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Werner Tursky, 2008/9 2. Der pn-Übergang 2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld Rekombination und Raumladungszone 1 Werner Tursky, 2008/9 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 2 Werner Tursky, 2008/9 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. Werner Tursky, 2008/9 2. Der pn-Übergang 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld Durchlassrichtung und Sperrrichtung 4 Werner Tursky, 2008/9 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 5 Werner Tursky, 2008/9 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 6 Werner Tursky, 2008/9 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 7 Werner Tursky, 2008/9 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 8 Werner Tursky, 2008/9 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 9 Werner Tursky, 2008/9 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
