Halbleiter Die „np Junction“

Inhalt

• Aufbau der „np junction“

• Strom und Feldstärken an der „np junction“

• Polung und Leitfähigkeit

Elementarzelle eines Silizium Kristalls

Die vier Elektronen von Si bilden kovalente Bindungen zu ihren Nachbarn.

„n-Dotierung:“ Einbau eines P-Atoms anstelle eines Si-Atoms bringt ein Elektron „zuviel“: Es ist im Gitter nicht lokalisiert

P

Energie W

Halbleiter: Voll besetztes Valenz-Band, kleine Bandlücke

L

M n-Dotierung: Die Energie des zusätzlichen Elektrons liegt nah am leeren Band: eine kleine Energiezufuhr macht leitfähig

Elementarzelle eines Silizium Kristalls, p-Dotierung

Die vier Elektronen von Si bilden kovalente Bindungen zu ihren Nachbarn.

„p-Dotierung:“ Einbau eines B-Atoms bringt ein Elektron „zuwenig“: Im Gitter entsteht eine Lücke, die Elektronen aufnehmen kann

B

Energie W

Halbleiter: Voll besetztes Valenz-Band, kleine Bandlücke

L

Mp-Dotierung: Die Energie der Lücke liegt nah am besetzten Band: eine kleine Energiezufuhr macht leitfähig

n und p leitende Halbleiter

n leitend p leitend

• Beide Materialien sind elektrisch neutral und leitfähig, die beweglichen Ladungsträger sind im

• n-Leiter: Elektronen

• p-Leiter: Defektelektronen, „Löcher“

Berührungskontakt zwischen n und p leitenden Halbleitern

n leitend p leitend

Die Anzahl der beweglichen Ladungsträger in der Umgebung der Berührungsfläche,

• genannt „np junction“ ,bestimmen die elektrischen Eigenschaften des

zusammengesetzten Materials

Aufbau der Feldstärke an der np Junction

n leitend p leitend

• Diffusion der Elektronen bzw. Löcher über die Kontaktfläche• Die dabei entstehende elektrische Feldstärke hält die

Ladungen zurück und beendet diesen Strom• Durch Rekombination entsteht an der np junction eine etwa

0,1μm breite isolierende Schicht ohne bewegliche Ladungsträger

• Das angelegte Feld ist dem Feld an der junction entgegengesetzt, im n-Bereich werden Elektronen zur junction getrieben, im p-Bereich Defektelektronen

• Die isolierende Schicht ohne Ladungsträger wird dünner, ihr Widerstand nimmt ab

n leitend p leitend

Polung in Flussrichtung: Positive Spannung am p Halbleiter

+─

Das angelegte elektrische Feld

wirkt nur auf die beweglichen

Ladungsträger des n- bzw. p-

Bereichs

n leitend p leitend

Stromfluss bei positiver Spannung am p leitenden Halbleiter

+─

• Elektronen bzw. Löcher werden durch die angelegte Spannung über den schmalen, Ladungsträger freien Bereich der Kontaktfläche getrieben

• Bei dieser Polung fließt Strom: Betrieb des Bauelements in „Flussrichtung“

• Das angelegte Feld verstärkt das Feld an der junction, auf beiden Seiten werden Ladungsträger von der junction abgezogen

• Die Ladungsträger-freie, isolierende Schicht wird breiter, ihr Widerstand nimmt zu

• Polung in Sperr-Richtung

n leitend p leitend

─+

Polung in Sperr-Richtung: Negative Spannung am p Halbleiter

• Bauelemente dieser Art bezeichnet man als „Dioden“

• Zeichen in Schaltbildern:

Die „Diode“

─+

Vorzeichen für Polung in Flussrichtung

Anode Kathode

Grundlegendes Bauelement

der Halbleiterelktronik

Strom- Spannungskennlinie „nichtlinear“ bzw. nicht „Ohmsch“

Aggregatzustand, Ladungsträger und elekt. Leitfähigkeit

Vakuum Gas Flüssig Fest

Elektronen Ionen Elektronen

IsolatorGut

steuer-bar, z. B. in „Röh-

ren“

Normal-druck Elektro-

lytische Leitung

Halb-leiter

MetallSpon-taner

Durch-bruch z. B. Blitz

In Grenzen:

Nach Ak-tivierung:

Ohmsche Leitung, U=R.I

Zusammenfassung

• Bei Berührung des n- und p leitenden Bereichs beginnt an der np junction Diffusion der Ladungsträger über die Berührungsfläche

• Durch Rekombination entsteht ein isolierender Bereich um die np junction, die Dicke der isolierenden Schicht ist durch die angelegte Spannung steuerbar

• Polung in Flussrichtung: Anschluss einer positiven Spannung am p-Halbleiter

• Polung in Sperr-Richtung: Anschluss einer negativen Spannung am p-Halbleiter

n leitend p leitend

Stromfluss bei positiver Spannung am p leitenden Halbleiter

+─