P-n-Übergang
- Der korrekte Titel dieses Artikels lautet „p-n-Übergang“. Leider ist dieser Titel in der Wikipedia aufgrund technischer Einschränkungen nicht möglich. P-n-Übergang
Ein p-n-Übergang ist die Übergangszone zwischen einem p-dotierten und einem n-dotierten Halbleiterkristall. Sie zeichnet sich durch ein Fehlen beweglicher Ladungsträger aus, da die positiven des p-Kristalls sich hier mit den negativen des n-Kristalls ausgeglichen (rekombiniert) haben. Da die ebenfalls vorhandenen ortsfesten Ladungen nicht rekombinieren können, herrscht innerhalb der Zone ein elektrisches Feld, welches einen Ladungstransport unterbindet. Dieses Feld kann durch eine von außen angelegte Spannung - je nach Polung - kompensiert werden, dann wird der p-n-Übergang leitfähig, oder es kann verstärkt werden, dann bleibt er gesperrt. Diese von der Polung abhängige Leitfähigkeit ist die Grundlage der Halbleiterdiode, der wichtigsten Anwendung des p-n-Übergangs.
Deren Funktionsweise kann im Bändermodell erklärt werden. Im n-Kristall befinden sich bewegliche Elektronen im Leitungsband, im p-Kristall bewegliche Elektronenfehlstellen im Valenzband (siehe unten, Bild a). An der Berührungsstelle können zunächst Elektronen in den p-Kristall eindringen und sich hier die Elektronenfehlstellen auffüllen (Bild b). Die zuvor elektrisch neutralen Kristalle erhalten durch die zurück bleibenden festen Ladungen nunmehr eine Raumladung, die den p-Kristall negativ, den n-Kristall positiv auflädt. Durch die Ladungsträgerwanderung entsteht zwischen p- und n-Schicht eine elektrische Spannung. Sie wird Diffusionsspannung UD genannt. Bestehen die Schichten aus Silizium beträgt die Diffusionsspannung ca 0,6 bis 0,7 V. In der von beweglichen Ladungen freien Zone (der Sperrschicht) entsteht ein elektrisches Feld. Die Elektronen müssen nun gegen einen Potenzialwall anlaufen, um noch in den p-Kristall zu gelangen (Bild c). Der Prozess kommt zum Erliegen, wenn sich die Ferminiveaus der beiden Kristalle angeglichen haben.
Durch Anlegen einer äußeren Spannung in Sperrrichtung (+ am n-Kristall, - am p-Kristall) wird das Feld der Sperrschicht verstärkt und der Potenzialwall vergrößert. Elektronen bzw. Defektelektronen werden von der Sperrschicht weg gezogen, so dass diese sich verbreitert. Es fließt kein Strom.
Aufbau einer Sperrschicht im p-n-Übergang
Bei Polung in Durchlassrichtung (+ am p-Kristall, - am n-Kristall) wird der Potenzialwall abgebaut. Neue Ladungsträger fließen von der äußeren Quelle auf die Sperrschicht zu und rekombinieren hier fortwährend. Es fließt Strom.
Funktion einer Halbleiterdiode
Realisierung
Technisch werden p- bzw. n-dotierte Schichten über das gezielte Anreichern IV-wertiger Silizium-Kristalle mit V- bzw. III-wertigen Elementen (z.B. Arsen bzw. Gallium/Indium) erreicht. Da das umgebende Kristallgitter nur jeweils vier Elektronen festhalten kann, wird durch das Einbringen von V-wertigen Arsenatomen ein überschüssiges, frei bewegliches Elektron in den Kristallverband eingebracht. Umgekehrt wird natürlich durch das dotieren mit III-wertigem Gallium ein Elektronenloch eingefügt.
Anwendung
Wie oben gezeigt leitet der einfache p-n-Übergang elektrischen Strom in eine Richtug sehr gut, in die Andere fast nicht. Einen solchen p-n-Übergang nennt man Diode, eine wichtige Anwendung dieser ist daher der Gleichrichter zur Umwandlung von Wechselströmen in Gleichströme. Aber auch die meisten übrigen Halbleiterbauelemente verwenden einen oder mehrere p-n-Übergänge zur Erzielung ihrer Funktion, z.B. im Bipolartransistor, Feldeffekttransistor (FET), Halbleiterdetektor usw.