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Grundwissen

p-n-Übergang - Halbleiterdiode

Das Wichtigste auf einen Blick

schaltung_diode_in_durchlassrichtung.svg Joachim Herz Stiftung

  • 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
Aufgaben Aufgaben

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

Abb. 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

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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

Abb. 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

Abb. 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_diode_mit_polung_durchlass-_und_sperrschaltung.svg Joachim Herz Stiftung
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.