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1 Halbleiter, Dioden Halbleiter, 1

2 Inhaltsverzeichnis Aufbau & physikalische Eigenschaften von Halbleitern Veränderung der Eigenschaften mittels Dotierung Vorgänge am Übergang von dotierten Materialen Verhalten des pnübergangs Ideale / reale Dioden Halbleiter, 2

3 Einleitung: spezifische Leitfähigkeit R = ρ l A = l κ A l: Länge des Materials A: Querschnittsfläche des Materials : Spezifischer Widerstand : Spezifische Leitfähigkeit Die spezifische Leitfähigkeit ist proportional zur Elementarladung q, zur Ladungsträgerdichte n und zur Beweglichkeit der Ladungsträger µ: κ = n q μ u. A. hängt die spezifische Leitfähigkeit von der Temperatur ab. Die Einheit von ist 1/ m oder S/m (S: Siemens). Bem.: Elektronenladung q: q= e19 As Halbleiter, 3

4 Einleitung: spezifische Leitfähigkeit Nach der spezifischen Leitfähigkeit unterteilt man Stoffe in: a) Supraleiter Unterhalb einer materialabhängigen Temperatur sinkt der elektrische Widerstand auf null und die Leitfähigkeit strebt gegen. b) Leiter (z.b. alle Metalle) Typischerweise (bei 25 C): > 10 6 S/m. c) Halbleiter (z.b. Silizium, Germanium) Die spezifischen Leitfähigkeit liegt zwischen den Leitern und Nichtleitern. d) Isolatoren (z.b. die meisten Nichtmetalle) Typischerweise < 10 8 S/m. Halbleiter, 4

5 Einleitung: spezifische Leitfähigkeit Material Bezeichnung in S/m Silber Leiter Kupfer Leiter Gold Leiter Aluminium Leiter Zink Leiter Nickel Leiter Kobalt Leiter Messing Leiter Eisen Leiter Platin Leiter Zinn Leiter Stahl Leiter Chrom Leiter Blei Leiter Konstantan Leiter Quecksilber Leiter Germanium Halbleiter 2 Tellur Halbleiter Silizium (undotiert) Halbleiter Selen Halbleiter Glas Isolator Porzellan Isolator Quelle: wikipedia Halbleiter, 5

6 Eigenschaften Halbleiter Germanium und Silizium sind chemisch vierwertig. Halbleiter, 6

7 Eigenschaften Halbleiter: Gitterstruktur Germanium und Silizium sind chemisch vierwertig. Damit ergibt sich ein störungsfrei aufgebautes, symmetrisches Kristallgitter in Diamantgitterstruktur. Dreidimensional Zweidimensional Halbleiter, 7

8 Halbleiter: Silizium Siliziumgitter Halbleiter, 8

9 Halbleiter: Silizium Eine aufgebrochene kovalente Bindung (Elektronenpaar) produziert ein Elektron und ein Loch. Stromfluss ist möglich. Halbleiter, 9

10 Halbleiter: Slilzium Typ n Siliziumgitter dotiert mit 5wertigem Atom ein Elektron ist frei verfügbar. kann mit Loch aus kovalenter Bindung kombinieren, dessen Elektron frei ist z.b. Phosphor Halbleiter, 10

11 Halbleiter: Silizium Typ p Siliziumgitter dotiert mit 3wertigem Atom ein Loch ist frei verfügbar. kann mit Elektron aus kovalenter Bindung kombinieren, dessen Loch frei ist + z.b. Bor Halbleiter, 11

12 Halbleiter pnübergang E Verhalten am pnübergang: Die freien Ladungen in der Grenzzone pn (Raumladungszone) rekombinieren Zone verarmt (Depletion) an freier Ladung, d.h. Elektronen im n und Löcher im p Material verschwinden. Die gebundene Ladungen + der Atome der Gegenseite stossen die hinteren freien Ladungen +, von der Grenze weg. Das pnübergang sperrt den Strom, über der Zone liegt ein elektrisches Feld. Halbleiter, 12

13 Sperrender Halbleiter E Zur Erinnerung: Elektronen fliessen von nach +. Stromrichtung ist von + nach. Bounded charges increase Bei Anregen mit einem Strom I in Sperrrichtung fliesst nur ein geringer Strom I S, der den winzigen Strom I D von diffundierenden Ladungsträgern aufwiegt. Mehr freie Elektronen bzw. Löcher in p bzw. n Zone vergrössern die Rekombination. Die Sperrschicht verbreitert sich, eine Spannung V R baut sich auf. Die Diode sperrt. Halbleiter, 13

14 Leitender Halbleiter E + + Bounded charges decrease Bei Anregen mit einem Strom I in Flussrichtung fliesst ein Strom I D, der Diffusion an Ladungsträgern verstärkt, d.h. viele freie Elektronen bzw. Löcher in n bzw. p Zone überschwemmen die Sperrschicht. Die Sperrschicht baut sich ab, eine kleine Flussspannung V entsteht. Die Diode leitet. Halbleiter, 14

15 Halbleiterbezeichnungen + Löcher in der pregion und Elektronen in der nregion heissen Majoritätsträger Elektronen in der pregion und Löcher in der nregion heissen Minoritätsträger Durch den Abbau der Sperrspannung werden Minoritätsträger leichter über die ladungsfreie Zone diffundieren und dort mit den Majoritätsträgern rekombinieren. Ein dauerhafter Strom I D fliesst um das Ladungsgleichgewicht zu erhalten. Halbleiter, 15

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