Elektrizitätsleitung in Halbleitern

Elektrizitätsleitung in Halbleitern
Halbleiter sind chemische Elemente, die elektrischen Strom schlecht leiten. Germanium,
Silicium und Selen sind die technisch wichtigsten Halbleiterelemente; aber auch Bor,
Kohlenstoff in der Diamantmodifikation und Tellur sowie einige Verbindungen chemischer
Elemente.
Leitfähigkeit von Halbleitern - Eigenleitung
Ein Halbleiter ist wie die meisten Festkörper aus kleinen Kristallen aufgebaut (Kristallgitter).
Ein Germanium-Atom und ein Silicium-Atom haben jeweils vier Außenelektronen
(Valenzelektronen) in der äußersten Schale ihrer Atomhülle. Jedes dieser Valenzelektronen
bildet mit einem Außenelektron eines Nachbaratoms ein Elektronenpaar; jedes Atom ist also
über eine Elektronenpaarbindung mit vier benachbarten Atomen verbunden.
Bei dieser Bindung werden alle Elektronen der äußeren Schale benötigt; es sind also keine
freien Elektronen vorhanden (allerdings nur bei T ≈ 0 K).
Ge-Kristall
2-dimensional
Durch Zufuhr von Energie in Form von Wärme (thermische Anregung) oder Licht (optische
Anregung) werden gebundene Valenzelektronen aus ihren Bindungen zwischen den Atomen
herausgelöst. Diese Elektronen bewegen sich dann als Leitungselektronen frei im
Kristallgitter.
Dort, wo aus einem Valenzelektron ein Leitungselektron entstanden ist, bleibt ein elektrisch
positiv geladenes Gitter-Ion zurück. Die elektrisch positive Ladung, die durch das Fehlen des
Valenzelektrons hervorgerufen wird, nennt man Defektelektron oder Loch.
Leitungselektron und Loch entstehen stets paarweise, sodass genauso viele Löcher wie
Leitungselektronen vorhanden sind (Paarbildung).
Trifft ein Leitungselektron auf ein Loch und wird es vom zugehörigen elektrisch positiv
geladenen Atomrumpf eingefangen, so sind Leitungselektron und Loch wieder
verschwunden (Rekombination).
In einem Halbleiter entstehen ständig Leitungselektronen und Löcher, indem sich
Valenzelektronen aus den Elektronenpaarbindungen lösen. Sie verschwinden auch ständig
wieder durch Rekombination.
Bei einer bestimmten Temperatur bleibt jedoch die Anzahl der Leitungselektronen und der
Löcher im Mittel konstant, sodass der Halbleiter eine für die betreffende Temperatur
charakteristische spezifische Leitfähigkeit bzw. einen charakteristischen spezifischen
Widerstand besitzt.
Legt man an einen Halbleiter eine elektrische Gleichspannung an, so entsteht ein
elektrisches Feld. Auf die Leitungselektronen werden folglich Kräfte ausgeübt, die sie
entgegen der Feldrichtung zum elektrischen Pluspol der Spannungsquelle treiben.
Den so entstehenden Elektronenstrom nennt man n-Leitung = Leitung elektrisch negativer
Ladungsträger.
Im Unterschied zum Stromfluss in metallischen Leitern kommt in Halbleitern noch der
Löcherstrom hinzu:
Jedes Loch übt anziehende Kräfte auf benachbarte Valenzelektronen aus. Infolge des
elektrischen Feldes werden Valenzelektronen aus ihren Bindungen gerissen und
rekombinieren mit Löchern, die dem Pluspol näher liegen. Gleichzeitig hinterlässt dieses
Valenzelektron ein neues Loch, das näher beim Minuspol der Spannungsquelle liegt: Das
Loch ist gewandert, von einem Atom zum anderen.
Den so entstandenen Löcherstrom nennt man p-Leitung = Leitung elektrisch positiver
Ladungsträger.
Die Spannungsquelle nimmt am Pluspol Leitungselektronen vom Halbleiter auf und sorgt so
für neue Löcher. Am Minuspol gibt sie Elektronen zur Neutralisation von Löchern ab.
Der elektrische Strom in reinen Halbleitern wird also durch den Elektronen- und den
Löcherstrom verursacht
Das Phänomen, dass reine Halbleiter elektrischen Strom leiten heißt Eigenleitung.
Da die Leitfähigkeit von Halbleitern mit der Zufuhr thermischer Energie (Wärme) oder
optischer Energie (Licht) steigt, werden Halbleitermaterialien für die Herstellung von
Widerständen verwendet, deren elektrischer Widerstand von äußeren Gegebenheiten
abhängt.
ϑ
NTC-Widerstand oder Heißleiter
Schaltsymbol:
Ein Widerstand, dessen Wert bei steigender Temperatur abnimmt, heißt Heißleiter oder
NTC-Widerstand (Negative-Temperature-Coefficient). Verwendung: z.B. Temperaturregelung
LDR-Widerstand oder Photo-Widerstand
Schaltsymbol:
Ein Widerstand, dessen Wert bei steigender Lichteinstrahlung sinkt, heißt Photowiderstand
oder LDR-Widerstand (Light-Dependent-Resistance). Verwendung: z.B. Lichtschranke
Dotierung von Halbleitern
Die Anzahl der freien Elektronen bzw. der Löcher steigt beträchtlich, wenn man den
Halbleiter dotiert (von lat. dotare = ausstatten).
Bei der Dotierung wird das Halbleitermaterial mit einem Element aus der links oder rechts
im PSE folgenden Hauptgruppe absichtlich verunreinigt. Dabei entstehen mehr Löcher (links)
(p-Dotierung) oder mehr freie Elektronen (rechts) (n-Dotierung), weil die Fremdatome nicht
genau in das Gitter des Halbleiters passen.
Löcher
p-Dotierung
mit In dotiertes Ge
freie Elektronen
n-Dotierung
mit Sb dotiertes Ge
In dotierten Halbleitern existieren erheblich mehr freie Ladungsträger (Elektronen bzw.
Löcher).
n-Halbleiter
Reines Germanium wird mit Arsen dotiert. Dabei trifft auf 108 bis 1016 Germanium Atome nur
ein Arsen-Atom, das im Kristallgitter anstelle eines Ge-Atoms dessen Gitterplatz einnimmt
(Störstelle).
Von den 5 Valenzelektronen des Arsen-Atoms finden nur vier einen Partner zur
Elektronenpaarbindungen, das fünfte ist nur lose gebunden und wird bereits bei
Zimmertemperatur als Leitungselektron abgegeben. Das Arsen-Atom wird dabei zu einem
ortsfesten, elektrisch positiv geladenen Arsen-Ion.
Im so genannten n-Germanium herrscht also ein Überschuss an frei beweglichen elektrisch
negativen Ladungsträgern, die man deshalb auch Majoritätsträger nennt. Fremdatome, die
diese Leitungselektronen liefern, heißen Donatoren.
p-Halbleiter
Germanium wird mit 3-wertigem Indium dotiert.
Ein Indium-Atom hat nur drei Valenzelektronen, die Elektronenpaarbindungen mit
benachbarten Germanium-Atomen eingehen können. Eine Bindung zu einem GermaniumAtom bleibt also zunächst unbesetzt. Ein Indium-Atom hat jedoch die Eigenschaft,
Elektronen stärker anzuziehen als ein Germanium-Atom. Deshalb entreißt es im Kristallgitter
einem benachbarten Germanium-Atom ein Valenzelektron. Dieses lagert sich dem IndiumAtom an und bildet mit dem ungebundenen Elektron des benachbarten Ge-Atoms ein
Elektronenpaar. Das Indium-Atom wird dabei zu einem ortsfesten, elektrisch negativ
geladenen Indium-Ion. Auf diese Weise entsteht im Kristallgitter ein Loch. Da durch die
Einlagerung dreiwertiger Indium-Atome in den Germaniumkristall nur Löcher entstehen,
beträgt die Anzahl der Löcher ein Vielfaches der durch thermische oder optische Anregung
entstandenen Leitungselektronen (Minoritätsträger). Die Löcher sind in diesem Fall die
Majoritätsträger.
p-n Übergang - Halbleiterdiode
Verbindet man einen p-und einen n-Leiter, so entsteht eine Halbleiterdiode.
Auf der n-Seite existieren mehr freie Elektronen (Majoritätsträger) und nur wenige durch
thermische Energie entstandene Löcher (Minoritätsträger).
Auf der p-Seite ist es umgekehrt.
An den Berührungsflächen diffundieren Leitungselektronen des n-Leiters infolge der
thermischen Bewegung zum p-Leiter. Dort rekombinieren sie mit Löchern. Auf diese Weise
entsteht eine dünne Übergangszone (etwa 0,001 mm), in der fast keine beweglichen
Ladungsträger mehr vorhanden sind (Verarmungszone). Diese Zone besitzt einen sehr
hohen Widerstand.
Der Rekombinationsvorgang breitet sich aber nicht ganz über den p- und den n-Leiter aus.
Aus dem n-Leiter sind in Grenznähe Elektronen abgewandert, sodass ortsfeste elektrisch
positiv geladene Ionen zurückbleiben (positive Raumladung).
Im Grenzgebiet des p-Leiters verbleiben infolge der Rekombination der Löcher ortsfeste
elektrisch negativ geladene Ionen (negative Raumladung).
Es bildet sich so ein elektrisches Feld zwischen den Raumladungen in der Übergangszone,
das schließlich eine weitere Diffusion von Majoritätsträgern verhindert.
Halbleiterdiode im Stromkreis:
Experiment:
Eine Halbleiterdiode, ein Glühlämpchen und ein Strommesser werden in
Reihe geschaltet.
Beobachtung: (1) Das Strommessgerät zeigt keinen Strom an, wenn die n-dotierte Seite am
Pluspol und die p-dotierte Seite am Minuspol der Spannungsquelle
angeschlossen ist.
(2) Es fließt dagegen ein Strom, wenn die n-dotierte Seite mit dem Minuspol,
die p-dotierte Seite mit dem Pluspol verbunden ist.
Erklärung (1): Liegt die n-dotierte Seite am Pluspol und die p-dotierte am Minuspol einer
Spannungsquelle, so wandern Elektronen und Löcher infolge des äußeren elektrischen
Feldes jeweils nach außen.
Der Pluspol der Spannungsquelle saugt Elektronen ab, der Minuspol hingegen liefert
Elektronen nach, die mit den Löchern rekombinieren. Die Löcher wandern zum Minuspol und
werden dort „abgesaugt". Dadurch verbreitert sich die Übergangszone (Sperrschicht) und
der elektrische Widerstand wächst stark an.
Es fließt nur noch ein sehr geringer Strom aus Minoritätsträgern.
Man sagt:
Die Halbleiterdiode ist in Sperrrichtung geschaltet.
Erklärung (2): Liegt dagegen die n-dotierte Seite am Minuspol und die p-dotierte Seite am
Pluspol an, so wandern die Majoritätsträger infolge des äußeren elektrischen Feldes in die
Übergangszone.
Der Minuspol liefert Elektronen, die die vorhandenen Leitungselektronen in die
Übergangszone „schieben", entsprechend saugt der Pluspol Elektronen ab, sodass neue
Löcher entstehen, die in die Übergangszone wandern.
Dort rekombinieren Löcher und Elektronen.
Insgesamt fließt ein Strom:
Am Minuspol der Spannungsquelle werden Elektronen abgegeben, am Pluspol
aufgenommen.
Der p-n-Übergang ist leitend geworden.
Man sagt:
Die Halbleiterdiode ist in Durchlassrichtung geschaltet.
MERKE
Durchlassrichtung
Pluspol am p-Leiter, Minuspol am n-Leiter
→ Pluspol liefert Löcher, Minuspol liefert Elektronen, die jeweils in die Übergangszone
wandern und dort rekombinieren
→ Es fließt ein Strom
→ Der p-n-Übergang leitet elektrischen Strom
Sperrrichtung
Pluspol am n-Leiter, Minuspol am p-Leiter
→ Elektronen wandern zum Pluspol (weg aus der Grenzschicht), Löcher wandern zum
Minuspol (weg aus der Grenzschicht)
→ Verbreiterung der Übergangszone
→ Der Widerstand des p-n –Übergangs wächst stark an
Durchlassrichtung →
Schaltzeichen der Halbleiter-Diode
Sperrrichtung ←
Kennlinie einer Halbleiterdiode:
Experiment: Die Abhängigkeit des Diodenstroms von der angelegten Spannung soll
untersucht werden. Die Spannung wird dazu schrittweise von 0 V bis etwa 3 V erhöht. Dann
wird umgepolt und die Spannung wird stufenweise von 0 V bis etwa -50 V verändert.
Beobachtung: Die Stromstärke steigt ab einer Spannung U ≈ 0,3 V (Schleusenspannung
oder Schwellenspannung) steil an. Dann beginnt der Durchlassbereich der Diode.
Unterhalb der Schleusenspannung und nach der Umpolung ist die Stromstärke praktisch 0 A
(Sperrbetrieb).
Ab einer bestimmten Spannung in Sperrrichtung schlägt die Diode durch, d.h. es fließt ein
Strom in die Sperrrichtung. Die Diode ist dann wahrscheinlich kaputt.
Erklärung der Schleusen- oder Schwellenspannung:
Beim Betrieb der Diode in Durchlassrichtung sind der Minuspol der Spannungsquelle mit der
n-Seite und der Pluspol mit der p-Seite verbunden.
Die äußere Spannung ist also dem elektrischen Feld in der Verarmungszone
entgegengesetzt gerichtet.
Die freien Ladungsträger müssen dieses elektrische Feld überwinden, um in die
Verarmungszone zu kommen.
Die äußere Spannung, die nötig ist, um das elektrische Feld in der Verarmungszone gerade
abzubauen, heißt Schleusen- oder Schwellenspannung.
Ist die äußere Spannung größer als die Schwellenspannung, so steigt die Stromstärke stark
an.
(siehe auch AP 1997 B)