Dioden, Widerst de, Kondensatoren und Transistoren

1. Dioden, Widerst�de, Kondensatoren und Transistoren Marcel Sch�tte

2. Dioden Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement, das Strom nur in einer Richtung passieren l�sst und in der anderen Richtung wie ein Isolator wirkt. Dieser Effekt wurde 1874 von Ferdinand Braun entdeckt. Das Wort Diode stammt von altgriechischen d�odos ab, welches sich aus di� (=durch) sowie dem Wort hod�s (=Weg) zusammen setzt.

3. Wof�r werden Dioden verwendet? Gleichrichten, Wechselspannung ? Gleichspannung Kleinsignaldioden, zb. Temperatur messen Spannungsstabilisierung (sog. Zener-Dioden) Optik, zb LED�s, Fotodioden, Laserdioden Verpolungsschutz bei Gleichspannung

4. Aufbau von Dioden Schaltbild

6. Unter dotieren versteht man das gezielte ver�ndern der Leitf�higkeit, in dem man in den reinen Halbleiterwerkstoff Fremdatome einbaut.Das nennt man auch �verunreinigen� Was bedeutet dotiert?

7. Donator Der Donator ist das Atom mit dem der Halbleiterwerkstoff f�r die n-Schicht verunreinigt wird. Donator kommt von donare. Das ist Lateinisch und bedeutet schenken. Jedes Donatoratom schenkt dem Werkstoff ein zus�tzlich freies Elektron. Jedes Elektron, das durch dotieren eines Atoms dem Kristall hinzugef�gt wird erh�ht die Leitf�higkeit des Halbleiters.

8. Donatoren sind zum Beispiel: Phosphor (P) Arsen (As) Antimon (Sb)

9. n-Dotierung Wenn in reines Silizium Phosphor (P) eingebaut wird, stehen pro Phosphoratom (Donator) ein freies Elektron zur Verf�gung. Da es sich bei den freien Elektronen um negativ geladenen Ladungstr�ger handelt, spricht man von einem n-Leiter. Schlie�t man eine Stromquelle an den n-Leiter an, so entzieht der Plus-Pol dem n-Leiter die Elektronen, und es entsteht ein Elektronenstrom von Minus nach Plus.

10. Akzeptor Der Akzeptor ist das Atom, mit dem der Halbleiterwerkstoff f�r die p-Schicht verunreinigt wird. Akzeptor kommt von accipere. Das ist Lateinisch und bedeutet annehmen. Den Akzeptoratomen fehlt ein Elektron. Das f�hrt im Halbleiter zu einem Loch. Kommt ein Elektron in die N�he eines Loches, wird es dort hin gezogen, es entsteht dadurch an andere Stelle ein Loch. Im spannungslosen Zustand wandern die L�cher ungeordnet hin und her.

11. Akzeptoren sind zum Beispiel Aluminium (Al) Gallium (Ga) Indium (In) Bor (B)

12. p-Dotierung Wenn in reines Silizium Aluminium (Al) eingebaut wird, fehlt pro Aluminiumatom (Akzeptor) ein Elektron. Es entstehen Defektelektronen, die L�cher. Da es sich bei den L�chern um positive Ladungstr�ger handelt, spricht man von einem p-Leiter. Schlie�t man eine Stromquelle an den p-Leiter an, so flie�en Elektronen vom Minus-Pol in den p-Leiter und rekombinieren mit den L�chern. Der Plus-Pol entzieht nun dem p-Leiter wieder die Elektronen, und es flie�t ein L�cherstrom von Plus nach Minus.

13. Rekombinieren?! Unter Rekombination versteht man die Vereinigung positiver und negativer Ladungstr�ger (Ionen, Elektronen) zu einem elektrisch neutralen Produkt (Atom, Molek�l)

14. F�gt man p-leitendes Material und n-leitendes Material zusammen, so entsteht ein Grenzbereich zwischen den Materialien, der pn-�bergang genannt wird. Dieser Bereich wird auch als Grenzschicht bezeichnet. Das so entstandene Bauelement wird als Halbleiterdiode, kurz Diode, bezeichnet.

16. pn-�bergang Pn-�bergang ohne �ussere Spannung Pn-�bergang mit angelegter �usserer Spannung

17. Pn-�bergang ohne �ussere Spannung Ohne �u�ere Einwirkung durch Spannung oder Strom, wandern die Elektronen (freie Ladungstr�ger) nahe des Grenzbereichs von der n-leitenden Schicht in die p-leitende Schicht.

21. Hier unterscheidet man zwei F�lle: Die Diode in Sperrrichtung Sowie Die Diode in Durchlassrichtung pn-�bergang an �u�erer Spannung

22. Diode in Sperrrichtung Wird die Diode in Sperrrichtung betrieben, so liegt die p-Schicht am Minus-Pol und die n-Schicht am Plus-Pol. Die L�cher der p-Schicht werden vom Minus-Pol angezogen, die Elektronen der n-Schicht werden vom Plus-Pol angezogen. Dadurch vergr��ert sich die Sperrschicht, die auch Grenzschicht genannt wird. Es k�nnen keine Ladungstr�ger durch die Sperrschicht hindurch gelangen.

23. Diode in Durchlassrichtung Wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben, so liegt die p-Schicht am Plus-Pol und die n-Schicht am Minus-Pol. Die L�cher der p-Schicht werden vom Plus-Pol abgesto�en und die Elektronen der n-Schicht werden vom Minus-Pol abgesto�en. Die Grenzschicht wird nun mit freien Ladungstr�gern �berschwemmt. �ber den pn-�bergang hinweg, flie�t ein Strom durch die Diode. Und die durch Ladungsdiffusion aufgebaute Diffusionsspannung wird abgebaut.

25. Die Zener-Diode (Z-Diode) ist eine Silizium-Halbleiterdiode mit geringer Sperrschichtdicke, die in Sperrrichtung betrieben wird. In Durchlassrichtung arbeitet sie wie ein normale Diode. Der Name der Diode stammt von einem amerikanischen Physiker, Clarence Melvin Zener, dem Entdecker des Zener-Effekts. Zener-Dioden

26. Das besondere an Z-Dioden: Sie verhalten sich in Durchlassrichtung wie normale Dioden, in Sperrrichtung werden sie ab einer bestimmten Spannung, der so genannten Sperrspannung oder Durchbruchspannung, niederohmig. Das hei�t, ab einer bestimmten Spannung lassen die Z-Dioden auch in Sperrrichtung Strom durch!

27. Beispiel Batterieanzeige Am Beispiel der Batterieanzeige kann man sehr gut die Funktion einer Zener-Diode erkennen! Schaltplan (vereinfacht)

28. LED - Leuchtdioden Leuchtdioden wandeln elektrische Energie in Licht um. Sie funktionieren wie Halbleiterdioden, die in Durchlassrichtung Licht erzeugen. Die Kurzbezeichnung LED ist die Abk�rzung f�r "Light Emitting Diode". LED�s gibt es in ver. Gr��en und Bauformen, und sie sind mittlerweile in fast allen elektrischen Ger�ten zu finden!

29. Die Leuchtdiode schaltet sehr schnell vom leuchtenden in den nichtleuchtenden Zustand. Der Lichtstrahl kann bis in den MHz-Bereich getaktet werden, zu finden zb. bei Lichtwellenleiter Die Lebensdauer betr�gt 1 000 000 (106) Stunden! (Zum Vergleich: Gl�hlampe 1000 Stunden) Das besondere an LED�s

34. Die Standart-Farben sind rot, gr�n, gelb und orange. Es gibt aber auch noch blau und wei�. Je nach Farbe besteht der Halbleiter einer Leuchtdiode aus unterschiedlichen Materialien. Die Farbe des Lichts bzw. die Wellenl�nge des Lichts wird vom Halbleitermaterial und von der Dotierung bestimmt. Der Halbleiter besteht aus einer n- und einer p-Schicht. Von daher unterscheidet er sich kaum von einer normalen Halbleiterdiode. Farben der LED�s

36. Die Leuchtdiode besteht aus einem n-leitenden Grundhalbleiter. Darauf ist eine sehr d�nne p-leitende Halbleiterschicht mit gro�er L�cherdichte aufgebracht. Wie bei der normalen Diode wird die Grenzschicht mit freien Ladungstr�gern �berschwemmt. Die Elektronen rekombinieren mit den L�chern. Dabei geben die Elektronen ihre Energie in Form eines Lichtblitzes frei. Da die p-Schicht sehr d�nn ist, kann das Licht entweichen. Und wie leuchtet die LED?

38. Standard-Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 5 mm. Sie sind die h�ufigsten verwendeten Leuchtdioden in elektronischen Schaltungen. Sie erreichen bei ca. 10 bis 15 mA ihre normale Leuchtkraft. Bei 20 mA sind sie am hellsten. Der Unterschied zu 15 mA ist aber nur minimal. Meist ist ein Strom von 10 mA schon ausreichend, um sie ausreichend zum Leuchten zu bringen. Standart-LED�s

39. Schaltung von Leuchtdioden Leuchtdioden reagieren sehr empfindlich auf einen zu gro�en Durchlassstrom. Deshalb darf eine Leuchtdiode niemals direkt an eine Spannung angeschlossen werden. Eine Leuchtdiode muss immer mit einem Vorwiderstand oder einem strombegrenzenden Bauteil beschaltet sein.

40. Der Vorwiederstand Mit einem Vorwiderstand wird der Durchlassstrom IF, der durch die Leuchtdiode flie�t, begrenzt. Bei der Widerstandsbestimmung muss die jeweilige Durchlassspannung UF ber�cksichtigt werden.

41. Festwiderst�nde haben ihren Namen nach ihrem festen Widerstandswert, der nicht einstellbar ist. Der Widerstandswert hat die Einheit O (Ohm) und das Formelzeichen R f�r Resistor. Festwiderst�nde unterscheiden sich in ihrer Bauform. Es gibt Schichtwiderst�nde und Drahtwiderst�nde. Festwiderst�nde gibt es nicht mit jedem Widerstandswert. Sie unterliegen einen internationalen Farbcode mit Vierfach- bzw. F�nffachberingung. Die Ringe erlaubt die Bestimmung des Widerstandswertes in O. Widerst�nde

43. Bei Schichtwiderst�nden wird auf zylindrischem Keramik oder Hartglas eine d�nne Schicht Kohle, Metall oder Metalloxid aufgespr�ht oder aufgedampft (im Vakuum). Der Widerstandswert (Toleranz bis 5%) wird durch Schichtdicke und Aufspr�hzeit bestimmt. Schichtwiderstand

44. Farbcodes der Widerst�nde

45. Einstellbare Widerst�nde Ver�nderbare oder einstellbare Widerst�nde sind in der Regel mechanisch ver�nderbare Widerst�nde. Man bezeichnet die ver�nderbaren Widerst�nde auch als Potentiometer. Der einstellbare Widerstandswert hat einen Kleinst- und einen H�chstwert. Der Kleinstwert kann z. B. 0 Ohm sein. Der H�chstwert ergibt sich aus der Widerstandsbezeichnung.

46. Schaltzeichen Einstellbare Widerst�nde haben drei Anschl�sse. Zwei sind an den Enden der Widerstandsstrecke. Ein Anschluss ist der Kontakt zum Schleifer, der auf den Widerstandsk�rper dr�ckt. Einstellbare Widerst�nde, die durch Drehen einer Achse ver�ndert werden, werden Potentiometer, kurz Poti, genannt.

47. Kondensatoren

48. Was sind Kondensatoren? Kondensatoren sind Bauelemente, die elektrische Ladungen bzw. elektrische Energie speichern k�nnen. Die einfachste Form eines Kondensators besteht aus zwei gegen�berliegenden Metallplatten. Dazwischen befindet sich ein Dielektrikum, welches keine elektrische Verbindung zwischen den Metallplatten zul�sst. Das Dielektrikum ist quasi ein Isolator. Legt man an einen Kondensator eine Spannung an, so entsteht zwischen den beiden metallischen Platten ein elektrisches Feld. Eine Platte nimmt positive, die andere Platte negative Ladungstr�ger auf. Die Verteilung der Ladungstr�ger ist auf beiden Seiten gleich gro�.

51. Folienkondensatoren bestehen aus 2 Metallfolien, die die Anode und Kathode bilden. Zwischen ihnen ist eine Folie aus Kunststoff, welche als Dielektrikum dient. Die Anode und Kathode werden dabei auf der Folie mit einer Schichtdicke von 0,02 � 0,05 �m aufgedampft. Folienkondensator

52. Keramikkondensator Keramikkondensatoren haben Kapazit�ten von einigen Picofarad (pF) bis einige Nanofarad (nF). Sie bestehen aus d�nnen Oxidkeramikschichten. In den Keramikblock werden die Bel�ge eingesintert. Oxidkeramiks bildet hierbei das Dielektrikum.

53. Elektrolytkondensatoren Auch sie bestehen aus 2 Folien, die Anode und Kathode bilden. Dabei gibt es einen festen Werkstoff als Kondensatorbelag. Der andere Belag ist ein Elektrolyt, den es in fl�ssiger aber auch in fester Form gibt.

54. Die Kapazit�t ist die Eigenschaft eines Bauteils eine elektrische Energie zu speichern, so wie es der Kondensator macht. Die Kapazit�t hat als Formelzeichen das gro�e C. Es ist die Abk�rzung f�r das englische Wort Capacity. Die Ma�einheit ist das gro�e F f�r Farad. Meist werden Kondensatoren in �F, nF oder pF angegeben. Farad (F) kommt vom Engl�nder Michael Faraday, der den gleichnamigen K�fig erfunden hat. Kapazit�t eines Kondensators

55. Gr��e eines Kondensators Die Ladungsmenge hat das Formelzeichen Q und die Einheit Coulomb (C). Die Ladung besteht aus Strom mal Zeit (Ampere mal Sekunde). Die Einheit C der Ladungsmenge darf mit dem Formelzeichen C der Kapazit�t nicht verwechselt werden.

56. Durchschlagsfestigkeit Die Durchschlagsfestigkeit eines Kondensators ist auf das Dielektrikum bezogen. Sie bestimmt die h�chste Spannung, die am Kondensator anliegen darf. Wird die Spannung �berschritten isoliert das Dielektrikum nicht mehr. Es kommt zu einem Durchschlag durch das Dielektrikum.

57. Transistoren Transistoren bestehen aus Silizium. Die Bezeichnung Transistor ist aus seiner Funktion abgeleitet. Bei einer Widerstands�nderung in einer Schicht wird auch der Widerstand in der anderen Schicht beeinflusst. Aus "transfer resistor" wurde die Bezeichnung Transistor. Transistoren werden �berwiegend als Schalter oder Verst�rker eingesetzt.

63. Integrierte Schaltungen (IC) Viele Schaltungen oder Schaltungsteile kommen in der praktischen Elektronik immer wieder vor. Um diese, teilweise komplexen, Schaltungen nicht immer wieder neu aufbauen oder erfinden zu m�ssen, werden sie in integrierte Schaltungen zusammengefasst und in einem Geh�use vergossen

64. Bauformen von IC�s

65. IC NE 555N