IEKP-KA/2013-4 - Institut für Experimentelle Kernphysik - KIT

3.5. Der pn-Übergang 17
3.5. Der pn-Übergang
Durch Zusammenbringen von p- und n-dotierten Halbleitermaterialen kann ein pn-Übergang
hergestellt werden. An der Grenzschicht zwischen beiden Dotierungsarten bildet sich ein
starker Gradient der Konzentrationen der Ladungsträger. Die Folge davon ist eine Rekombination
der Elektronen des n-Bereichs mit den Löchern des p-Bereichs durch Diffusion.
Als Folge bildet sich im Grenzbereich eine Verarmungszone aus, in der keine freien
Ladungsträger vorhanden sind. Durch den Abfluss von Elektronen aus dem n-dotierten
Material bildet sich eine positive Raumladung aus, da insgesamt mehr Protonen als Elektronen
im Kristall vorhanden sind. Im p-dotierten Material ergibt sich dagegen ein Überschuss
an Elektronen. Dadurch bildet sich ein Potential zwischen p- und n-Bereich aus,
welches der weiteren Rekombination von Ladungsträgern entgegensteht. Abbildung 3.5
zeigt das Bandschema eines pn-Übergangs im so erreichten Gleichgewichtsfall.
E L
E
E F
p-Teil
n-Teil
E V
Abbildung 3.5.: Bandschema des pn-Übergangs. Zwischen dem p-Teil und dem n-Teil
des Übergangs rekombinieren Ladungsträger, wodurch sich eine Verarmungszone
bildet. Grafik nach [Dem05]
Der pn-Übergang wirkt elektrisch wie eine Diode. Die Leitfähigkeit und die Verarmungszone
werden von der äußeren Spannung beeinflusst:
Beim Betrieb des pn-Übergangs in Durchlassrichtung werden zusätzliche Löcher in den
p-Bereich und zusätzliche Elektronen in den n-Bereich getrieben. die Verarmungszone
wird dadurch kleiner. Wird die Spannung weiter über die Schleusenspannung erhöht, so
verschwindet die Verarmungszone und der Stromfluss kann mit der Spannung deutlich
zunehmen.
Legt man an die Spannung in Sperrichtung an den pn-Übergang an, werden die Elektronen
im n-Teil und die Löcher im p-Teil abgesaugt. Dadurch vergrößert sich die Verarmungszone,
das System wirkt wie ein Isolator auf den Stromfluss. Bei großen Spannungen
in Sperrichtung kann das elektrische Feld im pn-Übergang zu einem plötzlichen,
starken Anstieg des Stomflusses führen. Ein solcher Durchbruch ist unerwünscht und
kann das System durch die große Verlustleistung im Silizium thermisch zerstören.
3.6. Silizium
Silizium ist ein Element der vierten Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Es
verfügt über vier Valenzelektronen, die mit den Nachbaratomen kovalente Bindungen
eingehen. Daher bildet reines Silizium eine Kristallstruktur und ist ein elementares Halbleitermaterial.
Sein weltweites Vorkommen und seine hohe Verfügbarkeit machen Silizium
zum meistverwendeten Halbleitermaterial.