Halbleiter

Stand: 2004-03

Thomas Mertin
Netzwerk- und Elektrotechnik
D-41334 Nettetal

Der pn-Übergang (Diode)

1. Aufbau des pn-Übergangs

Fügt man einen n-Halbleiter und einen p-Halbleiter in einer idealen Weise nahtlos zusammen, so entsteht ein pn-Übergang.

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2. Entstehung des pn-Übergang

An der Grenzschicht findet ein Ladungsträgeraustausch statt. D.h. Elektronen diffundieren im nahen Grenzgebiet aus dem n-leitenden Gebiet in das p-leitende Gebiet und rekombinieren dort mit Defektelektronen.. In entgegengesetzter Richtung dringen Defektelektronen aus der p-Zone in die n-Zone ein und rekombinieren dort mit den freien Elektronen.

Sobald die Elektronen ihre n-Zone verlassen, hinterlassen sie dort positive Donatorionen. In diesem vorher elektrisch neutralen Gebiet herrscht nun eine positive Ladung. In der p-Zone, in der sich die Elektronenanzahl erhöht hat, entstehen negative Akzeptorionen. Diese beiden Ladungen bezeichnet man als Raumladung und ist um so größer je mehr Ladungsträger rekombinieren.

Mit zunehmender Raumladung im grenznahen Gebiet wird der Ladungsträgeraustausch zwischen den beiden Gebieten erschwert und schließlich ganz unterbrochen. Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen dem Diffusionsbestreben der Ladungsträger ein.
Zwischen den unterschiedlichen Raumladungen entsteht ein elektrisches Feld.

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3. Die Sperrschicht

Durch die Wirkung dieses elektrischen Feldes werden alle freien Ladungsträger aus der Grenzzone herausgezogen. Es entsteht im Übergangsbereich eine schmale Zone. Diese Gebiet ist nichtleitend und heißt Sperrschicht.
Die Breite der Sperrschicht ist abhängig von der Dotierung der n- und p-Zone. Bei hoher Dotierung entsteht eine schmale Grenzschicht, da bei hoher Störstellendichte im schmalen Grenzgebiet eine hohe Anzahl von Ladungsträgern zur Gegenseite diffundieren und rekombinieren können.
=> In einem schmalen Grenzbereich eine hohe Raumladung.
Bei geringer Dotierung ist deswegen die Sperrschicht breiter.

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4. Diffusionsspannung

Das elektrische Feld zwischen des gegensätzlichen Raumladungen ruft eine Spannung hervor. Diese Spannung nennt man Diffusionsspannung. Sie ist abhängig von der Dotierung, den Halbleiterstoff und von der Temperatur.
Bei Germanium beträgt sie etwa 0,3V und bei Silizium 0,5...0,8V.

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5. pn-Übergang an äußere Spannung

a) äußere Spannung in Sperrrichtung gepolt

1. 2.

U_S = Sperrspannung bzw. U_R
I_S = Sperrstrom bzw. I_R (technische Stromrichtung)

Im p-Gebiet: Vom pn-Übergang weg e⁺ (Defektelektronen) -> negative. Elektrode

Im n-Gebiet: Vom pn-Übergang weg e^- (Elektronen) -> positive. Elektrode

=> Verbreiterung der Sperrschicht, hohen Widerstand

In Sperrrichtung fließt I_s!

I_s entsteht durch freie Ladungsträger in der Sperrschicht, wenn durch äußere Energieeinwirkung Kristallbindungen aufgebrochen werden. I_s ist abhängig von äußerer Energie, z.B. von U_s, Temperatur

Durchbruch in Sperrrichtung

Wenn U_s größer, dann elektrisches Feld größer

Bei steigender U_s löst da elektrische Feld in der Sperrschicht Valenzelektronen.
=> schnell ansteigender Strom in Sperrrichtung, sogenannter Zenerdurchbruch.
Bei weiterer Steigerung von U_s erfolgt zusätzliche Beschleunigung der freigesetzten Ladungsträger. Diese befreien durch Zusammenstöße (Stoßionisation) weitere Ladungsträger und verstärken den Durchbruchstrom, sogenannter Lawinendurchbruch.

b) äußere Spannung in Durchlaßrichtung gepolt

1. 2.

U_D = Durchlaßspannung bzw. U_F
I_D = Durchlaßstrom bzw. I_F

Im p-Gebiet: e⁺ -> pn-Übergang
Im n-Gebiet: e^- -> pn-Übergang

=> Verringerung der Sperrschicht, kleinerer Durchlaßwiderstand

Wenn U_D = U_Diff dann Sperrschicht völlig abgebaut, sogenannte Schleusenspannung.

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