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Wer kennt sich genug mit Halbleiterphysik aus, um folgende Frage beantworten zu können:

Warum kann die Spannung an einer in Durchlassrichtung betriebenen Diode einen bestimmten Spannungswert (die Flussspannung) nicht überschreiten? Erklärung mittels Bändermodell und Kristallstruktur wäre super.

Die Spannung kann doch beliebig überschritten werden solange sich der Halbleiter weder überhitzt noch durch andere Kräfte zerstört wird.

Als Flußspanung bezeichnet man lediglich den Wert der sich bei einem willkürlich definierten Strom von meistens 1mA ergibt.

Unter den im Alltag üblichen Bedingungen bei praktisch sinnvollen PN-Übergängen ist die so definierte Flußspannung ungefähr die Hälfte von der Spannung die der Energiedifferenz zwischen Leitungs- und Valenzband entspricht.

Bei Silizium mit einem Bandabstand von 1,2nochwas Volt haben Dioden somit eine Flußspannung von 0,5 bis 0,8V, bei diesen Spannung kommen gerade eben ausreichend viele Elektronen über die Grenze damit ein sinnvoll nutzbarer Strom von µA bis A fliesen kann.


Mit freundlichen Grüßen vom A-Freak

» Wer kennt sich genug mit Halbleiterphysik aus, um folgende Frage
» beantworten zu können:
»
» Warum kann die Spannung an einer in Durchlassrichtung betriebenen Diode
» einen bestimmten Spannungswert (die Flussspannung) nicht überschreiten?
» Erklärung mittels Bändermodell und Kristallstruktur wäre super.

Vielleicht hift Dir dieser Link ja schon weiter:
http://de.wikipedia.org/wiki/Bandabstand
Meine Kenntnisse in Halbleiterphysik sind aber
nicht gut genug um Fehler in diesem Artikel
erkennen zu können.
Gruss
Harald

» Wer kennt sich genug mit Halbleiterphysik aus, um folgende Frage
» beantworten zu können:
»
» Warum kann die Spannung an einer in Durchlassrichtung betriebenen Diode
» einen bestimmten Spannungswert (die Flussspannung) nicht überschreiten?
» Erklärung mittels Bändermodell und Kristallstruktur wäre super.

--
Hi,

Du greifst hier ein sehr komplexes Thema auf... super

Jedoch ist die Antwort nicht so schnell mit wenigen Worten möglich.

Es hängt von vielen Faktoren ab. Mal als Ansatz:

Material-Auswahl, Verarbeitung, Umweltbedingungen (zB Umgebungstemp. ..)

Verarbeitung: hier gibt es eine Unzahl an Möglichkeiten,,, zB Dotierung, zB mechanische Ausführung
--> hier mal zB eine Spitzendiode,
was ist das.... die ist einem Glasröhrchen, auf der einen Seite der
Halbleiterchip (Dy) auf der anderen drückt eine gefederte Drahtspitze auf den Chip.
http://de.wikipedia.org/wiki/Spitzendiode

Das Bändermodell ist ein Ansatz.

http://de.wikipedia.org/wiki/Elektronegativit%C3%A4t

http://de.wikipedia.org/wiki/Dotierung

-ok, mal...

Zum Haralds Beitrag ein weiterer Gedanke anhand der Diode:
http://de.wikipedia.org/wiki/Sperrs%C3%A4ttigungsstrom#Leckstrom_.28Rekombinationsstrom.29

-- auf diesem Link findest noch andere wichtige Fachausdrücke zB "Avalance"...
Dort kannst weiter forschen.

Es gibt auch einige Literatur hievon
-> Unibücherei, die ist voll von solchen Büchern.


Grüße
Gerald

--
...und täglich grüßt der PC:
"Drück' ENTER! Feigling!"

Hi,
bin nur hobbyphysiker.

Es gibt bei Halbleiterübergängen so genannte Bänder.
Das sind Energie-Niveaus,
die Elektronen oder "Defektelektronen" zur Annäherung überwinden
müssen, um zu rekombinieren.
Dabei spielt das Material und die erreichbare Grenzschichtbreite eine Rolle.
Zur rekombination kommt es, wenn die Energiedichte in der Grenzschicht als Elektrisches Feld so weit zugenommen hat, daß die beiden relevanten Energie-Bänder überwunden werden können.
Das eine Band ist dabei das Valenzband und das andere das Leitungsband.
Elektronen, die zur Kristallbindung beitragen haben ihr Energieniveau auf dem Valenzband.
Wenn nun in der Grenzschicht eine so große Feldstärke entsteht ( W =~ U*e/d), dann werden Elektronen aus dem Valenzband gelöst und gelangen in das Energetisch niedrigere Leitungsband.
Dabei maßgeblich ist der Grenzschichtwiderstand, der durch die Rekombinationsrate
und das Kristallmaterial bestimmt ist. Er trägt auch dazu bei, daß die Spannung aufrechterhalten wird,
die zum Überführen der Valenzelektronen benötigt wird.
Bei manchen Dioden (Avalance) bricht dieser Grenzbereich nach der ersten
Rekombination vollständig zusammen, was aber durch spezielle zusätzliche
Legierungen und Geometrie verursacht wird.

Dieser normal anzutreffende Übergangswiderstand im Kristall und in der Grenzschicht hat aber 2 Effekte:
- er heizt das Material auf
- er macht die Übergangsspannung stromabhängig.

Je nach Bauart sind hier zwischen 3Ω und 20Ω anzusetzen.

Darum ist die Diodenkennlinie nicht rechteckig an der Durchbruchspannung.

Cu
st

» Wer kennt sich genug mit Halbleiterphysik aus, um folgende Frage
» beantworten zu können:
»
» Warum kann die Spannung an einer in Durchlassrichtung betriebenen Diode
» einen bestimmten Spannungswert (die Flussspannung) nicht überschreiten?
» Erklärung mittels Bändermodell und Kristallstruktur wäre super.

Ich finde die Frage etwas merkwürdig, aber evtl hilft dir das weiter:

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw2_ge/kap_6/backbone/r6_2_3.html

Vielen Dank für eure Beiträge und die angegebenen Quellen!
Vielleicht finde ich darin eine Antwort. Ich möchte meine Frage außerdem noch etwas präzisieren.

Folgendes denke ich mir:
An einem p-n-Übergang ohne äußere Spannung liegt ein elektrisches Feld vor bzw. existiert eine Spannung, die Diffusionspannung. Diese entsteht als Folge der Diffusionsströme zwischen dem p- und dem n-dotierten Bereich, denn die durch die Diffusionsströme ionisierten Fremdatome erzeugen eine Raumladung. Das n-Gebiet enthält positive Ionen, das p-Gebiet negative. Der Feldstärkevektor zeigt also vom n- ins p-Gebiet. Diese Potentialbarriere wirkt den Diffusionsvorgängen entgegen, deshalb stellt sich ein Gleichgewicht ein. Im Bändermodell erkennt man die Barriere daran, dass die Bandkanten von Valenz- und Leitungsband im p-Gebiet gegenüber dem n-Gebiet angehoben sind. Die Elektronen befinden sich dort auf einem erhöhten Potential.

Lege ich nun eine Spannung in Durchlassrichtung an (Plus an p-Gebiet, Minus an n-Gebiet), so senke ich die Potentialbarriere um den Betrag der angelegten Spannung. Dadurch störe ich das Gleichgewicht und es kann wieder ein Diffusionsstrom fließen. Der Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und dem nun wieder fließenden Strom ist durch die Diodenkennlinie im ersten Quadrant beschrieben. Offenbar kann ich die Potentialbarriere aber nur so weit senken, bis sie Null ist. Sie ist Null, wenn die außen angelegte Spannung die Diffusionsspannung vollständig kompensiert, ihr also betragsmäßig gleich ist. Offenbar kann sie nicht überkompensieren, und deshalb kann die Spannung an einer Diode eine bestimmte Spannung auch nicht überschreiten (bei Si ca. 0,6 V).

Folgende Frage* stellt sich nun:
Wenn obige Ausführungen stimmen, warum kann ich die Diffusionsspannung nicht überkompensieren? Was passiert, wenn ich die äußere Spannung weiter erhöhe? Was passiert mit den Energieniveaus und was mit den Ladungsträgern?

*Das ist nach meinem Verständnis die halbleiterphysikalische Formulierung meiner eingangs gestellten Frage.

» Die Spannung kann doch beliebig überschritten werden solange sich der
» Halbleiter weder überhitzt noch durch andere Kräfte zerstört wird.
»
» Als Flußspanung bezeichnet man lediglich den Wert der sich bei einem
» willkürlich definierten Strom von meistens 1mA ergibt.
»
Ist das denn die ganze Wahrheit? Eine Freilaufdiode, die antiparallel zu einer induktiven Last geschaltet ist, bewikt doch, dass die Zweigspannung nach dem Abschalten der Versorgungsspannung auf die Durchlassspannung der Diode(bei Si-Diode ca. 0,6 V) begrenzt wird - prinzipiell unabhängig davon, wie groß der Strom ist.

» » Die Spannung kann doch beliebig überschritten werden solange sich der
» » Halbleiter weder überhitzt noch durch andere Kräfte zerstört wird.
» »
» » Als Flußspanung bezeichnet man lediglich den Wert der sich bei einem
» » willkürlich definierten Strom von meistens 1mA ergibt.
» »
» Ist das denn die ganze Wahrheit? Eine Freilaufdiode, die antiparallel zu
» einer induktiven Last geschaltet ist, bewikt doch, dass die Zweigspannung
» nach dem Abschalten der Versorgungsspannung auf die Durchlassspannung der
» Diode(bei Si-Diode ca. 0,6 V) begrenzt wird - prinzipiell unabhängig
» davon, wie groß der Strom ist.

Nicht so ganz unabhängig.
Ausserdem ist der Strom der durch eine Freilaufdiode
fliesst, ja bekannt.
Gruss
Harald

» » » Die Spannung kann doch beliebig überschritten werden solange sich der
» » » Halbleiter weder überhitzt noch durch andere Kräfte zerstört wird.
» » »
» » » Als Flußspanung bezeichnet man lediglich den Wert der sich bei einem
» » » willkürlich definierten Strom von meistens 1mA ergibt.
» » »
» » Ist das denn die ganze Wahrheit? Eine Freilaufdiode, die antiparallel
» zu
» » einer induktiven Last geschaltet ist, bewikt doch, dass die
» Zweigspannung
» » nach dem Abschalten der Versorgungsspannung auf die Durchlassspannung
» der
» » Diode(bei Si-Diode ca. 0,6 V) begrenzt wird - prinzipiell unabhängig
» » davon, wie groß der Strom ist.
»
» Nicht so ganz unabhängig.
» Ausserdem ist der Strom der durch eine Freilaufdiode
» fliesst, ja bekannt.
» Gruss
» Harald

Okay. Es ist jedenfalls so, dass man ab einer bestimmten Diodenspannung (ca. 0,6) den Strom stark vergrößern kann während sich die Diodenspannung kaum verändert (siehe auch Kennlinie). Mich interessiert die physikalische Erklärung für dieses Verhalten. Wenn ich mich nicht täusche, entsprechen die 0,6 V doch der Spannung, wo der Potentialwall zwischen n- und p- Gebiet aufgehoben ist. Das führt mich zu der Annahme, dass ich das Potentialgefälle nicht umkehren kann. Warum? Und was passiert, wenn ich der Diode - sagen wir - 1 V einpräge? Abgesehen davon, dass sie kaputt geht. Das heißt, wo sehe ich dann die verbleibenden 0,4 V im Bändermodell?

» die 0,6 V doch der Spannung, wo der Potentialwall zwischen n- und p-
» Gebiet aufgehoben ist. Das führt mich zu der Annahme, dass ich das
» Potentialgefälle nicht umkehren kann. Warum? Und was passiert, wenn ich
» der Diode - sagen wir - 1 V einpräge?

Du kannst einen Fluß nicht höher füllen, als Deich / Wehr ist. Zentimeter höher als das Wehr - und du hast schon einen reißenden Wasserfall.
Willst du mehrere Meter Wasserspiegel über dem Wehr haben, brauchst du einen Tsunami.
Schwierig herzustellen und mit katastrophalen Folgen.

(So mal als Analogbetrachtung aus der Mechnik).

hws

» Wenn ich mich nicht täusche, entsprechen
» die 0,6 V doch der Spannung, wo der Potentialwall zwischen n- und p-
» Gebiet aufgehoben ist.

Du täuschst dich. Und ohne eine ordentliche Portion Quantenmechanik lässt sich das nicht sinnvoll erklären.

» » Wenn ich mich nicht täusche, entsprechen
» » die 0,6 V doch der Spannung, wo der Potentialwall zwischen n- und p-
» » Gebiet aufgehoben ist.
»
» Du täuschst dich. Und ohne eine ordentliche Portion Quantenmechanik lässt
» sich das nicht sinnvoll erklären.

Also...?

» » » Wenn ich mich nicht täusche, entsprechen
» » » die 0,6 V doch der Spannung, wo der Potentialwall zwischen n- und p-
» » » Gebiet aufgehoben ist.
» »
» » Du täuschst dich. Und ohne eine ordentliche Portion Quantenmechanik
» lässt
» » sich das nicht sinnvoll erklären.
»
» Also...?

...wirst Du wohl zuerst einige Jahre Quantenmechanik
studiert haben müssen, um die Antwort zu verstehen.
Meine Antwort ist einfacher: 42
Gruss
Harald

» » » Wenn ich mich nicht täusche, entsprechen
» » » die 0,6 V doch der Spannung, wo der Potentialwall zwischen n- und p-
» » » Gebiet aufgehoben ist.
» »
» » Du täuschst dich. Und ohne eine ordentliche Portion Quantenmechanik
» lässt
» » sich das nicht sinnvoll erklären.
»
» Also...?

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Ich habe dir doch den Link über Elektronegativität gepostet....

Und andere Phänomäne, ok, chem. und phys. Effekte, kommen noch dazu.
zB Thermodynamik, zB Thermospannungen, zB photoelektrischer bzw. photoelektomagnetscher Effekt ...

Die Temparatur ist ganz entscheidend bei der Gestaltung
von Halbleiterbauelementen.
Sonst könntest als Bastler ja u.U. nichts damit anfangen.
--> zB Festlegung auf +25°C. ---> Temp.-Arbeitsbereiche.

Hier hast mal ein Stichwortverzeichnis über Festkörperphysik:
http://de.wikipedia.org/wiki/Kategorie:Festk%C3%B6rperphysik

gerald
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...und täglich grüßt der PC:
"Drück' ENTER! Feigling!"

» » » » Wenn ich mich nicht täusche, entsprechen
» » » » die 0,6 V doch der Spannung, wo der Potentialwall zwischen n- und
» p-
» » » » Gebiet aufgehoben ist.
» » »
» » » Du täuschst dich. Und ohne eine ordentliche Portion Quantenmechanik
» » lässt
» » » sich das nicht sinnvoll erklären.
» »
» » Also...?
»
» ...wirst Du wohl zuerst einige Jahre Quantenmechanik
» studiert haben müssen, um die Antwort zu verstehen.
» Meine Antwort ist einfacher: 42
» Gruss
» Harald