PIN Diode
Einleitung
Die PIN-Diode basiert auf den Aufbau der normalen Diode (PN-Schicht). Vereinfacht gesagt handelt es sich bei der PIN-Diode um die Weiterentwicklung der normalen Diode.
⇨ PN-Diode
Heute sind fast alle käuflichen „normale“ Dioden in Wirklichkeit Pin-Dioden.
Ziel
Das Ziel der PIN-Diode besteht darin, bei hohen Leistungen arbeiten zu können – Leistungsdiode. Daher muss die PIN-Diode 2 konkrete Ziele erfüllen.
– Hohe Sperrspannungen aufnehmen (Ohne Durchzubrechen)
– Kleiner Durchlasswiderstand
Aufbau
Schaltzeichen
Wie bei PN-Diode
Vorteile
-Hohe Sperrspannungen
Anwendungen
– Leistungselektronik
– Hochfrequenztechnik
Aufbau
Die PIN-Diode besteht aus 3 dotierten Bereichen eine P-Dotierten-Bereich, einem schwach dotierten N-Bereich (welcher auch als i-Bereich bezeichnet wird) und einem stark dotiertem N-Bereich.
⇨ Dotierung mit unterschiedlicher Stärke
Hohe Durchbruchspannung
Die Durchbruchspannung ist in der untenstehenden Kennlinie markiert. Diese gilt es zu vergrößern, sprich die Durchbruchspannung in der Kennlinie nach links zu schieben.
Nun wissen wir bereits, dass für den Durchbruch einer Diode 3 Effekte zuständig sind.
Dabei können 2 Effekte zum Durchbruch führen. Das ist der Lawinen-Effekt und der Zener-Effekt. Zur tatsächlichen Zerstörung kommt es dann aber durch den thermische Durchbruch.
⇨ Durchbruch einer Diode
⇨ Lawinendurchbruch (Avalanche-Effekt)
⇨ Zener-Durchbruch (Tunnel-Durchbruch)
⇨ Thermischer Durchbruch
Uns interessiert nun speziell der Lawinen-Effekt. Dieser ist nämlich abhängig von der Dotierkonzentration. Bei einer niedrigen Dotierung ist zwar die Raumladungszone größer, allerdings ist die Feldstärke auch geringer.
Kurzgesagt: Eine niedrige Dotierung führt zu einem, erst bei höheren Spannungen, eintretenden Lawinen-Effekt
Die niedrige Dotierung stellt nun aber ein Problem dar. Denn bei einer hohen Sperrspannung vergrößert sich die Sperrschicht. Bei niedriger Dotierung weitet sich die Sperrschicht weiter aus und kann die gesamte N-Schicht (n-) ausfüllen. Im Folgenden wird sich mit diesem Problem näher beschäftigt.
Problem: Raumladungszone füllt ganzen Halbleiter
Um eine höhere Sperrspannung zu erreichen, wird also niedriger dotiert. Betrachtet man nun aber die Raumladungszone, wenn die Diode in Sperrrichtung betrieben wird, fällt auf, dass diese über die gesamte N-Dotierte Zone reicht. Das ist schlecht, denn hierdurch verliert die Diode ihre Sperrwirkung.
Genauer erklärt:
Einerseits setzen sich die frei beweglichen Löcher der P-Schicht in die freien Elektronen der N-Schicht und rekombinieren. Zudem wurden, durch die Spannungsquelle im Sperrbetrieb, die freien Elektronen aus der N-Schicht herausgezogen.
In Folge dessen sind in der niedrig dotierten N-Schicht keine freien Elektronen mehr verfügbar.
Dies hat zur Folge, dass sich die Löcher der P-Schicht ungehindert durch die N-Schicht bewegen können. Hierdurch verliert die Diode ihre Sperrwirkung.
Konkret kann in Sperrrichtung der sogenannte Leckstrom ungehindert durch die niedrig dotierte N-Schicht fließen.
Lösung:
Zur Lösung wird einfach an die schwach dotierte N-Schicht eine hoch dotierte N Schicht angefügt. Reicht nun die Raumladungszone über die gesamte schwach dotierte N-Schicht (n-) so wird sie von der stark dotierten N-Schicht (n+) „gestoppt“.
Widerstand der PIN-Diode
Wie bereits zu Anfang erklärt, ist es ein Ziel der PIN-Diode, einen möglichst niedrigen Widerstand zu haben. Dies steht allerdings in einem gewissen Widerspruch, denn eine schwach dotierte N-Schicht führt zu einem hohen Widerstand.
Bei der Diode treten unter anderem zwei Widerstände auf, welche wir uns im Folgenden genauer anschauen. Und auch betrachten, wie diese minimiert werden.
– Ohmscher-Kontakt
– Bahnwiderstand
Ohmscher-Kontakt
Zunächst zum Ohmschen-Kontakt. Dieser tritt bei der Verbindung zwischen Metallischer-Anschlussleitung und Halbleiter auf.
⇨ Ohmscher Kontakt
Die Höhe des Ohmschen-Kontakts ist allerdings abhängig von der Dotierkonzentration des Halbleiters. Je höher die Dotierkonzentration, desto niedriger der Ohmsche-Kontakt.
Durch die angefügte hochdotierte N-Schicht (n+) wird der Metall-Kontakt mit dieser verbunden. Dadurch ist der Ohmsche-Kontakt niedrig.
Bahnwiderstand
Ein weiterer Widerstand in der Diode ist der sogenannte Bahnwiderstand.
Grundsätzlich gilt: Ein schwach dotierter Halbleiter weist einen hohen Bahnwiderstand auf.
Das wäre also in diesem Fall schlecht, weil wir eine niedrige Dotierkonzentration im N-Gebiet haben. Die PIN-Diode stellt aber einen Sonderfall dar.
Hierzu müssen wir kurz das Verhalten im Flussbetrieb anschauen. (Unten hierzu genaueres).
Im Flussbetrieb werden so viele Ladungsträger – hier die Löcher – in die “N-” Schicht geschoben, dass diese sehr schnell über der Dotierkonzentration liegen.
Das bedeutet, im N-Halbleiter sind dann mehr Löcher als Elektronen vorhanden.
Es kommt zur sogenannten Hochinjektion.
Bei der Hochinjektion entsteht ein Elektronen-Loch-Plasma. Das bedeutet, dass keine Ladungsträger mehr verfügbar sind.
Wie oben erklärt, führt dies dazu, dass äußere Ladungsträger sich ungehindert durch den Halbleiter bewegen können.
Dies hat also zur Folge, dass die Dotierung und der damit verbundene Widerstand keine Rolle mehr spielen. Es zählt hier nur die Ladungsträgerdichte.
⇨ Hochinjektion
Pin-Diode in Flussrichtung
Nun schauen wir uns an, was passiert, wenn an die PIN-Diode eine Spannung angelegt wird.
Zunächst möchten wir die PIN-Diode in Flussrichtung betreiben.
Hierfür wird der +Pol an die P-Schicht angelegt und der -Pol an die N-Schicht angeschlossen.
Es fließen Elektronen in die N-Schicht und Löcher in die P-Schicht.
Die Raumladungszone zwischen p+ und n Schicht wird hierdurch abgebaut.
Wie üblich werden Löcher der P(+)-Schicht dann in die N-Schicht injiziert.
Da das N-Gebiet aber schwach dotiert ist (N-), kommt es zur Hochinjektion.
Dies hat zur Folge, dass der Widerstand in der schwach dotierten Zone (i-Zone) niedrig wird.
⇨ Hochinjektion
Insgesamt kann dann ein Strom durch die Diode fließen.
Pin-Diode in Sperrrichtung
Wie erklärt, kann sich die PIN-Diode auch im Sperrbetrieb befinden.
Hierfür wird an den N-dotierten Halbleiter der +Pol und an den P-dotierten Halbleiter der -Pol angelegt.
Hierdurch werden die beweglichen Löcher der P-Schicht und die freien Löcher der N-Schicht „herausgesaugt“. Die Sperrschicht weitet sich aus.
In Sperrrichtung interessiert uns am meisten die Durchbruchspannung.
Diese wird durch die niedrig dotierte N-Schicht (N-) erhöht. (Die Durchbruchspannung verschiebt sich in der Kennlinie nach links).
Niedrige Sperrspannung
Bei einer niedrigen Sperrspannung sieht es ähnlich wie bei der normalen PN-Diode aus. Die ursprüngliche Raumladungszone wird etwas vergrößert. Durch den Konzentrationsunterschied zwischen P und N Gebiet ist aber die P Sperrzone kleiner als die des N Gebiets.
Hohe Sperrspannung
Bei einer hohen Sperrspannung füllt die Sperrschicht einen Teil der P-Schicht aus. Sie kann auch über die gesamte i-Schicht gehen. Von der stark dotierten N-Schicht (n+) nimmt sie nur einen kleinen Teil ein.
Untenstehendes Bild verdeutlicht die Raumladungszonen und ihre Konzentration.
⇨ Raumladungszone
