Elektrizitätsleitung in Halbleitern

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1 Elektrizitätsleitung in Halbleitern Halbleiter sind chemische Elemente, die elektrischen Strom schlecht leiten. Germanium, Silicium und Selen sind die technisch wichtigsten Halbleiterelemente; aber auch Bor, Kohlenstoff in der Diamantmodifikation und Tellur sowie einige Verbindungen chemischer Elemente. Leitfähigkeit von Halbleitern - Eigenleitung Ein Halbleiter ist wie die meisten Festkörper aus kleinen Kristallen aufgebaut (Kristallgitter). Ein Germanium-Atom und ein Silicium-Atom haben jeweils vier Außenelektronen (Valenzelektronen) in der äußersten Schale ihrer Atomhülle. Jedes dieser Valenzelektronen bildet mit einem Außenelektron eines Nachbaratoms ein Elektronenpaar; jedes Atom ist also über eine Elektronenpaarbindung mit vier benachbarten Atomen verbunden. Bei dieser Bindung werden alle Elektronen der äußeren Schale benötigt; es sind also keine freien Elektronen vorhanden (allerdings nur bei T 0 K). Ge-Kristall 2-dimensional Durch Zufuhr von Energie in Form von Wärme (thermische Anregung) oder Licht (optische Anregung) werden gebundene Valenzelektronen aus ihren Bindungen zwischen den Atomen herausgelöst. Diese Elektronen bewegen sich dann als Leitungselektronen frei im Kristallgitter. Dort, wo aus einem Valenzelektron ein Leitungselektron entstanden ist, bleibt ein elektrisch positiv geladenes Gitter-Ion zurück. Die elektrisch positive Ladung, die durch das Fehlen des Valenzelektrons hervorgerufen wird, nennt man Defektelektron oder Loch. Leitungselektron und Loch entstehen stets paarweise, sodass genauso viele Löcher wie Leitungselektronen vorhanden sind (Paarbildung). Trifft ein Leitungselektron auf ein Loch und wird es vom zugehörigen elektrisch positiv geladenen Atomrumpf eingefangen, so sind Leitungselektron und Loch wieder verschwunden (Rekombination). In einem Halbleiter entstehen ständig Leitungselektronen und Löcher, indem sich Valenzelektronen aus den Elektronenpaarbindungen lösen. Sie verschwinden auch ständig wieder durch Rekombination. Bei einer bestimmten Temperatur bleibt jedoch die Anzahl der Leitungselektronen und der Löcher im Mittel konstant, sodass der Halbleiter eine für die betreffende Temperatur charakteristische spezifische Leitfähigkeit bzw. einen charakteristischen spezifischen Widerstand besitzt.

2 Legt man an einen Halbleiter eine elektrische Gleichspannung an, so entsteht ein elektrisches Feld. Auf die Leitungselektronen werden folglich Kräfte ausgeübt, die sie entgegen der Feldrichtung zum elektrischen Pluspol der Spannungsquelle treiben. Den so entstehenden Elektronenstrom nennt man n-leitung = Leitung elektrisch negativer Ladungsträger. Im Unterschied zum Stromfluss in metallischen Leitern kommt in Halbleitern noch der Löcherstrom hinzu: Jedes Loch übt anziehende Kräfte auf benachbarte Valenzelektronen aus. Infolge des elektrischen Feldes werden Valenzelektronen aus ihren Bindungen gerissen und rekombinieren mit Löchern, die dem Pluspol näher liegen. Gleichzeitig hinterlässt dieses Valenzelektron ein neues Loch, das näher beim Minuspol der Spannungsquelle liegt: Das Loch ist gewandert, von einem Atom zum anderen. Den so entstandenen Löcherstrom nennt man p-leitung = Leitung elektrisch positiver Ladungsträger. Die Spannungsquelle nimmt am Pluspol Leitungselektronen vom Halbleiter auf und sorgt so für neue Löcher. Am Minuspol gibt sie Elektronen zur Neutralisation von Löchern ab. Der elektrische Strom in reinen Halbleitern wird also durch den Elektronen- und den Löcherstrom verursacht Das Phänomen, dass reine Halbleiter elektrischen Strom leiten heißt Eigenleitung. Da die Leitfähigkeit von Halbleitern mit der Zufuhr thermischer Energie (Wärme) oder optischer Energie (Licht) steigt, werden Halbleitermaterialien für die Herstellung von Widerständen verwendet, deren elektrischer Widerstand von äußeren Gegebenheiten abhängt.

3 ϑ NTC-Widerstand oder Heißleiter Schaltsymbol: Ein Widerstand, dessen Wert bei steigender Temperatur abnimmt, heißt Heißleiter oder NTC-Widerstand (Negative-Temperature-Coefficient). Verwendung: z.b. Temperaturregelung LDR-Widerstand oder Photo-Widerstand Schaltsymbol: Ein Widerstand, dessen Wert bei steigender Lichteinstrahlung sinkt, heißt Photowiderstand oder LDR-Widerstand (Light-Dependent-Resistance). Verwendung: z.b. Lichtschranke Dotierung von Halbleitern Die Anzahl der freien Elektronen bzw. der Löcher steigt beträchtlich, wenn man den Halbleiter dotiert (von lat. dotare = ausstatten). Bei der Dotierung wird das Halbleitermaterial mit einem Element aus der links oder rechts im PSE folgenden Hauptgruppe absichtlich verunreinigt. Dabei entstehen mehr Löcher (links) (p-dotierung) oder mehr freie Elektronen (rechts) (n-dotierung), weil die Fremdatome nicht genau in das Gitter des Halbleiters passen. Löcher p-dotierung mit In dotiertes Ge freie Elektronen n-dotierung mit Sb dotiertes Ge In dotierten Halbleitern existieren erheblich mehr freie Ladungsträger (Elektronen bzw. Löcher).

4 n-halbleiter Reines Germanium wird mit Arsen dotiert. Dabei trifft auf 108 bis 1016 Germanium Atome nur ein Arsen-Atom, das im Kristallgitter anstelle eines Ge-Atoms dessen Gitterplatz einnimmt (Störstelle). Von den 5 Valenzelektronen des Arsen-Atoms finden nur vier einen Partner zur Elektronenpaarbindungen, das fünfte ist nur lose gebunden und wird bereits bei Zimmertemperatur als Leitungselektron abgegeben. Das Arsen-Atom wird dabei zu einem ortsfesten, elektrisch positiv geladenen Arsen-Ion. Im so genannten n-germanium herrscht also ein Überschuss an frei beweglichen elektrisch negativen Ladungsträgern, die man deshalb auch Majoritätsträger nennt. Fremdatome, die diese Leitungselektronen liefern, heißen Donatoren. p-halbleiter Germanium wird mit 3-wertigem Indium dotiert. Ein Indium-Atom hat nur drei Valenzelektronen, die Elektronenpaarbindungen mit benachbarten Germanium-Atomen eingehen können. Eine Bindung zu einem GermaniumAtom bleibt also zunächst unbesetzt. Ein Indium-Atom hat jedoch die Eigenschaft, Elektronen stärker anzuziehen als ein Germanium-Atom. Deshalb entreißt es im Kristallgitter einem benachbarten Germanium-Atom ein Valenzelektron. Dieses lagert sich dem IndiumAtom an und bildet mit dem ungebundenen Elektron des benachbarten Ge-Atoms ein Elektronenpaar. Das Indium-Atom wird dabei zu einem ortsfesten, elektrisch negativ geladenen Indium-Ion. Auf diese Weise entsteht im Kristallgitter ein Loch. Da durch die Einlagerung dreiwertiger Indium-Atome in den Germaniumkristall nur Löcher entstehen, beträgt die Anzahl der Löcher ein Vielfaches der durch thermische oder optische Anregung entstandenen Leitungselektronen (Minoritätsträger). Die Löcher sind in diesem Fall die Majoritätsträger.

5 p-n Übergang - Halbleiterdiode Verbindet man einen p-und einen n-leiter, so entsteht eine Halbleiterdiode. Auf der n-seite existieren mehr freie Elektronen (Majoritätsträger) und nur wenige durch thermische Energie entstandene Löcher (Minoritätsträger). Auf der p-seite ist es umgekehrt. An den Berührungsflächen diffundieren Leitungselektronen des n-leiters infolge der thermischen Bewegung zum p-leiter. Dort rekombinieren sie mit Löchern. Auf diese Weise entsteht eine dünne Übergangszone (etwa 0,001 mm), in der fast keine beweglichen Ladungsträger mehr vorhanden sind (Verarmungszone). Diese Zone besitzt einen sehr hohen Widerstand. Der Rekombinationsvorgang breitet sich aber nicht ganz über den p- und den n-leiter aus. Aus dem n-leiter sind in Grenznähe Elektronen abgewandert, sodass ortsfeste elektrisch positiv geladene Ionen zurückbleiben (positive Raumladung). Im Grenzgebiet des p-leiters verbleiben infolge der Rekombination der Löcher ortsfeste elektrisch negativ geladene Ionen (negative Raumladung). Es bildet sich so ein elektrisches Feld zwischen den Raumladungen in der Übergangszone, das schließlich eine weitere Diffusion von Majoritätsträgern verhindert.

6 Halbleiterdiode im Stromkreis: Experiment: Eine Halbleiterdiode, ein Glühlämpchen und ein Strommesser werden in Reihe geschaltet. Beobachtung: (1) Das Strommessgerät zeigt keinen Strom an, wenn die n-dotierte Seite am Pluspol und die p-dotierte Seite am Minuspol der Spannungsquelle angeschlossen ist. (2) Es fließt dagegen ein Strom, wenn die n-dotierte Seite mit dem Minuspol, die p-dotierte Seite mit dem Pluspol verbunden ist. Erklärung (1): Liegt die n-dotierte Seite am Pluspol und die p-dotierte am Minuspol einer Spannungsquelle, so wandern Elektronen und Löcher infolge des äußeren elektrischen Feldes jeweils nach außen. Der Pluspol der Spannungsquelle saugt Elektronen ab, der Minuspol hingegen liefert Elektronen nach, die mit den Löchern rekombinieren. Die Löcher wandern zum Minuspol und werden dort abgesaugt". Dadurch verbreitert sich die Übergangszone (Sperrschicht) und der elektrische Widerstand wächst stark an. Es fließt nur noch ein sehr geringer Strom aus Minoritätsträgern. Man sagt: Die Halbleiterdiode ist in Sperrrichtung geschaltet. Erklärung (2): Liegt dagegen die n-dotierte Seite am Minuspol und die p-dotierte Seite am Pluspol an, so wandern die Majoritätsträger infolge des äußeren elektrischen Feldes in die Übergangszone. Der Minuspol liefert Elektronen, die die vorhandenen Leitungselektronen in die Übergangszone schieben", entsprechend saugt der Pluspol Elektronen ab, sodass neue Löcher entstehen, die in die Übergangszone wandern. Dort rekombinieren Löcher und Elektronen. Insgesamt fließt ein Strom: Am Minuspol der Spannungsquelle werden Elektronen abgegeben, am Pluspol aufgenommen. Der p-n-übergang ist leitend geworden. Man sagt: Die Halbleiterdiode ist in Durchlassrichtung geschaltet.

7 MERKE Durchlassrichtung Pluspol am p-leiter, Minuspol am n-leiter Pluspol liefert Löcher, Minuspol liefert Elektronen, die jeweils in die Übergangszone wandern und dort rekombinieren Es fließt ein Strom Der p-n-übergang leitet elektrischen Strom Sperrrichtung Pluspol am n-leiter, Minuspol am p-leiter Elektronen wandern zum Pluspol (weg aus der Grenzschicht), Löcher wandern zum Minuspol (weg aus der Grenzschicht) Verbreiterung der Übergangszone Der Widerstand des p-n Übergangs wächst stark an Durchlassrichtung Schaltzeichen der Halbleiter-Diode Sperrrichtung Kennlinie einer Halbleiterdiode: Experiment: Die Abhängigkeit des Diodenstroms von der angelegten Spannung soll untersucht werden. Die Spannung wird dazu schrittweise von 0 V bis etwa 3 V erhöht. Dann wird umgepolt und die Spannung wird stufenweise von 0 V bis etwa -50 V verändert. Beobachtung: Die Stromstärke steigt ab einer Spannung U 0,3 V (Schleusenspannung oder Schwellenspannung) steil an. Dann beginnt der Durchlassbereich der Diode. Unterhalb der Schleusenspannung und nach der Umpolung ist die Stromstärke praktisch 0 A (Sperrbetrieb). Ab einer bestimmten Spannung in Sperrrichtung schlägt die Diode durch, d.h. es fließt ein Strom in die Sperrrichtung. Die Diode ist dann wahrscheinlich kaputt.

8 Erklärung der Schleusen- oder Schwellenspannung: Beim Betrieb der Diode in Durchlassrichtung sind der Minuspol der Spannungsquelle mit der n-seite und der Pluspol mit der p-seite verbunden. Die äußere Spannung ist also dem elektrischen Feld in der Verarmungszone entgegengesetzt gerichtet. Die freien Ladungsträger müssen dieses elektrische Feld überwinden, um in die Verarmungszone zu kommen. Die äußere Spannung, die nötig ist, um das elektrische Feld in der Verarmungszone gerade abzubauen, heißt Schleusen- oder Schwellenspannung. Ist die äußere Spannung größer als die Schwellenspannung, so steigt die Stromstärke stark an. (siehe auch AP 1997 B)