Elektronik für Physiker - Physik-Institut
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KAPITEL 2. HALBLEITER – BAUELEMENTE 34<br />
n-Dotierung<br />
p - Substrat<br />
Die ideale pn Kennlinie<br />
(siehe Skizze in [Pier96], Seite 236)<br />
Bei der Herstellung verwendet man zum Beispiel<br />
ein p dotiertes Silizium - Substrat (typischerweise<br />
Scheiben mit 6” = 150 mm<br />
Durchmesser). Durch Ionenimplementation<br />
von Phosphor wird ein stark n-dotierter Bereich<br />
geschaffen. An der Grenze bildet sich<br />
die depletion region<br />
Wird nun an diesen Halbleiterübergang eine externe Spannung angelegt, dann verschieben<br />
sich die Potentiale der Energieniveaus und die Fermienergie der beiden Seiten<br />
gegeneinander:<br />
Legt man eine negative Spannung (reverse bias, Minus an der p-Seite) an, so wird<br />
der Potentialwall vergrössert. Es können nur die Minoritätsträger einen Strom bewirken.<br />
Kommt zum Beispiel ein Elektron aus der p-Seite durch Diffusion zufällig zu nahe an<br />
den Potentialwall, wird es durch das in der Sperrschicht herrschende elektrostatische<br />
Feld auf die n-Seite gezogen, es fliesst ein kleiner Strom Ir. Die Ursache dieses Strom<br />
ist also Leitungsträger – Diffusion ausserhalb der Sperrschicht, er hängt deshalb nicht<br />
von der angelegten Spannung ab. Wegen ne = n 2 i /NA ist dieser sogenannte Sperrstrom<br />
jedoch stark temperaturabhängig Ir ∼ e −EG/kT (vgl. Gleichung 2.2).<br />
Legt man eine positive Spannung (forward bias, Plus an der p-Seite) an, so wird<br />
der Potentialwall abgebaut. Da gemäss der Fermifunktion die Leitungsladungsdichte<br />
im Valenz- und Leitungsband exponentiell mit dem Abstand von der Fermienergie<br />
abnimmt, wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein Ladungsträger den Potentialwall<br />
überwindet, exponentiell von der angelegten Spanung abhängen.<br />
Mit diesen qualitativen Überlegungen können wir die ideale Kennlinie der pn Grenzschicht<br />
wie folgt ansetzen:<br />
I = Ir · (e eU<br />
kT − 1) (2.7)<br />
Diese Gleichung wird auch ideale Diodengleichung genannt, der damit beschriebene<br />
Strom nennt man entsprechend seinem Ursprung den Diffusionsstrom. Diese einseitige<br />
Leitung der Grenzschicht ist die Grundlage der Funktion aller junction Halbleiterelemente.
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