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Dioden

Der Film zum Kapitel


Die mit Blender erstellten Originaldateien der Computeranimation findet ihr in der Rubrik Download.

Diffusion

Im vorherigen Kapitel haben wir die "Wanderung" von Elektronenfehlstellen in einem p-dotierten Siliciumkristall beim Anlegen einer elektrischen Spannung behandelt. Diese Löcher sind jedoch auch bei Abwesenheit eines äußeren elektrischen Felds nicht an einen bestimmten Ort gebunden. Energetisch betrachtet macht es keinen Unterschied, zu welchem der drei benachbarten Siliciumatome das Fremdatom kovalente Bindungen ausbildet. Die Fehlstelle kann also um das Fremdatom "herumwandern", ohne dass dazu Energie aufgewendet werden muss. Damit das Loch aus der unmittelbaren Nachbarschaft des Fremdatoms herauswandern kann, muss ein Elektron von einem benachbarten Siliciumatom auf das Fremdatom übertragen werden. Somit entsteht ein negativ geladenes Akzeptorion und ein positiv geladenes Siliciumion. Die dazu notwendige Trennung einer Silicium-Silicium-Bindung und der Transfer des Elektrons erfordert einen bestimmten Energieaufwand. Die Ausbildung der vierten Bindung zwischen dem Fremdatom und den Siliciumatomen hingegen liefert Energie, wobei die energetische Gesamtbilanz sowohl positiv als auch negativ ausfallen kann, abhängig von den verwendeten Materialien. Die Energiedifferenz kann durch thermische Energie geliefert werden, weswegen der Prozess in beide Richtungen abläuft. Bei hohen Temperaturen kann die Fehlstelle aus der unmittelbaren Nachbarschaft des Fremdatoms herauswandern. Die Bewegung der Elektronenlücke ist dabei keineswegs gerichtet und kann durchaus wieder zurück zum Fremdatom führen. Das unregelmäßige "Umherwandern" des Elektronenlochs bezeichnet man als Diffusion:

Diffusion von Ladungsträgern
Figure 1:
In dem p-dotierten Kristall hat sich ein negativ geladenes Aluminiumion (blau) und ein positiv geladenes Siliciumion (rot) gebildet. Die negative Ladung verbleibt ortsfest am Aluminiumion, die positive Ladung "wandert"hingegen durch Elektronenaustausch zwischen benachbarten Siliciumatomen ungerichtet durch den Kristall.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird eine gerichtete Bewegung der Löcher durch den dotierten Kristall hervorgerufen. Diese gerichtete Bewegung bezeichnet man als Drift und sie wird immer durch die Diffusionsbewegung überlagert.
In einem n-dotierten Kristall kann das lose gebundene Elektron des Fremdatoms durch thermische Energie in das Leitungsband gehoben werden und sich somit frei durch das Kristallgitter bewegen. Auch diese Bewegung erfolgt in einem ungerichteten Zickzack-Kurs, weswegen man von Elektronendiffusion spricht. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgt eine zusätzliche Elektronendrift vom Minus- zum Pluspol der Spannungsquelle.

p-n Übergang

Fügt man einen p-dotierten und einen n-dotierten Halbleiterkristall zusammen, so diffundieren von dem n-dotierten Bereich Elektronen in den p-dotierten Bereich und umgekehrt Elektronenlöcher vom p-dotierten in den n-dotierten Bereich. Treffen eine Fehlstelle und ein Elektron aufeinander, so kann mit Hilfe dieses zusätzlichen Elektrons die Lücke aufgefüllt werden. Es steht nun das fehlende Elektron für die Ausbildung der vierten kovalenten Bindung zur Verfügung. Den Vorgang der Kombination von einem Elektron und einer Elektronenlücke zu einer kovalenten Bindung bezeichnet man als Rekombination. Durch diesen Prozess entstehen im p-dotierten Bereich negativ geladene Aluminiumatome ohne dass eine Elektronenlücke im Kristall verbleibt. Entsprechend bleiben im n-dotierten Bereich positiv geladene Phosphorionen ohne "überzählige" Elektronen zurück. Als Konsequenz dieses Prozesses entsteht ein elektrisches Feld zwischen der nun negativ geladenen p-dotierten Seite und der nun positiv geladenen n-dotierten Seite. Dieses Feld ist so gerichtet, dass irgendwann keine weiteren Elektronen von der n-dotierten zur p-dotierten Seite diffundieren können. Elektronen im Gebiet zwischen den unterschiedlich dotierten Kristallen werden zur n-dotierten Seite gezogen, Löcher zur p-dotierten Seite. Es bildet sich ein Gleichgewichtszustand aus. Im Gleichgewichtszustand ist das elektrische Feld gerade so groß, dass keine weiteren Ladungsträger durch diese Zone hindurch diffundieren können. Die dem elektrischen Feld entsprechende Spannung bezeichnet man daher auch als Antidiffusionsspannung. Den Kontaktbereich der von dem elektrischen Feld ausgefüllt wird, bezeichnet man als Raumladungszone, Verarmungszone oder Sperrschicht.
Diffusion und Rekombination
Figure 2:
Diffusionsbewegung und Rekombination von Elektronen und Löchern in unterschiedlich dotierten Halbleiterkristallen.

Ausbilden einer Sperrschicht
Figure 3:
Durch Rekombination haben sich Elektronen der n-dotierten Hälfte und positiv geladene Siliciumionen der p-dotierten Hälfte zu neutralen Siliciumatomen vereint. In der grau gezeichneten Zone sind keine frei beweglichen Ladungsträger mehr vorhanden. Das elektrische Feld der ortsfesten Fremdatome verhindert einen weiteren Austausch von Ladungsträgern. Eine zusätzliche Wirkung des internen elektrischen Feldes besteht darin, dass die ortsfesten Ladungen auf den Bereich um die Kontaktfläche beschränkt bleibt. Es finden keine Diffusionsprozesse statt, welche zu einem Ladungsaustausch mit weiter entfernt liegenden Fremdatomen führen.
Gelb = fünfwertige Fremdatome (z.B. Phosphor)
Hellblau = dreiwertige Fremdatome (z.B. Aluminium)
Blau = negativ geladene Fremdatome
Rot = positiv geladene Fremdatome

Durch das Anlegen einer Spannung an die beiten Hälften des Kristalls kann die Antidiffusionsspannung beeinflusst werden. Legen wir zunächst eine Spannung an, dessen elektrisches Feld dem der Antidiffusionsspannung entgegenwirkt. Dazu wird die p-dotierte Seite mit dem Pluspol und die n-dotierte Seite mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle verbunden:

Polung in Vorwärtsrichtung
Figure 4:
Das Feld an der Kontaktstelle zeigt entgegen dem der Gleichspannungsquelle und wird daher abgeschwächt.
Abschwächung der Sperrschicht
Figure 5:
Durch das abgeschwächte Feld können nun wieder Löcher von der p-dotierten Hälfte in die n-dotierte Hälfte driften und Elektronen von der n-dotierten in die p-dotierte Hälfte.
Wird das elektrische Feld der Gleichspannungsquelle weiter erhöht, verschwindet das elektrische Feld an der Kontaktfläche vollständig, und ein elektrischer Strom fließt nahezu ungehindert. Die der Antidiffusionsspannung entgegenwirkende Spannung der Gleichspannungsquelle wird als Diffusionsspannung bezeichnet.

Die Elektronen, welche die P-dotierte Hälfte an der Kontaktfläche betreten, rekombinieren mit den dort befindlichen Löchern. In diesem Bereich bilden die Löcher die Majoritätsträger. Die durchschnittliche Wegstrecke, die ein Elektron durch die P-dotierte Zone diffundieren kann, bevor ein Rekombinationsprozess stattfindet, liegt in der Größenordnung von Mikrometern.

Vertauschen wir nun die Polung der Gleichspannungsquelle. Der negative Pol wird mit der p-Hälfte und der positive Pol mit der n-Hälfte verbunden. Das Feld der Spannungsquelle wirkt nun in die gleiche Richtung wie das durch die Antidiffusionsspannung hervorgerufene Feld. Die Diffusion oder Drift durch die Grenzfläche wird somit nicht verstärkt sondern zusätzlich behindert. Durch die Spannungsquelle werden von der n-dotierten Seite Elektronen abgesaugt, es bleiben somit weitere positive Ladungen, die ortsfest an die eingelagerten Fremdatome gebunden sind, zurück. In die p-Hälfte werden zusätzliche Elektronen gepumpt, wodurch weitere Löcher durch Rekombinationsprozesse entfernt werden.

Polung in Sperrichtung
Figure 6:
Durch die Gleichspannungsquelle werden Elektronen in die p-dotierte Hälfte gepumpt, wodurch weitere Rekombinationsprozesse stattfinden. Auf der n-dotierten Seite werden Elektronen abgesaugt. Das Resultat ist eine Vergrößerung der ladungsträgerfreien Zone an der Kontaktfläche.


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