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Stellgeräte für elektrische Antriebe

 

Leistungselektronische Bauelemente

Stellgeräte für elektrische Antriebe arbeiten heute ausschließlich mit Halbleiterbauelementen auf der Basis von Silizium. Nachfolgend werden die wichtigsten Grundlagen der Halbleitertechnik behandelt und die wesentlichen Bauelemente vorgestellt.

 

Reine Halbleiter, Eigenleitung

Halbleiter sind chemische Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern (Metallen) und der von elektrischen Nichtleitern (Isolatoren) liegt. Der wichtigste Vertreter aus dieser Gruppe ist das Silizium.

Das Siliziumatom weist 14 Elektronen auf. Die Elektronen bewegen sich auf festen Bahnen um den Atomkern. Die verschiedenen Bahnen haben definierte Abstände vom Atomkern und umgeben diesen in mehreren Schalen. Bei einem Siliziumatom sind 4 Elektronen auf der äußersten Schale angeordnet. Sie werden Valenzelektronen genannt und sind für den Aufbau kristalliner Siliziumstrukturen von entscheidender Bedeutung.
Besonders stabile Verhältnisse ergeben sich, wenn die äußerste Schale eines Atoms mit 8 Elektronen besetzt ist. Das ist z.B. bei den Edelgasen der Fall. Ein einzelnes Siliziumatom kann diesen Zustand nicht erreichen. Ein ähnlicher Zustand ist jedoch möglich, wenn sich die Atome in einer idealen Gitterstruktur anordnen können. Ein Siliziumatom umgibt sich dann mit 4 anderen Atomen und geht mit ihnen eine Bindung ein. Jedes Siliziumatom "borgt" sich dabei jeweils 1 Valenzelektron des Nachbaratoms und erreicht in Summe die Bestückung seiner äußeren Schale mit 8 Elektronen.
Bei tiefen Temperaturen sind alle Valenzelektronen gebunden. Steigen die Temperaturen jedoch an, können sich einige Valenzelektronen aus der Bindung lösen und stehen als freie Ladungsträger zur Verfügung. Sie hinterlassen an der Stelle im Kristall, an der sie ursprünglich eingebaut waren, ein "Loch". Die Entstehung von freien Elektronen und "Löchern" heißt Paarbildung. Aufgrund der Paarbildung sind Halbleiter bei tiefen Temperaturen nicht leitend und bei höheren Temperaturen leitend.
Die Leitfähigkeit, die aufgrund der Paarbildung entsteht, wird als Eigenleitung bezeichnet. Die entstehenden Ladungsträger (freies Elektron und "Loch") nennt man Minoritätsträger.

 

Dotierte Halbleiter

Die Leitfähigkeit des einkristallinen Siliziums kann durch Dotierung erhöht werden. Dotierung heißt, dass Fremdatome in den Kristallverband eingebaut werden. Das Silizium wird dadurch gezielt verunreinigt.
Zur Dotierung werden Elemente mit 3 oder 5 Valenzelektronen verwendet. Beispiele dafür sind Aluminium und Phosphor. Aufgrund der Dotierung treten unterschiedliche Effekte bei der Einbringung in den Kristallverband auf. Es entstehen so genannte p-leitende und n-leitende Halbleiter.

Dotierungsstoffe mit 3 Valenzelektronen werden als Akzeptoren, Dotierungsstoffe mit 5 Valenzelektronen werden als Donatoren bezeichnet.

 

 

N-leitende Halbleiter

Wird der ideale Siliziumkristall mit Elementen mit 5 Valenzelektronen dotiert, bleibt ein Elektron der äußeren Schale des Dotierungsatoms übrig. Dieses Elektron wird nicht von einem benachbarten Siliziumatom "ausgeborgt" und hat nur eine geringe Bindung an seinen Atomkern. Es ist praktisch frei beweglich und steht als Ladungsträger zur Verfügung.
Legt man an eine elektrische Spannung an den so dotierten Siliziumkristall, wandern die freien Elektronen zum Pluspol. Aufgrund der negativen Ladung der Elektronen wird der so dotierte Halbleiter als n-leitend bezeichnet.

 

P-leitende Halbleiter

Wird der ideale Siliziumkristall mit Elementen der 3. Hauptgruppe dotiert, kann sich ein benachbartes Siliziumatom kein Elektron "borgen". Es fehlt ein Elektron. Dieses fehlende Elektron wird als "Loch" bezeichnet. Modellhaft wird diesem "Loch" eine positive Ladung zugeschrieben. Praktisch weist dieses "Loch" natürlich keine Ladung auf.
Legt man an eine elektrische Spannung an den so dotierten Siliziumkristall, stehen am negativen Pol freie Elektronen zur Verfügung. Diese werden von den "Löchern" eingefangen. Das heißt, die Siliziumatome, denen aufgrund der Dotierung ein Elektron fehlt, benutzen diese Elektronen zur Komplettierung ihrer äußeren Schale. Die dabei entstehende Bindung an den Atomkern ist jedoch nicht sonderlich stark, so dass sich die gerade eingefangenen Elektronen leicht lösen und von "Nachbarlöchern" übernommen werden können. Die Elektronen wandern von "Loch" zu "Loch". Dabei schließt ein Elektron an seinem neuen Platz ein vorhandenes "Loch" und hinterlässt an seinem alten Platz ein neues "Loch". Modellhaft entsteht dabei das Bild, dass die "Löcher" vom Pluspol zum Minuspol wandern. Da den "Löchern" eine positive Ladung zugeschrieben wurde, wird der so dotierte Halbleiter als p-leitend bezeichnet.

 

Störstellenleitung

Die Leitfähigkeit, die aufgrund der Dotierung von Silizium entsteht, wird als Störstellenleitung bezeichnet. Die entstehenden freien Ladungsträger nennt man Majoritätsträger. Sie überschreiten die Anzahl der Minoritätsträger, die durch den Prozess der Paarbildung im Siliziumgitter entstehen.

 

Grenzschicht

N- und p-leitende Halbleiter bilden für sich genommen noch keine elektronischen Bauelemente. Diese entstehen erst durch die Kombination von n- und p-leitenden Halbleitern. An den Übergangsstelle (pn-Übergang) zwischen den verschiedenen Halbleitertypen treten Effekte auf, die in elektronischen Bauelementen ausgenutzt werden.

Kombiniert man einen n-leitenden mit einem p-leitenden Halbleiter, entsteht eine Grenze, an der sich beide Halbleiter berühren. Auf der n-leitenden Seite der Grenze sind freie Elektronen vorhanden, während auf der p-leitenden Seite Elektronenmangel herrscht. Durch Diffusion gelangen freie Elektronen aus dem Gebiet nahe der Berührungsfläche aus dem n-leitenden Halbleiter über die Grenze in den p-leitenden Halbleiter und füllen die dort vorhandenen "Löcher" auf (Rekombination). Es entsteht eine Grenzschicht, die sich sowohl im n-leitenden als auch im p-leitenden Halbleiter erstreckt. In dieser Grenzschicht sind kaum noch freie Ladungsträger vorhanden, da alle freien Elektronen von den "Löchern" eingefangen wurden und damit weder Elektronen noch "Löcher" für einen elektrischen Stromfluss zu Verfügung stehen. Es entsteht eine ideale Elektronenanordnung, die Majoritätsträger verschwinden in der Grenzschicht. Lediglich die Minoritätsträger, die durch Paarbildung entstehen sind vorhanden und stehen für den Stromfluss zur Verfügung. Die Grenzschicht weist deshalb eine sehr geringe Leitfähigkeit auf.

Man könnte annehmen, dass sich die Grenzschicht über den gesamten Bereich des n- und p-leitenden Halbleiters ausdehnt und sich letztendlich alle Elektronen und "Löcher" gegenseitig kompensieren. Das ist jedoch nicht der Fall. Der fortschreitenden Diffusion von Elektronen aus dem n-leitenden Halbleiter in den p-leitenden Halbleiter wirken zunehmende elektrostatische Kräfte entgegen. Jedes aus dem n-leitenden Halbleiter abwandernde Elektron hinterlässt im n-leitenden Halbleiter eine überschüssige positive Ladung, da ja der positiv geladene Atomkern an seinem Platz verbleibt. Auf der p-Seite der Grenzschicht entsteht aus elektrischer Sicht ein Überschuss an negativen Ladungen, da nun mehr Elektronen als positiv geladene Atomkerne vorhanden sind. Die positive Ladung des n-leitenden Halbleiters zieht Elektronen an, die negative Ladung des p-leitenden Halbleiters stößt Elektronen ab. Damit entsteht eine Kraftwirkung auf die Elektronen, die der Diffusion und Verbreiterung der Grenzschicht entgegenwirkt. Die Grenzschicht bildet sich damit nur in einer solchen Breite aus, dass Diffusion und elektrostatische Kraftwirkung im Gleichgewicht stehen.