Physikalische Grundlagen von Halbleiter, pn-Übergang, Dioden

In der Elektrotechnik gibt es drei verschiedene Werkstoffe der Elektrotechnik. Es gibt Leiter, Nichtleiter und Halbleiter.

Im ersten Teil des sechsten Tutorials von mg-spots.de wird die Herstellung und Funktionsweise näher erläutert.
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Die Leitfähigkeit eines Materials ist abhängig von den Valenzelektronen. Valenzelektronen sind die Elektronen auf der äußerten Schale eines Atoms.

In einem Leiter sind diese frei beweglich. Bei den Halbleitern ist eine geringe Energiezufuhr notwendig ist, damit sich die Valenzelektronen in Bewegung setzen. Bei einem Nichtleiter können sich Valenzelektronen nicht bewegen. Es wäre eine so hohe Energiezufuhr nötig, dass dieser in der Regel zerstört werden würde.>

Halbleiterkristalle

In der Halbleitertechnik wird auch häufig das Kristallgitter vorkommen. Dabei handelt es sich um Kristalle (Atome oder Moleküle), die sich absolut regelmäßig wie eine Art Gitter aneinander befinden. Ein Beispiel dafür ist das Silizium-Kristall.
Es handelt sich dabei um eines der am häufigsten verwendeten Halbleiter-Werkstoff. Dabei hat ein Silizium-Atom genau vier Nachbaratome.
Der Zusammenhalt des Gitters wird durch die Ionenpaarbindung gewährleistet. Wie bereits erläutert, besitzt das Silizium-Atom vier Nachbaratome.
Es holt sich also von jedem weiteren Atom ein Elektron. Auf der äußersten Schale befinden sich nur vier Valenzelektronen (4-wertig). Eine Schale ist jedoch erst dann vollständig „besetzt“, wenn diese acht Elektronen besitzt. Somit holt es sich (teilt sich) jeweils ein Elektron vom Nachbaratom und ist mit vier Nachbarelektronen vollständig besetzt. Dies nennt man Ionenpaarbindung.

Eigenleitfähigkeit und Stromleitung von Halbleiterkristallen

Bei entsprechender Zufuhr von Energie (Licht, Wärme, usw.) können sich Elektronen von den Ionenpaarbindungen lösen und sich innerhalb des Kristallgitters „frei“ bewegen. Dort wo sich das Valenzelektron gelöst hat, ist ein „Loch“ entstanden, welches positiv geladen ist. Je mehr Energie zugeführt wird, desto mehr Elektronen können sich „frei“ bewegen. Man spricht hierbei von elektrischer Leitfähigkeit und man hat „Strom erzeugt“.
Würde man nun an einen Halbleiterkristall eine Gleichspannung anlegen, würden die Elektronen eine gerichtete Bewegung auslösen und Strom würde fließen. Die Elektronen würden sich vom Minus-Pol zum Plus-Pol bewegen und die „Löcher“ vom Plus-Pol zum Minus-Pol.

Dotierung, Störstellen-Leitfähigkeit

Bisher haben wir von Halbleitern und Halbleiterkristallen in Form eines Kristallgitters gesprochen. Ein reiner Halbleiterstoff ist mit seinen Eigenschaften für den Bau von Diode, Transistoren und andern Bauteilen ungeeignet. Geändert werden kann dies durch eine Dotierung. Dabei wird der Halbleiterwerkstoff gezielt „verunreinigt“ und erhält so eine bessere Leitfähigkeit. Der Anteil der Fremdatome ist dabei jedoch enorm gering.

Für die Dotierung gibt es zwei Möglichkeiten. Es gib die p-Dotierung, dabei sind die Fremdatome 3-wertig und haben drei Valenzelektronen und können somit nur mit drei Silizium-Atomen eine Bindung eingehen und somit entsteht ein „Loch“ und ein freies Valenzelektronen. Bei der n-Dotierung ist ein Fremdatom 5-wertig. Bei der p-Dotierung sind die Löcher = Majoritätsträger und Elektronen = Minoritätsträger. Bei der n-Dotierung sind die Löcher = Minoritätsträger und die Elektronen = Majoritätsträger.
Mit einer Dotierung erreicht man eine wesentlich höhere Leitfähigkeit und eine größer Temperatur-Unabhängigkeit der Gesamtleitfähigkeit. Ohne die zwei verschiedenen Arten der Leitfähigkeit wären pn-Übergange (Dioden und Transistoren) nicht möglich.
Bei einem pn-Übergang wird eine Diffusion von p-Dotierungen und n-Dotierungen durchgeführt. In einem Halbleiter können also beide Dotierungen vorhanden sein. Nach der Diffusion sind die positiven und die negativen Ladungsträger getrennt. In der Mitte befindet sich eine Sperrschicht und darin sind keine freien Ladungsträger. Die Ladungsträger befinden sich jeweils auf einer Seite. Auf der einen Seite die positiven und auf der anderen Seite die negativen Ladungsträger.
Wird an diesen Halbleiter nun eine Spannungsquelle angeschlossen und der positive Pol an die Anode (+) und der negative Pol an die Kathode (-) des Halbleiters, die Sperrschicht wird kleiner und bei 0,7 Volt fließt ein Strom.
Schließt man die Anode an den negativen Pol und die Kathode an den positiven Pol der Spannungsquelle, so fließt kein Strom. In diesem Fall sprechen wir von einer Diode. Je nachdem wie sie in einer Schaltung angeschlossen wird, sperrt sie den Strom oder lässt ihn durch.

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