Werner Tursky, 2008/9
2. Der pn-Übergang
2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld
Rekombination und Raumladungszone
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2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld
n-dotiertes Si
P
Die Grenze zwischen ndotiertem und p-dotiertem
Silizium nennt man
pn-Übergang.
P
P
P
P
P
P
P
P
positive Ladung
feste
Ladungen
bewegliche
Ladungen
P
PhosphorAtom
Loch
negative Ladung
B
BorAtom
Elektron
p-dotiertes Si
pn-Übergang
B
B
B
B
B
B
B
B
B
Das Grundgitter
aus Si-Atomen ist
nicht gezeichnet
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2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld
Raumladungszone
n-dotiertes Si
P
P
P
P
P
P
P
P
B
B
B
B
B
B
B
B
Feld
P
P
P
pn-Übergang
P
P
p-dotiertes Si
In der Nähe des
pn-Überganges
diffundieren
Elektronen und
Löcher in
Richtung
geringerer
Konzentration und
rekombinieren.
P
P
P
P
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
Es entsteht eine Zone ohne freie Ladungsträger (Raumladungszone), in
der ein elektrisches Feld herrscht, hervorgerufen durch die unbeweglichen
geladenen Atome.
Der Rekombinationsprozess wird durch dieses Feld gestoppt.
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2. Der pn-Übergang
2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld
Durchlassrichtung und Sperrrichtung
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2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld
_
angelegt
P
P
P
P
P
p-dotiertes Si
P
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
es fließt
kein Strom
B
B
Spannung
B
B
+
es fließt
Strom
B
B
B
B
B
B
P
B
B
B
B
P
P
B
B
P
P
B
0,7 V
P
P
P
0,7 V
P
1000 V
P
P
P
P
P
P
P
P
B
P
P
P
P
P
Strom- Spannungs-Kennlinie
eines pn- Überganges
(Diodenkennlinie)
P
P
P
P
B
+
P
P
P
P
Blockierrichtung
Sperrrichtung
Strom
n-dotiertes Si
keine äußere
Flussrichtung
Durchlassrichtung Spannung
_
B
Sperrrichtung
Durchlassrichtung
es fließt der sehr
kleine Sperrstrom
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2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld
Zusammenfassung: Der pn-Übergang bei angelegter Spannung
Polung der
Spannung
Flussrichtung
negativer Pol am
(Durchlassrichtung)
n-Silizium
keine angelegte
Spannung
Stromfluss Raumladungszone
ja
keine
Raumladungszone
---
nein
schmal
Blockierrichtung
positiver Pol am
(Sperrrichtung)
n-Silizium
nur
Sperrstrom
breit
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2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld
+
Woher kommt der Sperrstrom?
P
Der Sperrstrom entsteht ausschließlich in
der Raumladungszone, das übrige Silizium
ist praktisch frei von elektrischen Feldern.
P
1000 V
P
P
P
Strom
Der Sperrstrom ist der bei anliegender
Sperrspannung fließende Strom. Schon
bei wenigen Volt Sperrspannung erreicht er einen nahezu konstanten Wert,
der erst knapp vor der Durchbruchspannung ansteigt.
P
P
P
P
P
P
P
B
B
B
B
B
B
B
B
B
Spannung
B
B
_
B
Quellen des Sperrstroms:
- thermische Generation von Ladungsträgern
- optischen Generation von Ladungsträgern
(Photovoltaik, Solarzellen)
Kennlinie in
Sperrrichtung
Der Anstieg des Sperrstroms vor dem Durchbruch (nahe der
Grenze der Sperrfähigkeit) wird verursacht durch:
- Zener-Effekt
- Avalanche-Effekt
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2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld
SEMIPACK 2 (SKKT 162):
Sperrströme bei
Bestrahlung mit
IR- Licht.
3 verschiedene weiße
Gehäusematerialien,
angelegte Spannung bis
250 V.
Sperrstrom
Optische Generation
von Ladungsträgern
Vestodur
Ultradur
Noryl
Schon bei kleinen Spannungen
stellt sich ein Sperrstrom ein,
der bei Spannungserhöhung
konstant bleibt
V
angelegte Sperrspannung
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2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld
Sperrstrom
Optische und AvalancheGeneration von
Ladungsträgern
SEMIPACK 2 (SKKT 162):
Sperrströme bei
Bestrahlung mit
Vestodur
IR- Licht.
Ultradur
3 verschiedene weiße
Noryl
Gehäusematerialien,
angelegte Spannung bis
2000 V.
Bei hohen Sperrspannungen
wird die Zahl der optisch
generierten Ladungsträger
durch Avalanchemultiplikation
erhöht.
V
angelegte Sperrspannung
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2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld
ohne Feld
mit Feld
Zener - Effekt
Bei extrem starken Feldern in der Raumladungszone zerrt
das Feld so stark an den Elektronen, dass sie ab einer
bestimmten Spannung (Zenerspannung) aus ihren
Bindungen gerissen werden. Der Sperrstrom steigt
dadurch steil an. Der Zener – Effekt tritt nur bei sehr
hoher Dotierung des Siliziums auf.
Avalanche – Effekt (Avalanche = Lawine)
Wenn das elektrische Feld hoch genug ist, werden freie
Ladungsträger in der Raumladungszone so stark beschleunigt, dass ihre Energie ausreicht, um andere
Elektronen durch Stoß aus ihren Bindungen herauszureißen (Stoßionisation).
Diese neuen Elektronen und die gleichzeitig entstehenden Löcher werden ebenfalls beschleunigt und erzeugen selbst wieder neue freie Ladungsträger durch
Stoßionisation.
Die Zahl der feien Ladungsträger vermehrt sich dadurch
lawinenartig, der Sperrstrom steigt steil an (Lawinendurchbruch).
elektr. Feld
elektr. Feld
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