Bipolare Transistoren (NPN, PNP) oder unipolare (MOSFET, IGBT) werden zur Steuerung und Leistungsregelung in elektronischen Systemen verwendet. Sie werden in Konvertern, Wechselrichtern, Spannungsreglern und vielen anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Leistung benötigt wird.
- Thyristoren: Thyristoren werden in Steuersystemen, Invertern, Startern, Wechselrichtern, netzbetriebenen Beleuchtungssystemen und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine höhere Leistungssteuerung erforderlich ist.
- Triacs und andere Schaltelemente: Triacs sind die Halbleiter-Entsprechung von Thyristoren. Sie werden in Phasensteuersystemen, bei der Spannungs- und Stromregelung, bei der Beleuchtung mit Wechselrichtern und vielen anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine ein- oder dreiphasige Steuerung erforderlich ist.
- Sie haben alle ihre eigenen, einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen, sind aber durch die Tatsache vereint, dass sie Halbleiter zur Umwandlung von Hochleistungsstrom verwenden. In diesem Artikel geht es um Halbleiterdioden.
Halbleiter-Materialien
Die bei der Konstruktion elektronischer Geräte verwendeten Materialien werden je nach ihrem Wert in Metalle und Nichtmetalle (Halbleiter, Dielektrika) unterteilt. Die am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien sind Silizium und Germanium (sie gehören zur Gruppe IV des Periodensystems der Elemente).
Halbleitermaterialien werden in einkristalliner Form hergestellt, das heißt, sie sind im Kristallgitter durch kovalente Bindungen miteinander verbunden. Man unterscheidet zwischen intrinsischen Halbleitern, d.h. Halbleitern, die keine Fremdatome im Kristallgitter enthalten, und nicht intrinsischen Halbleitern, d.h. Halbleitern, die ein anderes Atom in ihrem Kristallgitter enthalten. Dies führt zu einer sogenannten Beimischung. Es werden zwei Arten der Dotierung unterschieden: Akzeptor und Donor. Ein Halbleiter, der in seinem Kristallgitter Atome von Elementen der Gruppe V des Periodensystems enthält, wird als N-Typ-Halbleiter (Donor-Dotierstoff) bezeichnet. Ein Halbleiter, der in seiner Kristallgitterstruktur Atome von Elementen der Gruppe III des Periodensystems enthält, wird als P-Typ-Halbleiter (Akzeptor-Dotierstoff) bezeichnet.
PN-Anschluss
Die Verbindung zweier Kristalle eines Festkörpers in der Weise, dass sie einen engen Kontakt bilden, wird als Übergang bezeichnet. Die in der Elektronik am häufigsten vorkommende Art von Übergang ist der Halbleiter-Halbleiter-Übergang. Der Übergang, der durch die Verbindung eines P-Typ-Halbleiters mit einem N-Typ-Halbleiter entsteht, wird PN-Übergang genannt.
Die Polarisation eines Übergangs ist der Zustand, der im Übergang auftritt, wenn von außen Potentiale an zwei verschiedene Bereiche des Übergangs angelegt werden.
- Polarisierung des Übergangs in Leitungsrichtung
Wenn ein positives Potential (+) an einen P-Typ-Halbleiter und ein negatives Potential (-) an einen N-Typ-Halbleiter angelegt wird, ist der Übergang in Leitungsrichtung polarisiert.
- Polarisierung des Übergangs in Richtung des Widerstands
Wenn ein positives (+) Potential an einen N-Typ-Halbleiter und ein negatives (-) Potential an einen P-Typ-Halbleiter angelegt wird, ist der Übergang in die negative Richtung polarisiert.
Der Durchschlag einer Verbindung ist die dauerhafte Zerstörung oder Beschädigung einer Verbindung unter dem Einfluss eines plötzlichen Stromanstiegs, wenn sie in negativer Richtung gepolt ist.
Halbleiterdioden
Eine Halbleiterdiode ist ein Element aus einem Halbleiter mit einem einzigen PN-Übergang, von dem zwei Anschlüsse – Anode (A) und Kathode (K) – abgeleitet sind. Halbleiterdioden sind eine der grundlegenden elektronischen Komponenten. Sie sind Bauteile, die den Strom nur in eine Richtung fließen lassen und ihn in der entgegengesetzten Richtung blockieren. Halbleiterdioden werden aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder Germanium hergestellt. Sie haben eine Sperrschichtstruktur, d.h. einen p-n-Übergang, der aus zwei Bereichen von p- und n-Halbleitern besteht. Die wichtigsten Merkmale von Halbleiterdioden sind ein unidirektionaler Stromfluss, eine kleine Schwellenspannung und eine schnelle Dauer, in der die Diode von einem Zustand in den anderen wechselt.
Einteilung der Halbleiterdioden
Gleichrichterdioden ‘gleichrichten’ eine niederfrequente Wechselspannung oder Strom und wandeln ihn in einen unidirektionalen Strom um; sie leiten nur dann Strom, wenn ein bestimmter Spannungswert in der Leitungsrichtung überschritten wird (bei Siliziumdioden sind dies etwa 0,7 V und bei Germaniumdioden etwa 0,2 V).
Stabilisierungsdioden stabilisieren oder begrenzen die Spannung trotz erheblicher Stromschwankungen. Sie arbeiten mit einer Polarisierung in negativer Richtung (z.B. Zener-Dioden).
Kapazitive Dioden (Varicaps, Varaktoren) arbeiten mit Sperrschichtpolarität. Sie zeichnen sich durch eine variable Kapazität aus, die durch die Spannung gesteuert wird. Je höher die Spannung ist, desto geringer ist die Kapazität der Diode.
Schaltdioden („Impulsdioden“) zeichnen sich durch eine geringe Schaltzeit aus, wenn die Polarität zwischen Leitungs- und Sperrrichtung wechselt (z. B. Schottky-Dioden).
Tunneldioden gleichrichten, erzeugen und verstärken elektrische Wellenformen bei Mikrowellenfrequenzen.
Lumineszierende Dioden (LED) sind lichtemittierende Dioden.
Fotodiode – in Fotodioden ist der Sperrstrom proportional zur Intensität des Lichts, das auf den pn-Übergang fällt.
Strom-Spannungs-Charakteristik einer Gleichrichterdiode
Halbleiterdioden werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, sowohl in der Elektronik als auch in anderen Zweigen der Technik. Deshalb sind sie als Halbleiterelemente so wichtig und es lohnt sich, viel über sie zu wissen. Beispiele für Anwendungen sind:
- Gleichrichter: Halbleiterdioden werden in Gleichrichterschaltungen verwendet, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln.
- Photovoltaikzellen: Halbleiterdioden werden verwendet, um Lichtenergie in Elektrizität in Photovoltaikzellen umzuwandeln.
- LEDs: sind beliebte Lichtquellen mit geringem Energieverbrauch, die in Beleuchtungen, Anzeigen, Displays und anderen Geräten verwendet werden.
- Detektoren – Fotodioden: sind ein wesentlicher Bestandteil verschiedener Arten von Lichtsensoren und fotoelektrischen Zellen.
Halbleiterdioden sind ein integraler Bestandteil vieler elektronischer Schaltungen, einschließlich integrierter Schaltungen und Mikrocontroller, die eine Rolle bei der Schaffung von Gleichrichtungs-, Stabilisierungs-, Kompensations- und Schutzstrukturen spielen. Elemente wie Halbleiterdioden sind flexibel und relativ zuverlässig. Sie sind daher vielseitig einsetzbar und auch in der heutigen Technologie unverzichtbar.
