Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
2.2.1.3 Statisches Verhalten
Durchlassverhalten
Mit der angelegten Vorwärtsspannung steigt der Strom steil an, sobald die Schleusenspannung
(bei Silizium etwa 0,7 V) erreicht ist (Bild 2.2.2). Erst bei sehr hohen Strömen, die weit über dem
zulässigen Dauerstrom liegen, flacht sich die Durchlasskurve wieder etwas ab. Bei niedrigen und
mittleren Strömen ist der Temperaturkoeffizient der Durchlassspannung negativ, das heißt die
Durchlassspannung ist bei konstantem Strom umso niedriger, je höher die Temperatur ist. Bei
sehr hohen Strömen ist das Verhalten umgekehrt. Beim Fließen des Durchlassstromes entstehen
Durchlassverluste (= Durchlassstrom x Durchlassspannung), welche die Diode erwärmen. Diese
Erwärmung begrenzt den Vorwärtsstrom, da eine zu hohe Erwärmung die Diode beschädigen
kann.
Sperrverhalten
Legt man Spannung in Sperrrichtung an eine Diode, so steigt der Sperrstrom zuerst an, um schon
bei einer angelegten Spannung von wenigen Volt einen Wert zu erreichen, der mit steigender
Spannung kaum mehr ansteigt. Der Sperrstrom ist stark temperaturabhängig und steigt mit der
Temperatur an, besonders stark bei Schottky-Dioden. Die auftretenden Verluste (= Sperrspannung
x Sperrstrom) sind aber unter normalen Betriebsbedingungen so klein, dass sie bei der
Berechnung der Gesamtverluste vernachlässigt werden können (Ausnahme: Schottky-Dioden).
Erhöht man die in Sperrrichtung angelegte Spannung in den Durchbruchbereich (Bild 2.2.2), so
steigt der Sperrstrom mehr oder weniger steil an. Zwei Mechanismen können diesen Anstieg bewirken:
Zener-Effekt und Avalanche-Effekt.
Zener-Effekt
In Dioden mit sehr hoch dotierter n - -Mittelzone kann die Feldstärke in der Raumladungszone so
hoch werden, dass den Bindungen zwischen den Siliziumatomen Elektronen entrissen werden
und dadurch freie Ladungsträgerpaare entstehen (Zener-Effekt). Der Sperrstrom steigt dadurch
sehr steil an. Die Zener-Spannung, bei der dieser Anstieg eintritt, sinkt mit steigender Temperatur.
Der Zener-Effekt tritt nur bei extrem hohen Feldstärken in der Raumladungszone auf. Solche
Feldstärken kommen nur bei Dioden mit relativ niedriger Durchbruchspannung vor. Bei 5,7 V ist
die Grenze. Bei höheren Durchbruchspannungen spricht man vom Avalanche-Effekt.
Avalanche-Effekt
Innerhalb der Raumladungszone werden durch thermische oder optische Energie freie Ladungsträger
(Elektronen oder Löcher) erzeugt. Beim Avalanche-Effekt (Lawinen-Effekt) werden diese
durch die elektrische Feldstärke in der Raumladungszone so stark beschleunigt, dass sie durch
ihre kinetische Energie weitere Ladungsträgerpaare durch Stoß auf Valenzelektronen erzeugen
können (Stoßionisation). Die Zahl der freien Ladungsträger steigt lawinenartig an, der Sperrstrom
ebenfalls. Die Avalanche-Spannung, bei der dieser Effekt eintritt hat einen positiven Temperaturkoeffizienten,
steigt also mit der Temperatur an. Alle Durchbruchspannungen größer als 5,7 V sind
auf den Avalanche-Effekt zurück zu führen. Oft werden Avalanche-Dioden fälschlich als Zener-
Dioden bezeichnet. Der Betrieb einer Diode im Avalanche-Durchbruch ist nur erlaubt, wenn er im
Datenblatt spezifiziert ist.
2.2.1.4 Dynamisches Verhalten
Einschaltverhalten
Beim Übergang der Diode in den leitenden Zustand steigt die Spannung zunächst auf die Einschaltspannungsspitze
V FRM
an. Erst wenn die n - -Zone vollständig durch Ladungsträger überschwemmt
ist, sinkt die Durchlassspannung auf ihren statischen Wert V F
ab (Bild 2.2.4). Die Einschaltzeit t fr
(forward recovery time) liegt in der Größenordnung von 100 ns. Je steiler der Stromanstieg und je
dicker die niedrigdotierte n - -Zone der Diode, umso höher ist V FRM
. Die Einschalt-Spannungsspitze
kann 300 V und mehr betragen.
20