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P-n-Übergang

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{{Korrekter Titel|p-n-Übergang}} Ein '''p-n-Übergang''' (engl.: p-n-junction) bezeichnet einen Materialübergang von Halbleiterkristallen mit andersartiger Dotierung. Bereiche, in denen die Dotierung von negativ (n) zu positiv (p) wechselt, kommen in praktisch allen elektrisches Bauelement elektrischen Bauelementen der Halbleitertechnologie vor. Die Besonderheit des p-n-Übergangs ist die Ausbildung einer Raumladungszone (Armut an Ladungsträgern) sowie eines internen elektrisches Feld elektrischen Feldes (Sperrschicht), wenn keine elektrische Spannung an das Bauelement angelegt wird (thermodynamisches Gleichgewicht). Diese ''Sperrschicht'' wird für viele technische Anwendungen verwendet. Die physikalischen Grundeffekte dieser Sperrschicht sind die Diffusion (Naturwissenschaft) Diffusion sowie das Coulombsches Gesetz coulombsche Gesetz.

p-n-Übergang im Gleichgewicht
{| border="0" style="border-collapse:collapse; float:right; clear:right; margin:0.3em 0 0.3em 0.3em;" cellpadding="3" |- |Bild:PNjunction1.png right|thumb|150px|Material und Bändermodell vor Kontakt
(EF: Fermienergie, EC: Unterkante Leitungsband, EV: Oberkante Valenzband)
|Bild:PNjunction2.png right|thumb|150px|Material und Bändermodell nach Kontakt |} Bild:Pn_Uebergang.svg 400px|thumb|right|Aufbau einer Sperrschicht (Raumladungszone RLZ) im p-n-Übergang. Die Kreise symbolisieren bewegliche [[Majoritätsladungsträger (Elektronen (-) und Löcher (+)), die eckigen Figuren stellen Atomrümpfe dar. ]] Dotierte Halbleiter sind in ihrem Grundzustand ungeladen. Die Verbindung zweier andersartig dotierter Halbleitermaterialien hat allerdings einen Stoffgradient Konzentrationsgradienten der enthaltenen frei beweglichen Ladungsträger zur Folge. So werden die Majoritätsladungsträger durch die Diffusionskraft in das jeweils andere Halbleitermaterial gezogen, in denen ihre Konzentration geringer ist. Das heißt: die Elektronen des n-Kristalls streben in den p-Kristall, die Defektelektron Löcher des p-Kristalls umgekehrt in den n-Kristall. Aufgrund dieser Diffusion fehlen nun Ladungsträger in den zuvor ungeladenen Materialien. Dies resultiert in einem elektrisches Feld elektrischen Feld. Dieses elektrische Feld übt eine Kraft auf die Ladungsträger aus, die der Diffusionskraft entgegengerichtet ist. Dadurch stellt sich irgendwann ein Gleichgewicht zwischen Diffusion und elektrischer Feldkraft ein. Wegen Rekombination (Physik) Rekombination bildet sich in beiden Kristalltypen eine Verarmungszone (Raumladungszone) aus. Die Ausdehnung dieser Verarmungszone, oder Sperrschicht, ist abhängig von der Dotierung der Zone und der intrinsischen Eigenleitungsdichte Ladungsträgerdichte des Materials. Bei gleich hoher Dotierungsdichte in p und n Gebiet ist die Raumladungszone symmetrisch. Bei ungleichen Dotierungsdichten breitet sich die RLZ weiter in das weniger stark dotierte Gebiet aus. Betrachtet man das Bändermodell dieser Anordnung, so haben sich durch den Diffusionsprozess die Ferminiveaus der beiden Kristalle angeglichen und es zeigt sich eine Krümmung der Energiebänder (Valenzband und Leitungsband) im Bereich des p-n-Übergangs. Die zuvor elektrisch neutralen Kristalle haben durch die zurückbleibenden, festen Ladungen nunmehr eine Raumladungszone Raumladung erhalten, die den p-Kristall negativ, den n-Kristall positiv auflädt. Die dadurch entstandene Spannung wird Diffusionsspannung \psi_D oder englisch Built-In-Spannung Vbi genannt. Sie ist abhängig von Dotierung und Material. Bestehen die Schichten aus Silizium, so beträgt die Diffusionsspannung für typische Dotierungen ca. 0,6 bis 0,7 V. Für die Ladungsträger stellt die Krümmung der Energiebänder einen Potentialwall von der Energie \psi_D\cdot e dar. Die Elektronen und Löcher müssten diesen Wall überwinden, um in den jeweils anderen Teil zu gelangen. Dafür benötigen sie Energie.

p-n-Übergang bei angelegter elektrischer Spannung
Die Energie zum Überwinden des Potentialwalls kann in Form elektrische Energie elektrischer Energie zugeführt werden. Diese Energie vergrößert entweder den Potentialwall oder verkleinert ihn. Durch Anlegen einer äußeren Elektrische Spannung Spannung in Sperrrichtung (+ am n-Kristall, − am p-Kristall) wird das Feld der Sperrschicht verstärkt und die Ausdehnung der Raumladungszone vergrößert. Elektronen und Löcher werden von der Sperrschicht weg gezogen. Es fließt nur ein sehr geringer Strom, erzeugt durch Minoritätsladungsträger (''Sperrstrom''). Bei Polung in Durchlassrichtung (+ am p-Kristall, − am n-Kristall) wird der Potenzialwall abgebaut. Neue Ladungsträger fließen von der äußeren Quelle auf die Sperrschicht zu und rekombinieren hier fortwährend. Bei ausreichender angelegter Spannung fließt ein signifikanter elektrischer Strom.

Anwendung
Wie oben gezeigt leitet der einfache p-n-Übergang elektrischen Strom in eine Richtung sehr gut, in die andere fast nicht. Eine solche Anordnung nennt man Diode (Halbleiterdiode). Eine wichtige Anwendung der Diode ist daher der Gleichrichter zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Eine Sonderform der Diode ist die Fotodiode, sowie die Solarzelle. Bei diesen wird die entgegengesetzte elektrische Polarisation der Raumladungszone verwendet, um generierte Elektron-Loch-Paare zu trennen. Fotodioden werden daher in Sperrichtung betrieben.Dadurch hebt sich die Wirkung des Widerstandes auf und der n-Übergang verliert seinen Einfluss auf die Elektron-Loch-Paare. Auch die meisten übrigen Halbleiterbauelemente beinhalten in klassischer Bauweise einen oder mehrere p-n-Übergänge zur Erzielung ihrer Funktion, z. B. im Bipolartransistor, Feldeffekttransistor (FET), Metal_Oxide_Semiconductor_Field_Effect_Transistor MOS-FET, Halbleiterdetektor usw.

Berechnung
Die Weite der Raumladungszone in Abhängigkeit von der Donator- ND und Akzeptordotierung NA berechnet sich bei vollständiger Ionisierung der Dotieratome nach William B. Shockley Shockley zu: W(U)= \sqrt{\frac{2 \cdot \varepsilon_r \cdot \varepsilon_0}{q}\frac{N_A+N_D}{N_A\cdot N_D}(\psi_d - U)}+N_Dx/none

Weblinks

- Diode – ausführliche Erklärungen, Bilder und Formeln (Englisch)
- Java Applet 1 – Simulation von RLZ/FN/Bänder für verschiedene Materialien/Dotierungen
- Java Applet 2 – zusätzliche Darstellung der Raumladung Kategorie:Mikroelektronik Kategorie:Festkörperphysik bg:P-n-преход cs:Přechod P-N en:P-n junction eo:Junto (elektro) et:Pn-siire hu:P-n átmenet id:P-n junction it:Giunzione p-n ja:PN接? ko:PN 접합 pl:Złącze p-n ru:P — n-переход sv:PN-övergång

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