Stromleitung in Halbleitern

Halbleiterwerkstoffe

Halbleiter haben einen spezifischen Leitwert zwischen Leitern (Metallen) und Nichtleitern (Isolatoren). Die wichtigsten Elemente sind:

  • Silizium (Si)
  • Germanium (Ge)
  • Selen (Se)
Die reinen Halbleiter besitzen ein kristallines Atomgitter (siehe FK-Buch S165), jedes Atom besitzt vier Nachbaratome.

Atomgitter Silizium

Reine Halbleiter sind vierwertig, d.h. ein Atom hat vier Valenzelektronen in der äußeren Schale, mit der jeweils ein Nachbaratom gebunden wird. Es gibt auch Stoffe, die 3- oder 5-wertig sind (Al, P).

Silizium Atom

Eigenleitung

Durch Erwärmung lösen sich Atombindungen und es entstehen freie Elektronen. Der Widerstand von Halbleitern sinkt stark mit steigender Temperatur (Temperaturdrift).

Störstellenleitung

Silizium Kristall p-dotiert n-leitendes Material:
der Halbleiterkristall wird mit 5-wertigen P-Atomen dotiert (Phosphor)
n-Leiter besitzen freie Elektronen (senden sie aus = Donator);
je mehr desto stärker sie dotiert sind (dotieren = mit Störstellen oder Fremdatomen versehen);
Silizium Kristall n-dotiert p-leitendes Material:
der Halbleiterkristall wird mit 3-wertigen Al-Atomen dotiert (Aluminium)
p-Leiter besitzen Löcher (können Elektronen aufnehmen = Akzeptoren)

Die Sperrschicht (oder der p-n-Übergang)

Sperrschicht

Die Berührungsstelle einer p- bzw. n-Schicht heißt Sperrschicht. Die Löcher in der Nähe des Übergangs werden mit Elektronen gefüllt - sie ist neutral (isolierend).

Die Sperrschicht entsteht durch Rekombination (Ladungsausgleich von Löchern & Elektronen).

In der Sperrschicht herrscht auch ein elektrisches Feld F = U x d das nur durch eine entsprechende Spannung (Schleusenspannung US) durchbrochen werden kann.

In der Sperrschicht liegt das "Geheimnis" die Steuerbarkeit der "Aktiven Bauteile". Ihre Eigenschaften (Durchlässigkeit für freie Ladungsträger) kann "manipuliert" werden.

Diode

Diodenkennlinie

Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement mit zwei Schichten. Sie ist praktisch ein reiner p-n-Übergang mit elektrischem Anschluss.

Bei entsprechender Polung

  • + an K, - an A sperrt sie
  • + an A, - an K leitet sie
jeweils nach dem Erreichen der Schleusenspannung US.

Solarzelle

Sie ist ebenfalls ein p-n-Übergang aber mit großer Oberfläche. Die Sperrschicht ist dabei möglichst nahe dieser Oberfläche. Beim Eindringen von Fotonen in die Sperrschicht gelangen auch freie Ladungsträger in die sonst ladungsfreie Zone. Die Schleusenspannung bleibt als praktischer Anstoßeffekt für die Ladungsträger erhalten. Bei geschlossenem Stromkreis werden nun die Ladungsträger, welche durch die Lichtstrahlen in der Sperrschicht "platziert" worden sind, in Folge der Schleusenspannung (Elektrische Feldstärke) in den Stromkreis "gedrückt".

Solarzelle Kennlinie

Dreischichtdiode

Der Diac (Diode Alternaticng Current) hat zwei p-n-Übergänge, von denen einer immer sperrt.

Bei Überschreitung der Zündspannung (ca. 30V) leitet das Bauteil.

Bei Anschluss an Wechselspannung entstehen bei jeder Halbwelle Stromimpulse. Der Diac dient zur Ansteuerung von Thyristoren und Triacs.

Diac Kennlinie