Halbleiterdiode

Elektronik

Halbleiterdiode

  • Woraus bestehen eigentlich Dioden?
  • Welche besonderen Eigenschaften haben Dioden?
  • Wie funktionieren Leuchtdioden?
  • Warum benutzt man statt Glühbirnen heute Leuchtdioden?

  • Schließt man den Kreis, so leuchtet die Lampe bei der skizzierten Polung.
  • Polt man um, so fließt kein Strom mehr

Versuchsanordnung zur Demonstration der Ventilwirkung der p-n-Schicht

Mechanistische Veranschaulichung der Ventilwirkung

Ein intaktes Fahrradventil lässt den Luftstrom nur in einer Richtung passieren (von der Pumpe zum Schlauch); in der anderen Richtung "sperrt" das Ventil.

Ähnlich verhält sich - auf den elektrischen Fall übertragen - eine p-n-Schicht:

  • Legt man den Pluspol der Spannungsquelle an die p-Schicht, so leitet die p-n-Schicht: Polung in Durchlassrichtung.
  • Polt man um, so ist kein Stromfluss mehr möglich: Polung in Sperrrichtung.

Man sagt die p-n-Schicht zeigt einen Ventilcharakter. Diese Ventilwirkung soll im Folgenden erläutert werden.

Wie Sie von der Seite über die Dotierung von Halbleitern vielleicht noch wissen, kann man beim n-Halbleiter vereinfachend davon ausgehen, dass er Elektronen enthält, die sich über einem Untergrund von ortsfesten positiven Ladungen relativ frei bewegen können. Beim p-Halbleiter bewegen sich Löcher frei über einem Untergrund von ortsfesten negativen Ladungen.
Bringt man nun einen p-Halbleiter und einen n-Halbleiter in Kontakt, so treten aufgrund der Wärmebewegung freie Elektronen aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet und auch freie Löcher aus dem p-Gebiet in das n-Gebiet. Es kommt in der Grenzschicht der Materialien zu Rekombinationen (Elektronen füllen die Löcher auf) und somit zum Verschwinden der beweglichen Ladungsträger im Grenzgebiet. Nahe der Kontaktzone bleiben im n-Halbleiter die ortsfesten positiven und im p-Halbleiter die ortsfesten negativen Ladungen zurück. Diese festsitzenden Ladungen sind dafür verantwortlich, dass sich nicht sämtliche Elektronen der n-Zone mit allen Löchern der p-Zone neutralisieren. Die festsitzenden Ladungen einer Zone üben nämlich abstoßende Kräfte auf die beweglichen Ladungen der anderen Zone aus. Auf diese Weise bildet sich in der Grenzschicht eine von beweglichen Ladungsträgern freie Zone aus, die sogenannte Raumladungszone. Dadurch ist die p-n-Schicht ohne äußere elektrische Beschaltung nicht leitend.

Durch äußere elektrische Beschaltung kann die Raumladungszone beeinflusst werden:

  • Polung in Sperrrichtung:
    Der Pluspol liegt an der n-Zone, der Minuspol an der p-Zone. Die beweglichen Ladungsträger werden von den Polen der Spannungsquelle angezogen, die Raumladungsschicht vergrößert sich. Die p-n-Schicht sperrt.
  • Polung in Durchlassrichtung:
    Der Minuspol liegt an der n-Zone, der Pluspol an der p-Zone. Die beweglichen Ladungsträger werden von den Polen der Spannungsquelle abgestoßen und in die Raumladungszone gedrängt, die sich - je nach dem Betrag der Spannung - verkleinert oder ganz abgebaut wird. In der Grenzschicht findet eine Rekombination von Elektronen und Löchern statt. Die verschwundenen Ladungsträger werden von der Stromquelle laufend ersetzt: Elektronen gelangen vom Minuspol in die n-Zone. Der Pluspol "saugt" gebundene Elektronen in der p-Zone ab, so dass es dort zu neuen Löchern kommt. Es fließt ein (technischer) Strom vom Plus- zum Minuspol der Quelle.
Die p-n-Schicht wird auch als Halbleiterdiode bezeichnet. Man hat für sie das folgende Schaltsymbol eingeführt:
Hinweis: Die obige Darstellung der Funktionsweise der Halbleiterdiode wurde bewusst stark vereinfacht dargestellt. So bliebt z.B. das Verhalten der Minoritätsträger, die zu einem Sperrstrom führen völlig unberücksichtig.
Druckversion

RSS - Halbleiterdiode abonnieren