[GM] 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- und n-Schicht heißt Sperrschicht. In der p-Schicht befinden sich Löcher (Platz für ein Elektron) in der n-Schicht befinden sich freie Elektronen.

Die Löcher in der Nähe des Übergangs werden mit freien Elektronen gefüllt, damit wird sie elektrisch neutral (isolierend). So bilden sich sogenannte Elektronen-Loch-Paare.

Die Sperrschicht entsteht durch Rekombination = Ladungsausgleich von Löchern & Elektronen.

  1. In der Sperrschicht herrscht auch ein elektrisches Feld F = U x d das nur durch eine entsprechende Spannung (Schleusenspannung US) durchbrochen werden kann.
  2. Dieses Elektrische Feld stellt das WesenElektrische Felder üben ja Kräfte auf die Elektronen aus und ihre Stärke zwischen den Halbleiterschichten kann eben durch angelegte Spannungen oder fließende Ströme gesteuert werden. der Aktiven Bauelemente dar.



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

Solarzelle Kennlinie

Sie ist ebenfalls ein p-n-Übergang aber mit großer Oberfläche.

Die Sperrschicht liegt möglichst nahe der Oberfläche. Beim Eindringen von Fotonen in die Sperrschicht werden die Elektronen-Lochpaare angeregt, und setzten dort gebundene Elektronen wieder frei.

Die Schleusenspannung US spielt nun den Anstoßeffekt für die Ladungsträger. Bei geschlossenem Stromkreis werden die freien Ladungsträger in Folge der Schleusenspannung in den Stromkreis "gedrückt".

Bildlich gesprochen rutscht also die Diodenkennlinie in Richtung Sperrstrom.






Dreischichtdiode

Diac Kennlinie

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

Bei Überschreitung der Zündspannung (ca. 30V) leitet das Bauteil ebenfalls in beide Richtungen. (die Kennlinie wird sehr steil)

Bei Anschluss an Wechselspannung entsteht bei jeder Halbwelle ein Stromimpuls. Der Diac dient zur Ansteuerung von Thyristoren und Triacs bei elektronischen Dimmerschaltungen zum Beispiel.






Vierschichtdiode

Kennlinie der Thyristordiode

Die Thyristordiode hat drei p-n-Übergänge, von denen mindestens einer solange sperrt bis die Zündspannung (ca. 30V) überschritten wird. Jetzt leitet das Bauteil, wobei der Spannungsabfall am Bauteil auf die normale Schleusenspannung US eines p-n-Übergangs (siehe strichlierte Linie) einbricht. Umgekehrt sperrt dass Bauteil.

Bei Anschluss an Wechselspannung entstehen bei jeder positiven Halbwelle Stromimpulse. Das Bauteile dient zur Ansteuerung von Thyristoren.