Halbleiterdiode

Elektronik

Halbleiterdiode

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

Das Wichtigste auf einen Blick

Schaltung einer Diode in Durchlassrichtung

Halbleiterdioden bestehen aus zwei Schichten: einem p-Halbleiter und einem n-Halbleiter

Dioden besitzen eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung

Liegt der Pluspol an der p-Schicht, so ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet

p-n-Schichten als Halbleiterdiode

Bringt man eine Schicht eines p-dotierten Halbleiters mit einer Schicht eines n-dotierten Halbleiters zusammen, so erhält man eine sog. Halbleiterdiode. Eine Halbleiterdiode besitzt die Eigenschaft, dass ihr Widerstand bzw. ihre Leitfähigkeit von der Richtung des Stromflusses durch sie hindurch abhängt. In eine Richtung, lässt die Halbleiterdiode Strom fast ungehindert passieren, in die andere Richtung verhindert sie den Stromfluss fast vollständig.

Durchlass- und Sperrrichtung

1 Ventilwirkung einer Halbleiterdiode in Abhängigkeit von der Polung der angelegten Spannung

Ob eine Diode den Strom nahezu ungehindert passieren lässt oder ihn fast vollständig unterbindet hängt von der Polung der anliegenden Spannungsquelle ab.

Legt man den Pluspol der Spannungsquelle an die p-Schicht, so leitet die p-n-Schicht: Polung in Durchlassrichtung.

Polt man um, legt also den Pluspol an die n-Schicht, so ist kein Stromfluss mehr möglich: Polung in Sperrrichtung.

Analogie zu einem mechanischen Ventil

Mechanische Analogie einer Diode zu einem Ventil
Abb.
2
Mechanische Analogie einer Diode zu einem Ventil

Die Funktionsweise einer Diode entspricht modellhaft der Funktion eines Ventils, wie du es z.B. von einem Fahrradreifen kennst. Du kannst von außen Luft durch das Ventil ins Innere hineinpumpen, dies ist die Durchlassrichtung. Die Luft in des Ventils bzw. Reifens gelangt aber ohne spezielles zutun nicht in der entgegengesetzten Richtung aus dem Reifen. Dies entspricht der Sperrichtung.

Physikalische Ursache

3 Entstehung der Raumladungszone an der Kontaktfläche von p- und n-dotierten Halbleitern

Wie du vielleicht von der Seite über die Dotierung von Halbleitern noch weist, 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.

Bringst du 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 Löcher auf. Somit verschwinden die 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.

Verhalten bei Schaltung in Sperr- und Durchlassrichtung

4 Beschaltung eines p-n-Übergangs in Sperr- und in Durchlassrichtung

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 abbaut. 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.

Schaltsymbol

Für einen p-n-Übergang, also eine Halbleiterdiode, kannst du das in Abb. 5 dargestellt Schaltsymbol verwenden. Dabei steht der einzelne senktrecht Strich, der wie ein senkrecht gestelltes Minus aussieht, für die n-Schicht, dass Dreieck für die p-Schicht. Um eine Halbleiterdiode in Durchlassrichtung zu schalten, musst du also den einzelnen Strich an den Minuspol und das Dreieck an den Pluspol einer Spannungsquelle anschließen.

Schaltsymbol einer Diode mit Schaltungen in Durchlass- und Sperrrichtung
Abb.
5
Schaltsymbol einer Diode mit Schaltungen in Durchlass- und Sperrrichtung

Hinweis: Die obige Darstellung der Funktionsweise der Halbleiterdiode wurde bewusst stark vereinfacht dargestellt. So bleibt z.B. das Verhalten der Minoritätsträger, die zu einem Sperrstrom führen, völlig unberücksichtig.

Wenn in einer elektrischen Schaltung die Spannung \(U\) und die Stromstärke \(I\) gleichzeitig gemessen werden sollen, so kann nur eine der beiden Größen ohne Verfälschung gemessen werden. Die andere Größe wird durch die Messgeräte selbst verfälscht. Mit modernen Messgeräten kann diese Abweichung durch jedoch z.B. durch hohe Eingangswiderstände bei Spannungsmessern von \(10\,\rm{M\Omega}\) sehr gering gehalten werden. Dadurch spielen entsprechende Fehler inzwischen nur noch selten eine Rolle. Sie müssen lediglich bei der Messung von geringen Spannungen oder Stromstärken besonders beachtet werden.

Stromrichtige Messung

Schaltung für Stromrichtige Messung
Abb.
1
Schaltung für Stromrichtige Messung

Bei der stromrichtigen Messung wird nur der durch ein Bauteil fließende Strom gemessen. Dazu wird der Strom ohne Verzweigung unmittelbar vor oder hinter dem Bauteil gemessen. In dieser Schaltung wird die Stromstärke \(I_R\) korrekt gemessen.

Jedoch registriert der Spannungsmesser in dieser Schaltung nicht nur die am Bauteil abfallende Spannung \(U_R\), sondern auch die über dem Strommessgerät abfallende Spannung \(U_\rm{A}\). Die Spannungsmessung ist also in dieser Schaltung mit einem systematischen Fehler behaftet. Um diesen möglichst gering zu halten, muss der Innenwiderstand des Strommessers möglichst gering sein. Dadurch wird auch die über dem Strommesser abfallende Spannung \(U_\rm{A}\) klein.

 

Schaltung für Spannungsrichtige Messung
Abb.
2
Schaltung für Spannungsrichtige Messung

Möchte man diesen systematischen Fehler bei der Spannungsmessung vermeiden, so wählt man die spannungsrichtige Schaltung. Bei der spannungsrichtigen Messung, wird nur die über dem Bauteil abfallende Spannung \(U_R\) gemessen. Da kein weiteres Bauteil die Messung beeinflusst, wird hier die Spannung korrekt gemessen.

Jedoch registriert das Strommessgerät in dieser Schaltung nicht nur den Strom \(I_R\), der nicht nur durch den Widerstand fließt, sondern auch den durch das Messgerät fließenden Strom \(I_\rm{V}\). Die Strommessung ist also in dieser Schaltung mit einem systematischen Fehler behaftet. Dieser kann durch einen hohen Eingangswiderstand des Messgerätes von einigen \(\rm{M\Omega}\) jedoch gering gehalten werden. Dadurch wird auch der durch den Spannungsmesser fließende Strom klein.

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Leuchtdioden sind Halbleiterdioden, die Licht , Infrarotstrahlung oder Ultraviolettstrahlung aussenden.
  • LEDs müssen in Durchlassrichtung geschaltet werden, damit sie leuchten.
  • LEDs sind effiziente Lichtquellen mit geringem Energiebedarf.
Schaltsymbol LED
Abb.
1
Schaltsymbol einer LED

Eigenschaften von Leuchtdioden

Eine Leuchtdiode (kurz LED von englisch light-emitting diode ‚lichtemittierende Diode‘, auch Lumineszenz-Diode) ist ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement, dessen elektrische Eigenschaften einer Diode entsprechen. Fließt durch die Diode elektrischer Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen Wellenlänge ab.

In den ersten drei Jahrzehnten nach ihrer Erfindung 1962 diente die LED hauptsächlich als Leuchtanzeige und zur Signalübertragung. Durch technologische Verbesserungen wurde die Lichtausbeute immer größer. Seit Ende der 1990er Jahre nahm die Anwendung von LED-Leuchtmitteln auch im Alltag ständig zu. Heute nutzen viele moderne Leuchten LEDs. Besondere Vorteile sind der geringe Energiebedarf bzw. der Hohe Wirkungsgrad von LEDs sowie ihre Verfügbarkeit in unterschiedlichen Farben.

2 Funktionsprinzip von Leuchtdioden (LED)

Funktionsweise

Um eine Leuchtdiode zum Leuchten zu bringen, musst du sie in Durchlassrichtung schalten. Durch die Schaltung in Durchlassrichtung und die entsprechende äußere Spannung werden Elektronen bzw. Löcher in die Sperrschicht des p-n-Übergangs getrieben. Hier kommt es zur Rekombination von Elektronen und Löchern. Die dabei freiwerdende Energie wird in Form von Licht von der Diode ausgesandt. Die Wellenlänge des abgestrahlten Lichtes hängt dabei hauptsächlich vom Halbleitermaterial und der Dotierung ab.

Die Animation in Abb. 2 veranschaulicht die Vorgang, die bei korrekter Schaltung einer LED stattfinden.

Umgekehrtes Prinzip wie bei der Solarzelle

Die hier ablaufenden Vorgänge sind im Prinzip der umgekehrte Effekt dessen, was bei einer Solarzelle passiert. Bei der Solarzelle wird die Energie der Lichtteilchen, die in die Sperrschicht zwischen p- und n-Zone eindringen, dazu verwendet Elektron-Loch-Paare zu bilden.

Beispiele für den Einsatz von LEDs

LEDs werden inzwischen an sehr vielen Stellen im Alltag eingesetzt, z.B. bei Ampelanlagen, Informationstafeln, Straßenbeleuchtung und bei Computerbildschirmen.

    LED-Anzeige-Ampel.jpg

    LED Anzeige an einer Ampel
    LED Anzeige an einer Ampel

    LED Anzeige Benzinpreise.jpg

    LED Anzeige von Benzinpreisen
    LED-Anzeige von Benzinpreisen

    LED Anzeige Fahrgastinfo.jpg

    LED Anzeige Fahrgastinfo
    LED-Anzeige als Fahrgastinformation

    LED-Fernbedienung-Infrarot.jpg

    Infrarot-LED an einer Fernbedienung
    Infrarot-LED an einer Fernbedienung

    Vor- und Nachteile von LEDs

    • Die Effizienz der LEDs gegenüber Glüh- oder Halogenlampen ist deutlich höher und wird laufend verbessert.
    • LEDs entwickeln im Vergleich zu Glühlampen kaum Wärme, die abgeführt werden muss.
    • LEDs benötigen wenig Raum und mehrere LEDs könne sehr eng nebeneinander platziert werden.
    • LEDs enthalten im Gegensatz zu "Energiesparlampen" kein Quecksilber.
    • Die Energie, die zum Herstellen von LEDs eingesetzt werden muss, ist noch relativ hoch.
    • LEDs besitzen eine deutlich längere Lebensdauer und einer viel bessere Robustheit als Glühlampen.
    • Zum Betrieb der LEDs benötigt man nur ungefährliche Kleinspannungen (meist \(12\,\rm{V}\)). Allerdings ist daher ein Vorschaltgerät bei Betrieb an 230V~ notwendig.
    • Da LEDs Gleichspannung benötigen, ist bei einfachen Vorschaltgeräten häufig ein Flackern des Lichtes wahrnehmbar - insbesondere bei schnellen Kopfbewegungen.
    • Der "Farbeindruck" von Weißlicht-LEDs ist für manche Menschen gewöhnungsbedürftig (vgl. Leuchtstoffröhren im Wohnbereich).

    Prinzipieller Aufbau

    Die klassische Silizium-Solarzelle besteht aus einer ca. 0,001mm dicken n-Schicht, welche in das ca. 0,6mm dicke p-leitende Si-Substrat eingebracht wurde. Den Übergang zwischen n-Schicht und p-Substrat nennt man p/n-Übergang oder einfach Grenzschicht.

    Bei der monokristallinen Siliziumsolarzelle wird die n-Schicht durch oberflächennahes Einbringen (dotieren) von ca. 1019 Phosphor-Atomen / cm³ in das p-leitende Si-Substrat erzeugt. Die n-Schicht ist so dünn, damit das Sonnenlicht besonders in der Raumladungszone am p/n-Übergang absorbiert wird. Das p-leitende Si-Substrat muss dick genug sein, um die tiefer eindringenden Sonnenstrahlen absorbieren zu können und um der Solarzelle mechanische Stabilität zu geben.

    Aufbau der Grenzschicht

     

    2 Silizium-Solarzelle: Aufbau der Grenzschicht (Animation)

     

    Durch Einbringen weniger 5-wertiger Phosphoratome in das 4-wertige Silizium wird dieses n-dotiert, d.h. es ist nach außen elektrisch neutral, aber das zusätzliche Valenzelektron (blau - gezeichnet) ist relativ frei beweglich.

    Durch Einbringen weniger 3-wertiger Boratome in das 4-wertige Silizium wird dieses p-dotiert, d.h. es ist nach außen elektrisch neutral, aber das für das 4. Valenzelektron aufgehobene positive Loch (rot - gezeichnet) ist relativ frei beweglich.

    An der Grenzschicht zwischen n- und p-Schicht diffundieren die Löcher in die n-Schicht und die Elektronen in die p-Schicht und es entsteht dadurch eine von freien Ladungsträgern verarmte Raumladungszone einer bestimmten Breite. Durch diese Verschiebung hat das n-Gebiet positive, das p-Gebiet negative Raumladung. Vergleiche hierzu auch die Grundwissensseite über die Dotierung und die Grundwissenseite über die Ventilwirkung der Diode.

    Auslösen von Elektron-Loch-Paaren durch Photonen

    3 Silizium-Solarzelle: Auslösen von Elektron-Loch-Paaren durch Photonen (Animation)

     

    Die Raumladung ist der eigentliche "Motor" der Solarzelle. Trifft Licht (Photonen - grün) in die Raumladungszone, so kann es ein Elektron aus dem Atom lösen. Das Restatom ist dann positiv geladen, es besitzt eine Elektronenfehlstelle, also ein Loch. Man bezeichnet diesen Vorgang als inneren photoelektrischen oder auch photovoltaischen Effekt. Würde dieser Vorgang in einem Bereich stattfinden, in dem keine äußeren elektrischen Kräfte wirken, so würde das Elektron nach kurzer Zeit wieder zum Restatom zurückkehren. Man könnte auch sagen Elektron und Loch rekombinieren. Findet dagegen der photovoltaische Effekt in der Raumladungszone oder deren unmittelbaren Umgebung statt, so kann es zu einer dauerhaften Ablösung des Elektrons kommen. Negatives Elektron und positives Loch wandern entsprechend der durch die Raumladungszone aufgebauten Feldkraft auseinander, das Elektron zur ortsfesten positiven Raumladung im n-dotierten Bereich, das positive Loch zur negativen Raumladung im p-dotierten Bereich. Es kommt also zu einer Ladungstrennung und somit einer Spannung, die bei einer Solarzelle etwa 0,5V beträgt. Diese Spannung ist an den Metallkontakten abgreifbar.

    Verbindet man die Metallkontakte der Solarzelle mit einem Verbraucher, so kann Strom fließen. Dabei bewegen sich die Elektronen durch die n-Schicht nach oben und gelangen in den äußeren Stromkreis. Die Löcher fließen durch die p-Schicht nach unten und werden durch die Elektronen, die über den äußeren Stromkreis zur p-Schicht fließen aufgehoben (Rekombination). Salopp könnte man sagen, dass die durch das Licht entstandenen Elektron-Loch-Paare lieber über den Stromkreis rekombinieren, da der Widerstand der zu durchdringenden n- bzw. p-Schicht und der Widerstand des äußeren Stromkreises kleiner ist als der Widerstand der Übergangsschicht (Raumladungszone).

    Je intensiver die Beleuchtung und je großflächiger die Grenzschicht ist, desto mehr Elektronen-Loch-Paare entstehen und umso größer ist dann auch die Stromstärke, welche die Solarzelle liefern kann. Pro Quadratzentimeter beleuchteter Solarzellenfläche kann man mit einer Stromentnahme von etwa 20mA rechnen.

    Da nicht jedes "Lichtteilchen (Photon)" ein Elektron-Loch-Paar bildet und ein Elektron mit einem Loch wieder rekombinieren kann und dabei nur Wärme produziert (die Rekombination steigt mit der Betriebstemperatur), ist der Wirkungsgrad einer Solarzelle begrenzt. Er liegt heute im Bereich von 10% - 18%.

    Räumlich Darstellung des Aufbaus

    Schaltzeichen für die Solarzelle

    Druckversion