pn-Übergang (Halbleiterdiode)
Fügt man p-leitendes Material und n-leitendes Material zusammen, so entsteht ein Grenzbereich zwischen den Materialien, der pn-Übergang genannt wird. Dieser Bereich wird auch als Grenzschicht bezeichnet. Durch Zusammenfügen eines p-leitenden und eines n-leitenden Materials entsteht ein Bauelement das als Halbleiterdiode, kurz Diode, bezeichnet wird.
pn-Übergang ohne äußere Spannung
Ohne äußere Einwirkung durch Spannung oder Strom, sondern nur durch den Einfluss der Wärmeschwingungen, wandern die Elektronen (freie Ladungsträger) nahe des Grenzbereichs von der n-leitenden Schicht in die p-leitende Schicht.
In der Detailbetrachtung wandert das freie Elektron des Phosphoratoms über die Grenze in die p-Schicht und geht dort mit dem Aluminiumatom eine Bindung ein. Das Phosphoratom verliert ein Elektron und ist nun ein positiv geladenes Ion. Das Aluminiumatom hat ein Elektron mehr und ist nun ein negativ geladenes Ion.
Im Grenzbereich der beiden Schichten wandern viele Elektronen aus der n-Schicht in die p-Schicht. Die Elektronen aus der n-Schicht rekombinieren dabei mit den Löchern aus der p-Schicht.
Das Wandern der Elektronen nennt man Ladungsträgerdiffusion.
Diffusionsspannung
Durch die Ladungsträgerdiffusion ist ein Ionengitter entstanden. Es ist eine an freien Ladungsträgern verarmte Sperrschicht und wird auch Raumladungszone genannt. In dieser Schicht herrscht ein starkes elektrisches Feld, das weitere Elektronenwanderungen verhindert. Die Ladungsträgerdiffusion ist dann beendet, wenn das elektrische Feld groß genug ist, um der Kraftwirkung der Wärmeschwingungen entgegen zu wirken. Je höher die Temperatur, desto breiter ist die Raumladungszone, desto höher wird das elektrische Feld. Zwischen den Raumladungen entsteht eine elektrische Spannung. Sie wird Diffusionsspannung UDif genannt. Sie hat bei 20°C etwa folgende Höhe:
- Silizium UDif = 0,6 ... 0,7 V
- Germanium UDif = 0,3 V
pn-Übergang an äußerer Spannung
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip einer Halbleiterdiode erklärt, die aus einer p- und aus einer n-leitenden Schicht besteht. Betrachtet man diesen pn-Übergang bildhaft mit seiner Wirkungsweise in Durchlassrichtung und in Sperrrichtung, so kann man von einer Einbahnstraße für Elektronen sprechen.
Diode in Sperrrichtung
Wird die Diode in Sperrrichtung betrieben, so liegt die p-Schicht am Minus-Pol und die n-Schicht am Plus-Pol.
Die Löcher der p-Schicht werden vom Minus-Pol angezogen, die Elektronen der n-Schicht werden vom Plus-Pol angezogen. Dadurch vergrößert sich die Sperrschicht, die auch Grenzschicht genannt wird. Es können keine Ladungsträger durch die Sperrschicht hindurch gelangen. Es kann nur ein sehr kleiner Strom durch die Sperrschicht fließen.
Diode in Durchlassrichtung
Wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben, so liegt die p-Schicht am Plus-Pol und die n-Schicht am Minus-Pol.
Die Löcher der p-Schicht werden vom Plus-Pol abgestoßen und die Elektronen der n-Schicht werden vom Minus-Pol abgestoßen. Die Grenzschicht wird nun mit freien Ladungsträgern überschwemmt. Über den pn-Übergang hinweg, fließt ein Strom durch die Diode. Und die durch Ladungsdiffusion aufgebaute Diffusionsspannung wird abgebaut.
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