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Grundlagen der HiFi-Technik V (5)

Der Inhalt des Kompendiums steht hier.

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Die elektronischen Bauelemente in HiFi-Geräten (3)

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Der Stoff, aus dem die Elektronik ist: Halbleiter

Außer den Metallen, die den elektrischen Strom sehr gut leiten, und den fast stromundurchlässigen Isolatoren gibt es noch eine dritte in der Elektrotechnik wichtige Stoffgruppe: die Halbleiter.

Zu ihnen zählen unter anderem die Elemente Germanium, Silizium und Selen. Das heute zur Bauteilefabrikation am meisten verwendete Material ist Silizium.

Wie bei fast allen Festkörpern ordnen sich auch bei den Halbleitern die Einzelatome in regelmäßiger Form zu einem Kristallgitter an. Das läßt sich am besten anhand eines Modells beschreiben. Der Physiker Niels Bohr stellte sich die einzelnen Atome wie kleine Sonnensysteme vor: Die negativ geladenen Elektronen umkreisen auf ineinandergeschachtelten Bahnen den positiven Atomkern. Jede Bahn kann eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen. Die jeweils äußerste Bahn ist jedoch nicht bei allen Stoffen voll besetzt.

Über die Zahl der Elektronen

Halbleiteratome besitzen auf der äußeren Bahn vier Elektronen. Da die Bahn aber insgesamt acht Stück aufnehmen könnte, greifen die gierigen Atome zu einem Trick, bilden ein Team und lagern sich so zusammen, daß jedes immer drei direkt benachbarte Atome hat. Die Struktur solcher Atomquartette erinnert an einen TRansporkasten voll von den vor ein paar Jahren verbreiteten Tetraeder-Milchbeuteln.

Nach diesem Modell steuert jedes beteiligte Atom zwei Elektronen aus seiner äußeren Schale zur Bindung bei. Diese jedem Quartett gemeinsamen Elektronen umkreisen nun in ständigem Wechsel mal das eine, dann wieder ein anderes Atom. So besitzt jedes zeitweilig acht Elektronen auf der Außenbahn, zu anderen Zeitpunkten - sozusagen als Ausgleich dafür - nur zwei.

Es ist schon sehr kompliziert - Sie können das überspringen

Die Vorgänge im Halbleiterinnern sind in der Realität nicht ganz so einfach. Tatsächlich weiß kein Physiker ganz exakt über die Abläufe Bescheid. (Das war der Wissensstand von 1984 !) Ausgehend von diesem Modell, läßt sich jedoch der Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitern verdeutlichen.

Solange sich die an der Bindung beteiligten Elektronen nicht vom zugehörigen Atomquartett entfernen, stehen keine freien Ladungsträger - die ja Voraussetzung der elektrischen Leitfähigkeit sind - zur Verfügung. Unter Einwirkung von Energie in Form von Licht oder Wärme befreien sich vereinzelt Elektronen aus ihrer Bahn und stehen für den Stromtransport bereit.

An den Stellen, an denen sie ursprünglich ihren Platz hatten, überwiegt nun die positive Ladung des dort verbliebenen Atomkerns, Physiker nennen diese Stellen im Kristallgitter Löcher.

Die Löcher in den Halbleitern

In Halbleitern beteiligen sich neben den Elektronen auch noch die Löcher am Stromfluß. Das Ganze kann man sich in etwa vorstellen wie beim Halmaspiel: Zieht ein Stein von seinem Platz weg, so hinterläßt er eine Lücke. Dafür füllt er weiter vorn allerdings eine andere aus. Der nachrückende Stein nimmt im nächsten Zug den Platz seines Vorgängers ein und hinterläßt dafür noch weiter hinten wieder eine Lücke. Bei flüchtiger Betrachtung scheint sich die Lücke entgegen der Zugrichtung der Steine zu bewegen. Ähnlich bewegen sich unter dem Einfluß des elektronischen Feldes, das eine angeschlossene Spannungsquelle erzeugt, die Elektronen gemäß der Modellvorstellung von Loch zu Loch springend in Richtung Pluspol, die Löcher scheinen entgegengesetzt zu wandern.

Der Fachausdruck für die Entstehung von Elektronen-Loch-Paaren heißt Generation (lat.: generi = entstehen). So, wie beim Halma der nachrückende Stein die Lücke schließt, die der vorangegangene hinterlassen hat, kommt es im Halbleiter vor, daß ein freies Elektron unterwegs von einem Loch angezogen wird und sich dort einnistet. Halbleiterphysiker nennen das Rekombination (lat.: recombinare = wiedervereinigen).

Über Generation und Rekombination

Generation und Rekombination erfolgen rein zufällig und an allen Stellen des Kristallgitters. Je mehr Energie von außen in Form von Wärme oder Licht auf das Material einwirkt, desto häufiger kommt es dazu. Weil sich dadurch die Anzahl der vorhandenen freien Ladungsträger erhöht, steigt als Folge davon die elektrische Leitfähigkeit. Man nennt sie Eigenleitfähigkeit, weil sie ohne Mithilfe anderer Stoffe zustande kommt. Sie ist bei reinem Halbleitermaterial allerdings einhundert- bis tausendmal geringer als in Metallen.

Halbleiter lassen sich wegen ihres gegenüber Metallen relativ hohen Widerstands zwar nicht als Stromleiter einsetzen, dank ihrer Fähigkeit zu Generations- Rekombinationsvorgängen lassen sich jedoch daraus Bauelemente mit besonderen Eigenschaften herstellen.

Dotierung = gezielte Verschmutzung schafft Ladungsträger

Das als Ausgangsmaterial meistbenutzte hochreine Silizium wird mit einer geringen Menge von Fremdatomen - also Atomen eines anderen Elements - verunreinigt. Die Techniker nennen das „dotieren".

Die Fremdatome, mit denen Halbleiter dotiert werden, besitzen aber nicht vier, sondern drei oder fünf Außenelektronen. Arsen - ein häufig verwendeter Dotierstoff - hat fünf davon. Beim Einbau ins Kristallgitter werden nur vier benötigt. Daher bleibt das fünfte Elektron jedes Arsenatoms ohne festen Platz im Halbleiterkristall zurück. Es kann sich unter dem Einfluß einer von außen einwirkenden Spannung bewegen und so zum Stromfluß beitragen. Wegen der negativen Ladung der vom Arsen beim Einbau ins Halbleitermaterial abgegebenen Elektronen spricht der Physiker von N-Dotierung.

Beim Dotieren mit Indium entstehen dagegen zusätzliche Löcher. Dieses Element hat nur drei Außenelektronen, so daß an der Stelle, an der es ins Kristallgitter eingebaut ist, ein fremdes Elektron ins Bindungsgeschehen mit einbezogen wird, das dann an anderer Stelle fehlt. Wegen der in der Umgebung des Lochs herrschenden positiven Ladung spricht man von P-Dotierung.

Die N-Dotierung und die P-Dotierung nutzen

Durch N-Dotierung der einen und P-Dotierung der anderen Hälfte eines Halbleiterkristalls entsteht in der Mitte eine Übergangszone, in der die verschiedenen Dotierungen sich treffen: der P/N-Übergang.

Hier ein Vergleich zum Verstehen

Aus dem direkt an den Übergang angrenzenden Gebiet der N-Zone dringen schon ohne außen angelegte Spannung alle freien Elektronen ins P-Gebiet ein und besetzen die dort vorhandenen Löcher. Das ist vorstellbar, wie wenn "Halma"-Steine (Anmerkung: Halma ist ein Brettspiel) einen Teil des gegnerischen Feldes dicht an dicht besetzen. Genauso wie dann die im „Hinterland" verbliebenen Steine des Gegners mangels vorhandener Lücken nicht mehr vorwärtsspringen können, ist durch die von eingedrungenen Elektronen hervorgerufene negative Ladung den Elektronen des weiter weg vom Übergang befindlichen P-Gebietes durch Abstoßung der Weg dorthin verbaut. Ebenso verhindert die mangels Rekombinationspartner im N-Gebiet vorhandene positive Überschußladung der Löcher, die positive Ladungsträger abstößt, das Vordringen weiterer Löcher.

Wenn kein Strom fließen soll

Schließt man den Pluspol einer Batterie auf der N-dotierten Seite an und den Minuspol an der anderen, dann fließt kein Strom: Weil sich ungleichnamige elektrische Ladungen anziehen, wandern die verbliebenen freien Elektronen des N-Gebiets zum Batterie-Pluspol, die Löcher des P-Gebiets zum Minuspol. In der Kristallmitte - am P/N-Übergang - verbreitert sich daher das Gebiet, in dem keine beweglichen Ladungsträger mehr vorhanden sind, Stromfluß ist daher unmöglich.

Bei umgekehrter Polung der Batterie stößt das elektrische Feld des Pluspols die Löcher der P-Zone ab, gleiches macht der Minuspol auf der N-Seite mit den dortigen Elektronen. Alle Ladungsträger bewegen sich also in Richtung des P/N-Übergangs, und die Sperrschicht wird schmaler. Überschreitet die angelegte Spannung den Wert 0,6 V (eine typische Sperrsppannung), dann dringen, angetrieben vom gleichspannungserzeugten elektrischen Feld, Elektronen ins P-Gebiet ein, ebenso wie Löcher ins N-Gebiet gelangen.

Die verstärkt einsetzenden Rekombinationsvorgänge binden beide Arten von Ladungsträgern, so daß Platz für die Nachrückenden da ist. Die Batterie liefert Elektronen ins N-Gebiet nach, die sich in Richtung P/N-Übergang bewegen, und zieht gleichzeitig die aus Generation im P-Gebiet stammenden ab. Die dort vorhandenen Löcher wandern wiederum zum P/N-Übergang. Die fortlaufende Ladungsträgerbewegung ist gleichbedeutend mit Stromfluß.

Die Rückschlagventile der Elektronik: Halbleiterdioden

Dioden nutzen die Eigenschaft des P/N-Übergangs aus. Überall dort, wo Strom nur in einer Richtung fließen soll, sorgen Dioden dafür. Fast alle Elektronikschaltungen benutzen zum Betrieb Gleichspannung. Um diese aus dem Wechselstromnctz zu gewinnen, formt (transformiert) zunächst ein Trafo die Spannung von (damals) 220 Volt in eine geeignete Sekundärspannung um. Bei HiFi-Geräten liegt sie meist zwischen 15 und 50 Volt. Die Sekundärwicklung ist über eine Diode mit dem Lade-Elko des Netzteils verbunden. Zur Gewinnung positiver Gleichspannungen liegt hierbei die Kathode (das ist die N-Zone) am Elko, die Anode (P-Zone) hat Verbindung zur Sekundärwicklung des Trafos.

Die positive Halbwelle lädt über die in diesem Fall durchlässige Diode den Elko auf positive Spannung auf. Während der negativen Halbwelle sperrt sie und verhindert so das Umladen des Kondensators. Mit der nächsten positiven Halbwelle ergänzt die Diode denjenigen Teil der Ladung, den inzwischen die angeschlossene Schaltung verbraucht hat.

Ideal wäre es, wenn eine Diode im Sperrzustand jeglichen Stromfluß unterbinden würde. Infolge kleinster, nicht vermeidbarer Unsauberkeiten bei der Herstellung und durch die immer vorhandene Eigenleitfähigkeit fließt ein geringer Sperrstrom. Er liegt allerdings bei üblichen Dioden in der Größenordnung von nur wenigen milliardstel Ampere und stört daher im allgemeinen nicht.

Elektronenlawine stabilisiert Spannungen: Z-Dioden

Steigt die in Sperrichtung angelegte Spannung über einen bestimmten Grenzwert (je nach Diodentyp zwischen 70 und 1000 Volt) an, dann befreien sich - wie verabredet - plötzlich sehr viele Elektronen aus ihrer Bindung, und der Sperrstrom vergrößert sich. Unterwegs schlagen sie beim Zusammenstoß mit den Gitteratomen weitere Elektronen frei, so daß sich die Anzahl der freien Ladungsträger lawinenartig vergrößert. Lawinendurchbruch heißt auch das entsprechende Fachwort.

Bei nicht eigens durch besondere Dotierung für diese Betriebsart hergestellten Dioden führt der Lawinendurchbruch infolge Überlastung meist zum Hitzetod. Dies kommt daher, daß anfänglich nur eng begrenzte Gebiete innerhalb des Kristalls durchbrechen. Infolge der Leistung, die dort als Produkt aus Strom und Spannung wie beim Widerstand anfällt und in Wärme umgesetzt wird, entwickelt sich an diesen Punkten starke Hitze - man spricht daher auch von „hot spots" -, so daß der Halbleiterkristall dort regelrecht schmilzt.

Das Hitzeproblem kann man lösen

Durch entsprechende Dotierung erreichen die Halbleiterhersteller eine gleichmäßige Verteilung des Lawineneffekts über den ganzen Kristall. Daher können keine hot spots entstehen. Die Diode erwärmt sich zwar infolge der von ihr umgesetzten Leistung, die Erwärmung findet jedoch überall gleichmäßig statt. Wenn der Strom nicht allzu hohe Werte annimmt, bleibt dies ohne Folge für die Lebensdauer.

Derartige Dioden mit kontrolliertem Durchbruchsverhalten heißen zur Würdigung des englischen Wissenschaftlers Zener Z-Dioden. Die Spannung, ab der ein Lawineneffekt einsetzt, läßt sich durch mehr oder weniger starke Dotierung bei der Herstellung bestimmen.

Eine Z-Diode hilft, Gleichspannung zu stabilisieren. Zu diesem Zweck schalten die Elektroniker einen Widerstand in Reihe mit ihr. Die Diode selbst ist so gepolt, daß die Betriebsspannung in Sperrichtung anliegt. Das Ganze funktioniert wie ein Eimer mit einem Loch in der Seitenwand: Fließt Wasser hinein, dann steigt der Wasserspiegel so lange an, bis er das Loch erreicht. Das weiterhin zuströmende Wasser haut nun durch die Öffnung ab; das Niveau im Eimer bleibt konstant. Genauso die Spannung an der Z-Diode, sobald die Eingangsspannung der Stabilisatorschaltung die Durchbruchsspannung erreicht hat. Der nun fließende Strom bewirkt, daß der Vorwiderstand jede weitere Erhöhung der Eingangsspannung abfängt.


Günther Mania

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