Leckstrom / Sperrstrom
Einleitung
Befindet sich eine Diode im Sperrbetrieb, soll im Idealfall kein Strom durch die Diode fließen. In Realität fließt aber dennoch ein kleiner Strom durch die Diode. Das ist der sogenannte Sperrstrom, welcher auch als Leckstrom bezeichnet werden kann.
Ursache für den Leckstrom sind die Minoritätsladungsträger, welche sich durch Temperaturzuführung, im Halbleiter, bilden. Diese werden durch das angelegte elektrische Feld beschleunigt, wohingegen die Majoritätsladungsträger blockiert werden.
Erklärung – Grundlagen
Bei einer Diode ist wichtig, in welcher Richtung diese betrieben wird.
Konkret geht es darum, ob zwischen Anode und Kathode eine positive oder negative Spannung anliegt. Somit ist es wichtig, in welche Richtung die Spannungsquelle angeschlossen wird.
Man unterscheidet hierbei 2 Fälle:
– Die Diode ist in Flussrichtung
– Die Diode ist in Sperrrichtung
Flussrichtung
Bei der Flussrichtung ist die Diode wie folgt angeschlossen.
Der +Pol der Quelle mit P-dotierten Bereich verbunden.
Der -Pol der Quelle mit dem N-dotierten Bereich verbunden.
Anders ausgedrückt: +Pol ist mit der Anode und -Pol mit der Kathode verbunden.
(siehe obere Abbildung)
Von beiden Seiten fließen Ladungsträger in die dotierten Halbleiter.
Die Raumladungszone wird durch die Ladungsträger geflutet.
Somit wird die Raumladungszone abgebaut bzw. die RLZ verschwindet.
Durch die abgebaute Raumladungszone, können nun Ladungsträger ungehindert durch den PN-Übergang fließen.
Durch die Diode kann nun also ein Strom fließen.
Sperrrichtung
Bei der Sperrrichtung ist die Diode wie folgt angeschlossen.
Der +Pol der Quelle mit N-dotierten Bereich verbunden.
Der -Pol der Quelle mit dem P-dotierten Bereich verbunden.
Anders ausgedrückt: +Pol ist mit der Kathode und -Pol mit der Anode verbunden.
(siehe obere Abbildung)
Von beiden Seiten werden die Ladungsträger aus dem dotierten Halbleiter gezogen.
Somit weitet sich die Raumladungszone aus.
Die ausgeweitete Raumladungszone blockiert den Durchfluss von Ladungsträgern.
Es können nun keine Ladungsträger durch die Diode fließen. Es fließt kein Strom durch die Diode.
Majoritätsladungsträger & Minoritätsladungsträger
Majoritätsladungsträger
Als Ladungsträger werden im Halbleiter Elektronen und Löcher bezeichnet.
Aus den Grundlagen ist bekannt, dass im Halbleiter zwischen Majoritätsladungsträger und Minoritätsladungsträger unterschieden wird.
Bei Majoritätsladungsträger handelt es sich um die Ladungsträger, welche aufgrund der Dotierung häufiger vorkommen.
Bei dem N-Halbleiter sind die Majoritätsladungsträger die Elektronen und bei dem P-Halbleiter sind die Majoritätsladungsträger die Löcher.
Die Majoritätsladungsträger kommen entsprechend häufiger im dotierten Halbleiter vor als die Minoritätsladungsträger.
Deshalb sind die Majoritätsladungsträger hauptsächlich für den Stromfluss verantwortlich.
Befindet sich die Diode in Sperrrichtung, werden entsprechend die Majoritätsladungsträger blockiert.
Minoritätsladungsträger
Wie bereits angedeutet kommen in einem Halbleiter auch Minoritätsladungsträgern vor. In den Grundlagen zum Halbleiter wurde bereits kennengelernt, dass dieser stark temperaturabhängig ist. Wird die Temperatur erhöht, lösen sich Elektronen aus dem Kristallgitter. Genau dieser Effekt passiert natürlich auch bei einer Diode – bei einem PN-Übergang.
Bei dem N-Halbleiter sind die Minoritätsladungsträger die Löcher und bei dem P-Halbleiter sind die Minoritätsladungsträger die Elektronen.
Ursache des Leckstrom
Diese Minoritätsladungsträger sind die Ursache für den Leckstrom.
Wenn man sich die vorhandenen elektrischen Felder genauer anschaut, fällt auf, dass diese die Minoritätsladungsträger nicht blockieren, sondern beschleunigen.
Nochmal zurück zu den Grundlagen:
Welche elektrischen Felder liegen hier überhaupt vor?
1. Die Diffusionsspannung
2. Die von außen anliegende elektrische Spannung.
Elektrische Felder im PN-Übergang
Diffusionsspannung
Durch die Rekombination an der Grenze verschwinden aus beiden Bereichen die freien Elektronen und Löcher. Übrig bleiben nur noch die entsprechenden Ionen. Durch die übrigbleibenden Ionen ist an der Grenze die N dotierte Schicht positiv geladen und die P Schicht negativ geladen.
⇨ Dotierung
⇨ PN-Übergang
Aus den Grundlagen ist bereits bekannt, dass eine negative und eine positive Ladung ein elektrisches Feld zur Folge hat. So besteht auch hier ein elektrisches Feld zwischen N und P Dotierter Zone (An der Grenze).
⇨ Ladung
⇨ Elektrisches Feld
Diese Spannung wird als Diffusionsspannung bezeichnet.
Ausführlichere Erklärung zur Diffusionsspannung ⇨ Diffusionsspannung
Die Diffusionsspannung wirkt der Diffusion der Ladungsträger entgegen.
⇨ Diffusionsspannung
Sperrspannung
Von außen wird über die Spannungsquelle eine Spannung angelegt. Diese liegt hier in Sperrrichtung an (Sperrspannung).
Die Sperrspannung verstärkt die Diffusionsspannung. Deswegen weitet sich die Raumladungszone aus.
Der Leckstrom entsteht
Wie bereits erklärt, ist die Ursache des Leckstroms die Minoritätsladungsträger, welche sich in den dotierten Halbleitern lösen.
Durch das elektrische Feld werden diese beschleunigt.
1. Minoritätsladungsträger des P-Halbleiters
Die Minoritätsladungsträger im P-Halbleiter sind die Elektronen. Diese lösen sich durch Wärme aus dem Kristall-Gitter. Diese Elektronen werden von dem -Pol der Quelle abgestoßen. Durch die Diffusionsspannung werden sie Richtung PN-Übergang gezogen. Diesen überqueren sie und fließen zum +Pol der Quelle.
Die Elektronen haben im P-Gebiet ein Loch hinterlassen. Dieses wird durch Elektronen aus dem -Pol der Quelle gefüllt.
Es fließt also ein kleiner Strom, obwohl die Diode in Sperrrichtung betrieben wird.
2. Minoritätsladungsträger des N-Halbleiters
Die Minoritätsladungsträger im N-Halbleiter sind die Löcher. Diese entstehen ebenfalls durch Wärme. Diese Löcher werden von dem +Pol der Quelle abgestoßen. Durch die Diffusionsspannung werden sie Richtung PN-Übergang gezogen. Diesen überqueren sie und fließen zum -Pol der Quelle.
Die Löcher haben im N-Gebiet ein Elektron hinterlassen. Dieses fließt nun zum +Pol der Quelle.
Es fließt also ein kleiner Strom, obwohl die Diode in Sperrrichtung betrieben wird.
Kennlinie
Betrachtet man die Kennlinie einer Diode, kann dort auch der Sperrstrom erkannt werden. Dieser ist in der untenstehenden Kennlinie auch markiert.
Zu beobachten ist, dass ab einer bestimmten Sperrspannung der Strom konstant bleibt. Es handelt sich dabei um den sogenannten Sättigungssperrstrom. Im Folgenden wird sich mit diesem Sättigungssperrstrom aber auch mit der Abhängigkeit des Sperrstroms beschäftigt.
Sättigungssperrstrom
Betrachtet man die Kennlinie ist bei einer bereits geringen Sperrspannung der Sperrstrom konstant. Den Sperrstrom bezeichnet man nun als Sättigungssperrstrom. (Erhöht man die Spannung, bleibt die Stromstärke trotzdem gleich hoch).
Warum ist der Strom (Sättigungssperrstrom) konstant?
Ist die Temperatur konstant, entstehen in einer bestimmten Zeit immer gleich viele Minoritätsladungsträger. Diese werden abgesaugt. Wie bereits erklärt, ist die Menge an entstehenden Minoritätsladungsträgern unabhängig von den äußeren Spannungen.
Vereinfachtes Beispiel (mit unrealistischen Zahlen):
Im P-Gebiet entstehen pro Sekunde bei 20°C 10 Elektronen. Diese Elektronen werden durch die Quelle abgesaugt. Erhöht man jetzt die Spannung, werden trotzdem in einer Sekunde 10 Elektronen abgesaugt.