pn-Übergang bei Halbleitern

Die Anzahl der freien Elektronen in einem Werkstoff bestimmt darüber, wie gut der Werkstoff den elektrischen Strom leitet. Bei Halbleitern ist die Zahl der freien Elektronen abhängig vom Zustand. Bei Wärme und Licht sind mehr freie Elektronen verfügbar als bei niedrigen Temperaturen. Durch gezielte Dotierung von Halbleitern mit Fremdatomen lässt sich die elektrische Leitfähigkeit erheblich steigern. Durch p-Dotierung erhält der Werkstoff ortsfeste negative Ionen und einen Überschuss an Löchern. Durch n-Dotierung erhält der Werkstoff ortsfeste positive Ionen und einen Überschuss an freien Elektronen, die von den Valenzelektronen gebildet werden. Atome werden Ione genannt, wenn die Anzahl der Elektronen sich von der Anzahl der Protonen unterscheidet.

Viele Bauelemente enthalten n-dotierte und p-dotierte Halbleiter, die zusammengefügt werden, z.B. Halbleiterdioden, Sperrschichtfeldeffekt-Transistoren, bipolare Transistoren etc. Fügt man einen n-Leiter und p-Leiter zusammen, kommt dem grenznahen Bereich zwischen den beiden Leitern eine besondere Bedeutung zu, den man pn-Übergang nennt. Das Verhalten am pn-Übergang ist unterschiedlich und hängt davon ab, ob eine elektrische Spannung anliegt und im Falle einer elektrischen Spannung, ob das Minuspol am n-Leiter anliegt und das Pluspol am p-Leiter oder umgekehrt. Das Verhalten in allen drei Fällen wird nachfolgend erläutert.

Verhalten beim pn-Übergang ohne elektrische Spannung

Zunächst sind n-und p-Leiter elektrisch neutral. Im n-Leiter sind zwar positive Ionen, diese werden jedoch durch freie Elektronen ausgeglichen. Ähnlich verhält es sich mit dem p-Leiter, nur umgekehrt. Im p-Leiter sind negative Ionen, die durch die Löcher ausgeglichen werden. Verbindet man einen n-Leiter mit einem p-Leiter, ohne dass dabei eine elektrische Spannung anliegt, wandern in der Grenzregion die freien Elektronen vom n-Leiter zum p-Leiter und besetzen die Löcher. Dadurch wandern vom p-Leiter wiederum Löcher in den grenznahen Bereich des n-Leiters und werden dort von Elektronen besetzt. Dieser Vorgang wird Rekombination genannt. Da während des Vorgangs elektrische Ladungen bewegt werden, fließt ein Diffusionsstrom. Der Diffusionsstrom hält so lange an, bis im grenznahen Bereich wenig bzw. keine freien Elektronen und Löcher mehr vorhanden sind. Am pn-Übergang entsteht gleichzeitig eine hochohmige Sperrschicht, die aufgrund fehlender freier Elektronen elektrisch nicht leitend ist.

Die Sperrschicht entsteht, weil im grenznahen Bereich die negativen Ionen im p-Leiter nicht mehr durch Löcher neutralisiert werden können, da die Löcher durch Elektronen vom n-Leiter besetzt werden. Auch die positiven Ionen im grenznahen Bereich des n-Leiters können nicht durch freie Elektronen neutralisiert werden, da diese die Löcher im p-Leiter besetzen und nicht mehr zur Verfügung stehen. So entsteht eine Situation, in der keine weiteren Elektronen in den p-Leiter oder Löcher in den n-Leiter wandern können.

Denn, sobald ein Elektron in den grenznahen Bereich des p-Leiters wandert, wird er von den negativen Ionen abgestoßen, die sich dort befinden, da gleichartige Ladungen sich abstoßen. Ähnlich verhält es sich mit den Löchern. Sobald diese in den grenznahen Bereich des n-Leiters wandern, werden sie von den positiven Ionen abgestoßen. So wird verhindert, dass die übrigen Elektronen in den p-Leiter wandern und Löcher in den n-Leiter und die Sperrschicht entsteht. Diese Kraft wird auch Antidiffusionsspannung genannt, da sie dem Diffusionsstrom entgegen wirkt. Sofern keine elektrische Spannung anliegt, herrscht zwischen Antidiffusionsspannung und Diffusionsstrom ein Gleichgewicht, so dass sich in der Sperrschicht ein elektrisches Feld bildet.

Verhalten, wenn eine elektrische Spannung anliegt (Durchlasspolung)

Wird der n-Leiter an den Minuspol und der p-Leiter an den Pluspol angeschlossen, wird die Halbleiterdiode in einen Durchlasszustand gebracht. Die Elektronen können sich vom Minuspol über den p-Leiter Richtung Pluspol bewegen, sobald die elektrische Spannung hoch genug ist.

Liegt eine elektrische Spannung an, drücken die Elektronen im n-Leiter gegen die Sperrschicht, so dass die Sperrschicht immer kleiner wird. Gleichzeitig wandern die Elektronen im p-Leiter Richtung Pluspol, wodurch im n-Leiter Löcher entstehen und das hat zur Folge, dass auch die Sperrschicht im p-Leiter immer kleiner wird. Bei Silizium-Halbleitern wird ab einer Spannung von ca. 0,6 Volt die Sperrschicht praktisch aufgehoben und die Elektronen können fließen. Die Spannung, ab der ein elektrischer Strom fließen kann, wird Schwellspannung genannt.

Umpolung der Spannung auf Sperrpolung

Vertauscht man bei der elektrischen Spannung Plus- und Minuspol, so dass das Minuspol am p-Leiter anliegt und das Pluspol am n-Leiter, entsteht eine größere Sperrschicht, so dass die Halbleiterdiode für den elektrischen Strom gesperrt wird.

Wenn Elektronen im n-Leiter weg von der Sperrschicht bewegt werden, dann vergrößert sich der Bereich, in dem die positiven Ionen nicht mehr durch Elektronen neutralisiert werden können. Der Sperrbereich wird deshalb größer. Im p-Leiter bewegen sich die Elektronen Richtung Pluspol, können die Sperrschicht jedoch nicht überwinden, da sie von den negativen Ionen abgestoßen werden. Stattdessen belegen sie immer mehr Löcher, wodurch der Bereich größer wird, in dem die negativen Ionen nicht mehr durch Löcher ausgeglichen werden können. Dadurch wird in beiden Leitern die Sperrschicht breiter. Bei Sperrpolung ist die Sperrschicht breiter, je höher die elektrische Spannung ist.

Mit dem pn-Übergang wird deutlich, welch eine wichtige Rolle die Dotierung bei der Nutzung von Halbleitern hat. Ohne Dotierung könnte sich keine Sperrschicht bilden und man könnte den Strom deshalb nicht nur in eine Richtung leiten. Die Möglichkeit, die elektrische Leitfähigkeit durch die elektrische Spannung sehr einfach zu verändern und den Strom nur in eine Richtung zu leiten, ist für Bauteile aus Halbleitern von grundlegender Bedeutung. So können z.B. Dioden aus Halbleitern hergestellt werden, die früher mit der Röhrentechnik hergestellt wurden.