p-n-Übergang

  • p-n-Übergang

    Verbindet man eine p- mit einer n-dotierten Halbleiterleiterschicht, so lässt sich damit eine Diode realisieren. Diese erlaubt einen Stromtransport nur in eine Richtung. Um dieses Verhalten zu erklären, betrachtet man den Übergangsbereich zwischen diesen Schichten, den sogenannten p-n-Übergang.

    p-n-Übergang im Gleichgewicht (ohne äußere Spannung)

    An der Grenzfläche zwischen den beiden Halbleiterschichten kommt ein Konzentrationsausgleich in Gang. Aus dem p-dotierten Bereich drängen Löcher, wogegen Elektronen aus dem n-dotierten Bereich heraus streben. Im Übergangsbereich treffen daher die beiden Ladungsträgertypen aufeinander und neutralisieren sich (Elektronen werden in den Löchern gebunden; Elektron-Loch-Rekombination). Es verbleiben dort also die geladenen Akzeptor- bzw. Donator-Ionen ohne umgebende freie Ladungsträger. Es entsteht ein Bereich, den man als Verarmungszone oder auch als Raumladungszone bezeichnet. Dadurch wird ausgedrückt, dass dort eben keine freien Ladungsträger zur Verfügung stehen, dieser Bereich allerdings durch die verbleibenden Dotieratome mit fixierten Ladungen durchzogen ist.
    Diese ortsfesten Ladungen im Übergangsbereich erzeugen ein elektrisches Feld und somit eine Potentialdifferenz zwischen den Schichten, die als Barriere den weiteren Konzentrationsausgleich hemmt. Schließlich stellt sich ein Gleichgewicht ein, in dem die Spannung zwischen den Schichten so groß ist, dass sie letztendlich die Ladungsverteilung konstant hält (bei Silizium beträgt diese Spannung etwa 0,7 Volt).

    Abb. 10: p-n-Übergang im Gleichgewicht

    p-n-Übergang mit angelegter Spannung in Sperrrichtung

    In diesem Fall legt man eine zusätzliche Spannung an die Schichtfolge an, so dass der positive Pol an der n-dotierten Schicht liegt. Auf diese Weise wird die oben diskutierte Potentialbarriere im Übergangsbereich zwischen den Schichten weiter unterstützt. Da die Ladungsträger durch die äußere Spannung jeweils von der Grenzschicht weggezogen werden, wird die Raumladungszone vergrößert. Somit kann keine Ladung über die Schichten transportiert werden. Ein anhaltender Stromfluss ist unterbunden. Man spricht vom Betrieb in Sperrrichtung.

    Abb. 11: p-n-Übergang in Sperrrichtung

    p-n-Übergang in Durchlassrichtung

    Eine umgekehrte Spannung allerdings wirkt der Gleichgewichts-Potentialdifferenz entgegen. Dadurch werden die Ladungsträger weiter über die Grenzschicht gedrängt wo sie ständig rekombinieren. Daher fließen von der Batterie Elektronen in den n-Kontakt und Löcher in den p-Kontakt nach, so dass ein anhaltender Stromfluss entsteht. Hier spricht man von Betrieb in Durchlassrichtung.

    Abb. 12: p-n-Übergang in Durchlassrichtung