Hinweis: Dieser Onlinelehrgang basiert auf den Prüfungsfragen aus dem aktuellen Fragenkatalog der BNetzA für die Klasse E nach den Regeln der "Novice Licence".

Inhaltsübersicht

• Halbleiterwerkstoffe
• Störstellenleitfähigkeit
• Diode
• Z-Diode
• Fotodiode
• Solarzelle
• Leuchtdiode (LED)
• Diode als Gleichrichter

Sender und Empfänger bestehen außer aus Widerständen, Kondensatoren, Spulen und Filtern auch aus vielen elektronischen Bauelementen, den so genannten Halbleitern. Der nun folgende Teil dieses Lehrgangs stellt eine Einführung in die Elektronik dar. Beginnen wir mit dem einfachsten Bauteil, der Halbleiterdiode.

Halbleiterwerkstoffe

Sie wissen aus den ersten Kapiteln dieses Lehrgangs, dass man grundsätzlich zwischen elektrischen Leitern und elektrischen Nichtleitern (Isolatoren) unterscheiden kann. Zu elektrischen Leitern gehören beispielsweise Metalle, zu den Nichtleitern zum Beispiel Glas, Porzellan und so weiter.

Es gibt Nichtleiterwerkstoffe, deren elektrische Leitfähigkeit unter bestimmten Bedingungen entsteht. Man nennt sie Halbleiterwerkstoffe. Im engeren Sinne versteht man unter Halbleitern die Werkstoffe, die für die Herstellung elektronischer Bauelemente verwendet werden. Um die Halbleiterwerkstoffe etwas besser zu verstehen, schauen wir uns einmal das so genannte Bohrsche Atommodell etwas genauer an.

Sie wissen wahrscheinlich noch aus dem Schulunterricht, dass man den Aufbau der Atome  mit dem Bohrschen Atommodell beschreiben kann.

Hier folgt eine kurze Zusammenfassung. Der Atomkern besteht aus Neutronen und Protonen. Fast die gesamte Masse befindet sich im Atomkern. Ein Proton ist etwa 2000-mal schwerer als ein Elektron. Die Neutronen im Atomkern üben keine Anziehungskräfte aus, weder auf Protonen noch auf Elektronen. Sie verhalten sich neutral. Neutronen haben dasselbe Gewicht wie Protonen. Protonen und Elektronen ziehen sich gegenseitig an. Jedes Proton kann genau ein Elektron festhalten (binden). Die Elektronen kreisen ähnlich dem Sonnensystem auf verschiedenen Bahnen um den Atomkern. Sie haben unterschiedliche Abstände vom Kern. Elektronenbahnen, die denselben Radius haben, bilden eine so genannte Elektronenschale. Die kernnächste Elektronenschale kann maximal zwei Elektronen aufnehmen. Die nächste Schale kann maximal 8, die dritte 18 und die vierte 32 Elektronen aufnehmen. Es gibt Atome, die auch noch die fünfte, sechste und siebente Elektronenschale besitzen. Die äußere Schale kann allerdings nie mehr als acht Elektronen aufnehmen.

Die Elektronen auf der äußeren Schale eines Atoms nennt man Valenzelektronen. Die Valenzelektronen sind sowohl für das chemische als auch für das elektrische Verhalten der Elemente verantwortlich. Sind genau acht Elektronen auf der äußeren Schale, verhält sich dieses Atom chemisch neutral. Ansonsten versuchen die Atome sich so zu verbinden, dass gemeinsam immer acht Elektronen auf der gemeinsamen äußeren Schale zusammen kommen. Die Valenzelektronen sind für die Elektrotechnik von besonderem Interesse. Bei der Bindung der Atome in einem Metall werden nämlich die Valenzelektronen an das gesamte Raumgitter der Metallatome abgegeben. Dadurch sind sie nicht mehr an ein bestimmtes Atom gebunden, sondern frei beweglich. Man bezeichnet sie als freie Elektronen. Sie sind für die Stromleitung in metallischen Werkstoffen verantwortlich. Freie Elektronen spielen in der Halbleitertechnik eine entscheidende Rolle.

In der Halbleitertechnik hat der Werkstoff Silizium zurzeit die größte Bedeutung. Weitere technisch wichtige Werkstoffe sind Germanium, Selen, Galliumarsenid, Indiumphosphid und Indiumantimonid. Diese Werkstoffe haben Kristallstruktur, das heißt die Atome sitzen nach einem bestimmten Schema geordnet auf vorgegebenen Plätzen in einem Kristallgitter. Bei den wichtigsten Halbleiterwerkstoffen Silizium und Germanium hat dieses Schema eine Tetraeder-Struktur (Bild 12-1), so dass jedes Atom immer vier Nachbaratome hat. Diese vier Bindungen (Vierwertigkeit) sind charakteristisch für die Halbleiter.

Bei einer vollständig reinen Kristallstruktur sind alle Valenzelektronen (das sind die Elektronen auf der äußersten Elektronenschale eines Atoms) gebunden. Bei niedrigen Temperaturen sind diese Werkstoffe Nichtleiter. Auch bei Raumtemperatur ist die Leitfähigkeit außerordentlich gering.

Dies gilt allerdings nur, wenn das Material sehr rein ist. Die geringste Beimengung von Atomen fremder Elemente stört den kristallinen Aufbau derart, dass die Leitfähigkeit erheblich ansteigt. Die Forderung an den Reinheitsgrad liegt bei 10^-20 bei Silizium. Das heißt, es kommt ein Fremdatom auf 10²⁰Siliziumatome. Der geforderte Reinheitsgrad ist außerordentlich hoch. Ein Vergleich macht dieses deutlich: In einem Güterzug voller Erbsen dürfte nur eine einzige schlechte enthalten sein.

Erhöht man die Temperatur eines Halbleiters, verstärken sich die Schwirrbewegungen der Atome und die Bindung der Valenzelektronen einiger Atome reißt auf. Es entstehen freie Elektronen - die Leitfähigkeit steigt (oder der Widerstand bei Anlegen einer Spannung sinkt). Dieses Verhalten entspricht dem NTC-Widerstand, also einem Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten.

Man nennt diese Leitfähigkeit der Halbleiter Eigenleitfähigkeit. Die stark ansteigende Leitfähigkeit bei höheren Temperaturen ist beim Betrieb von Dioden und Transistoren sehr störend. In einem bestimmten Temperaturbereich schwillt der Strom lawinenartig an. Wenn der Strom anschwillt, wird das Bauelement heiß, wodurch der Widerstand sinkt. Wegen des geringeren Widerstands fließt nun noch mehr Strom, der das Bauteil weiter aufheizt. Es entsteht ein Teufelskreis. Die übergroße Hitze zerstört schließlich das Bauelement.

Prüfungsfrage

Störstellenleitfähigkeit

Germanium- und Siliziumatome haben vier Valenzelektronen. Durch Einlegieren von Atomen mit fünf Valenzelektronen (zum Beispiel Arsen oder Antimon) erzeugt man Störstellen im Kristallgitter. Man nennt dieses gezielte Verunreinigen Dotieren.

Weil das fünfte Valenzelektron dieses Störatoms keine Bindungsaufgabe im Kristallgitter erfüllt, löst es sich bereits bei sehr niedrigen Temperaturen vom Atom und ist im Gitter frei beweglich. Das Kristall ist somit ohne Wärmezufuhr bereits halbleitend. Da die Leitfähigkeit in diesem Fall durch freie Elektronen (negative Ladungen) hervorgerufen wird, spricht man von N-leitendem Halbleitermaterial.

Prüfungsfrage

Durch Einlegieren von Atomen mit nur drei Valenzelektronen (zum Beispiel Gallium oder Indium) treten ebenfalls Störstellen auf. An jeder Stelle eines Fremdatoms fehlt ein Valenzelektron zur vollständigen Bindung. Diese entstandenen Fehlstellen (Löcher) können aus der Umgebung mit Elektronen aufgefüllt werden, wodurch Löcher an anderen Stellen entstehen. Das Defektelektron (oder Loch) ist also gleichsam als frei beweglicher Ladungsträger aufzufassen. Da eine fehlende negative Ladung einer überschüssigen positiven Ladung entspricht, kann man die Defektelektronen als positive Ladungsträger auffassen. Man spricht hier von P-leitendem Halbleitermaterial.

Prüfungsfrage

Ein Vergleich macht vielleicht diese Defektelektronenbeweglichkeit deutlich. Ist zum Beispiel in einer Sitzreihe im Theater ein Platz in der Mitte frei (Fehlstelle, Loch), so können sich die Zuschauer (Elektronen) jeweils einen Platz weiter setzen (bewegen), wodurch sich der freie Platz in die entgegen gesetzte Richtung bewegt. Also: Defektelektronen bewegen sich immer in die entgegen gesetzte Richtung wie Elektronen.

Die Diode

Dotiert man einen Halbleiter von der einen Seite her mit einem dreiwertigen Stoff (P-leitend) und von der anderen Seite her mit einem fünfwertigen Stoff (N-leitend), so entsteht in der Mitte ein PN-Übergang.

In dieser Grenzschicht werden die Elektronen der N-Schicht durch Diffusion zu den freien Stellen (Löchern) der P-Schicht wandern und die Lücken ausfüllen. Dieses gleichzeitige Verschwinden je eines Elektrons und eines Loches nennt man "Rekombination". Die Grenzschicht verarmt damit an freien Ladungsträgern. Sie wird zu einer nicht leitenden Schicht oder Sperrschicht.

In der Sperrschicht haben sich aber nun auf der P-Seite zusätzliche Elektronen (negativ) angesammelt, die auf der N-Seite fehlen (positive Ladungen im Überschuss). Die Sperrschicht ist elektrisch nicht mehr neutral, sondern elektrisch geladen (Bild 12-4). Diese unterschiedliche Ladung hat eine Spannung zur Folge, die man "Diffusionsspannung" oder Schwellspannung nennt. Die Schwellspannung beträgt bei Germanium etwa 0,2 bis 0,4 V und bei Silizium etwa 0,6 bis 0,8 Volt.

Legt man einen solchen dotierten Halbleiter an eine äußere Spannung derart, dass der Pluspol der Spannungsquelle mit der N-Schicht und der Minuspol mit der P-Schicht verbunden wird (Bild 12-5), so wandern die Löcher der P-Schicht zum Minuspol und die Elektronen der N-Schicht zum Pluspol (entgegen gesetzte Ladungen ziehen sich an).

Dadurch verbreitert sich nun die ladungsträgerarme Zone (Verarmungszone). Der PN-Übergang sperrt. Es fließt ein ganz geringer Sperrstrom von wenigen Mikroampere (Germanium) bzw. Nanoampere (Silizium). Erst bei einer sehr hohen Spannung in Sperrrichtung steigt der Strom plötzlich an. Es kommt zum Durchbruchund das Bauteil kann zerstört werden.

Polt man die Spannungsquelle um, werden die Elektronen der N-Schicht und auch die Defektelektronen der P-Schicht durch die abstoßenden Kräfte in die Verarmungszone gedrängt. Die Verarmungszone wird von Ladungsträgern überflutet und dadurch dünner. Ist die äußere Spannung mindestens so groß wie die Diffusionsspannung, verschwindet die Sperrschicht völlig – das Bauelement leitet.

Dieses Bauelement (PN-Übergang), das in einer Richtung den Strom sperrt und in der anderen Richtung leitet, nennt man Diode (Bild 12-6). Eine Diode leitet also, wenn man den Pluspol der Spannungsquelle an die Anode (P-Schicht) und den Minuspol an die Katode (N-Schicht) legt.

Ergebnis: In der einen Richtung der Diode leuchtet das Lämpchen (die Diode leitet), in der anderen bleibt es dunkel (die Diode sperrt). Die Durchlassspannung (Spannungsabfall über der Diode, wenn diese leitet) müssten Sie bei allen Dioden mit 0,7 Volt messen, wenn Sie wirklich Siliziumdioden verwendet haben. Wenn eine Diode in beiden Richtungen leitet ist sie kaputt.

Eine Diode leitet, wenn die Spitze des Diodenschaltsymbols in Stromrichtung zeigt. In umgekehrter Richtung fließt praktisch kein Strom. Die Diode hat einen extrem hohen Widerstand.

Die Prüfungsfrage TC503 wurde aus dem Fragenkatalog gestrichen.

Prüfungsfrage

Prüfungsfrage

TC505  Die Auswahlantworten enthalten Silizium-Dioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
	-2,6 V   -2,0 V
	15 V    9 V
	0,7 V   1,3 V
	3,4 V   4,0 V

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Prüfungsfrage

TC506  Die Auswahlantworten enthalten Silizium-Dioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
	5,3 V    4,7 V
	15 V    18 V
	3,9 V    3,2 V
	-2 V   -2,6 V

Kommentar: -2,0 ist um 0,6 positiver als -2,6.

Z-Diode

Jede Diode verträgt in Sperrrichtung nur eine von der Bauart abhängige Maximalspannung, bis auch Strom in umgekehrter Richtung fließt. Diese Sperrspannungen liegen meistens bei über 1000 V. Oberhalb dieser maximalen Sperrspannung ist die Diode gefährdet. Sie bricht durch und verursacht dann meistens einen Kurzschluss. Beim Durchbruch der Diode fließt nämlich aufgrund der hohen Spannung sofort ein hoher Strom, der zur Erhitzung der Diode führt. Die Leitfähigkeit von Halbleitern steigt mit der Temperatur. Die Erhitzung führt also dazu, dass der Widerstand der Diode sinkt und der Strom noch weiter ansteigt, es ergibt sich also ein Kurzschluss. Die hohe Temperatur bewirkt außerdem eine erhöhte Beweglichkeit der Dotierungsatome, was dazu führt, dass Dotierungsatome aus der P in die N-Schicht und umgekehrt diffundieren (d.h. die P- und N-Schicht durchmischen sich) und somit die Diode zerstören.

Spezielle Dioden werden so hergestellt, dass der Durchbruch bereits bei sehr geringen Spannungen zwischen 3 und 100 V erfolgt. Weil beim Durchbruch der Strom stark ansteigt aber die Spannung über der Diode konstant bleibt, kann man diesen Effekt nutzen, um damit Spannungen zu stabilisieren. Man nennt diese Dioden Zenerdioden oder besser Z-Dioden. Die von Dr. Zener entwickelten und nach ihm benannten Zenerioden arbeiten nur in einem bestimmten Spannungsbereich. Die anderen Dioden mit einem ähnlichen Verhalten sollen nach Dr. Zener nicht Zenerdioden genannt werden.

Damit der Strom in einer Z-Diode bei diesem Durchbruch nicht zu groß wird, muss man einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe schalten.

Merke: Eine Z-Diode wird im Durchbruchsbereich (in Sperrrichtung) und immer mit Vorwiderstand betrieben.

Prüfungsfrage

TC508  Wozu dient diese Schaltung?
Sie dient ...
	zur Spannungsstabilisierung.
	zur Signalbegrenzung.
	als Leuchtanzeige.
	zur Stromgewinnung.

Fotodiode

Ein PN-Übergang hat, in Sperrrichtung geschaltet, einen sehr kleinen Sperrstrom. Lässt man auf die Sperrschicht Licht einwirken, werden zusätzliche Ladungsträgerpaare gebildet. Dadurch steigt der Sperrstrom an.

Schaltet man die Fotodiode mit einem Vorwiderstand als Spannungsteiler, so wird der Sperrstrom I_P von der Beleuchtungsstärke abhängig (Bild 12-9 C). Die Spannung an der Fotodiode ändert sich. Damit kann mittels Transistor als Verstärker ein Schalter (Relais) betätigt werden. Zum Beispiel kann die Anodenspannung der Röhren-Senderendstufe unterbrochen werden, wenn die Anode wegen Überlastung rot glüht.

Fotoelement

Wird eine Fotodiode ohne Hilfsspannung betrieben, so kann man an ihren Klemmen bei Belastung mit einem Widerstand einen Strom abnehmen und damit einen Verstärker steuern. Die Fotodiode arbeitet dann als Fotoelement. Das Schaltzeichen ist eine Spannungsquelle, auf die zwei Pfeile zu zeigen (Bild 12-10).

Solarzelle

Eine besondere Fotodiodenart sind die so genannten Solarzellen. Es sind großflächige PN-Übergänge, die Spannungen bis etwa 500 mV und Ströme von einigen hundert Milliampere abgeben können. Zu Batterien zusammengeschaltet heißen sie auch Sonnenbatterien oder Sonnenkollektoren. Sie liefern zum Beispiel die Energie für Sender und Empfänger in Satelliten oder für den Portabelbetrieb (Bild 12-11).

Bei Sonnenkollektoren für den Einsatz bei Portabelbetrieb zum Laden von 12-V-Akkumulatoren werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet, so dass man eine Leerlaufspannung von ungefähr 18 Volt bekommt. Mehrere solcher Reihen werden wiederum parallel geschaltet, um einen möglichst großen Strom zu erhalten.

Übungsaufgabe
Ein Sonnenkollektor besteht aus vier parallel geschalteten Reihen von je 30 Solarzellen mit je Zelle 0,6 V Leerlaufspannung und 1 A Kurzschlussstrom. Welche Leerlaufspannung und welchen Kurzschlussstrom liefert der Kollektor?

Lösung:

Leuchtdiode (LED)

Die Umkehrung der Fotodiode ist der Effekt bei der Leuchtdiode (LED = light emitting diode = Licht aussendende Diode). Bei der Rekombination der Ladungsträgerpaare innerhalb der Sperrzone einer in Durchlassrichtung geschalteten Diode wird Energie frei. Normalerweise wird diese Energie in Form von Wärme abgegeben. Bei einer bestimmten Dotierung wird diese Energie in Form von Licht frei.

Das Grundmaterial der Leuchtdioden ist Galliumphosphid oder Gallium-Arsenphosphid. Je nach gewünschter Lichtfarbe wird mit Zink (grünes Licht) oder Zinksauerstoff (rotes Licht) dotiert. Der PN-Übergang wird durch Einlegieren von Zinn hergestellt.

Die Spannung UF bei Leuchtdioden ist etwa doppelt so groß wie die der Siliziumdiode: etwa 1,5 Volt. Die Ströme I_F liegen je nach Lichtstärke zwischen 5 und 50 mA.

Prüfungsfrage

TC509  Wozu dient diese Schaltung?
Sie dient ...
	zur Stromgewinnung.
	zur Signalbegrenzung.
	zur Spannungsstabilisierung.
	als Leuchtanzeige.

Leuchtdioden werden zur Anzeige dann angewendet, wenn eine Lichtquelle mit kleiner Leistung und geringen Abmessungen sowie hoher Lebensdauer benötigt wird. Es gibt Leuchtdioden, bei denen in einem Gehäuse zwei oder mehr verschieden farbige LEDs in Kombination mit normalen Dioden integriert sind und die beispielsweise bei einer bestimmten Polarität grün oder bei der anderen Polarität rot leuchten.

Optokoppler

Die hohe Grenzfrequenz der Leuchtdioden erlaubt die Übertragung von optischen Signalen bis zu Frequenzen von zirka 10 MHz. LEDs dienen als Sender in so genannten optischen Koppelelementen (Optokoppler). Hierbei werden elektrische Signale in optische umgewandelt und von einer Fotodiode oder einem Fototransistor wieder in elektrische zurückverwandelt. Solch ein Optokoppler wird gern zur Ankopplung von Modemsignalen an den Modulator verwendet, um Brummeinflüsse der Netzteile zu verhindern.

Typkennzeichnung

Halbleiterbauelemente werden in Europa mit zwei bis drei Buchstaben plus einer Zahl gekennzeichnet. Der erste Buchstabe gibt das Ausgangsmaterial an (z.B. A = Germanium, B = Silizium), der zweite Buchstabe die Anwendung (z.B. A = Diode, B = Kapazitätsdiode, E = Tunneldiode, X = Vervielfacherdiode, Y = Leistungsdiode, Z = Z-Diode). Ein eventuell vorhandener dritter Buchstabe (W, X, Y oder Z) deutet auf professionelle Anwendung hin, wobei geringere Streuwerte zu erwarten sind als bei den Typen mit zwei Buchstaben für die so genannte Unterhaltungselektronik (Radio, Fernsehen usw.). Die Ziffern haben nur die Bedeutung einer laufenden Kennzeichnung.

Beispiele

• AA 113 Germanium-Spitzendiode
• BA 103 (Universal-) Siliziumdiode
• BAY 44 Diode, Industrietype
• BB 105 Silizium-Kapazitätsdiode
• BY 127 Silizium-Leistungsdiode
• BZY 88 Z-Diode (Silizium)

Amerikanische und asiatische Hersteller kennzeichnen ihre Dioden durch die Zahlen-Buchstaben-Kombination 1 N... und einer zwei- bis vierstelligen laufenden Zahl, zum Beispiel 1N4148 für eine Universal-Siliziumdiode.

Diode als Gleichrichter

Die typische Eigenschaft der Halbleiterdioden in einer Stromrichtung zu sperren und in der anderen zu leiten wird in der Technik mannigfaltig angewendet. Die wichtigste Anwendung ist die Gleichrichtung von Wechselspannung.

Schaltet man einen Lastwiderstand über eine in Reihe geschaltete Diode an eine Wechselspannungsquelle, leitet die Diode den Strom nur, wenn die Anode positiver ist als die Katode (Bild 12-14 a: positive Halbwelle der Wechselspannung wird durchgelassen). In der anderen Halbwelle sperrt die Diode. Durch den Lastwiderstand R_L fließt ein pulsförmiger Strom immer in der gleichen Richtung. Man sagt, der Strom ist gleichgerichtet worden. Da nur eine Halbwelle der sinusförmigen Wechselspannung ausgenutzt wird, nennt man diese Schaltung Einweggleichrichterschaltung.

Schaltet man einen genügend großen Kondensator parallel zum Lastwiderstand (Bild 12-14 b), wird sich dieser in der einen Halbwelle schnell über die Diode aufgeladen und in der anderen Halbwelle (Sperrzeit der Diode) langsam über den Widerstand entladen. Die Gleichspannung am Lastwiderstand beträgt also fast Maximalwert der Wechselspannung. Bei Leerlauf bleibt der Maximalwert erhalten.

Prüfungsfrage

TD304  Berechnen Sie die Leerlaufausgangsspannung dieser Schaltung für ein Transformationsverhältnis von 5:1.
	Zirka 28 Volt
	Zirka 40 Volt
	Zirka 46 Volt
	Zirka 65 Volt

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Prüfungsfrage

TD305  Berechnen Sie die Leerlaufausgangsspannung dieser Schaltung für ein Transformationsverhältnis von 8:1.
	Zirka 28 Volt
	Zirka 40 Volt
	Zirka 46 Volt
	Zirka 65 Volt

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Viel Erfolg beim Lehrgang wünscht Ihnen Eckart Moltrecht DJ4UF!

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	Dieser DARC-Online-Lehrgang wurde mit freundlicher Genehmigung des Autors Eckart K. W. Moltrecht aus seinen Büchern "Amateurfunk-Lehrgang für das Amateurfunkzeugnis" aus dem VTH-Verlag (möglicherweise einer älteren Auflage!) für das Internet umgewandelt. Das Copyright liegt beim Autor und beim Verlag. Mehr über den Autor!
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Letzte Bearbeitung: 23.05.2017 DJ4UF, 04.04.2020 DH8GHH
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