Der p-n-Übergang besitzt wesentliche Eigenschaften für die moderne Elektronik. Ein p-dotierter Halbleiter ist relativ leitfähig. Das Gleiche gilt für einen n-dotierten Halbleiter, aber der Übergang dazwischen kann je nach den relativen Spannungen der beiden Halbleiterbereiche an Ladungsträgern verarmen und damit nicht leitend werden. Durch Manipulation dieser nichtleitenden Schicht werden p-n-Übergänge üblicherweise als Dioden verwendet: Schaltkreiselemente, die einen Stromfluss in eine Richtung, aber nicht in die andere (entgegengesetzte) Richtung zulassen. Die Vorspannung ist das Anlegen einer Spannung an einen p-n-Übergang; die Vorspannung in Vorwärtsrichtung liegt in der Richtung eines leichten Stromflusses, die Sperrvorspannung in der Richtung eines geringen oder gar keinen Stromflusses.
Die Vorwärts- und Sperrvorspannungseigenschaften des p-n-Übergangs implizieren, dass er als Diode verwendet werden kann. Eine p-n-Übergangsdiode ermöglicht den Fluss elektrischer Ladungen in eine Richtung, aber nicht in die entgegengesetzte Richtung; negative Ladungen (Elektronen) können leicht durch den Übergang von n nach p, aber nicht von p nach n fließen, und das Gegenteil gilt für Löcher. Wenn der p-n-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt ist, fließt die elektrische Ladung aufgrund des geringeren Widerstands des p-n-Übergangs frei. Wenn der p-n-Übergang jedoch in Sperrrichtung vorgespannt ist, wird die Sperrschicht (und damit der Widerstand) größer und der Ladungsfluss ist minimal.
Gleichgewicht (Nullvorspannung)
In einem p-n-Übergang wird ohne eine von außen angelegte Spannung ein Gleichgewichtszustand erreicht, in dem sich eine Potenzialdifferenz über dem Übergang bildet. Diese Potentialdifferenz wird als eingebautes Potential V b i {\displaystyle V_{\rm {bi}}}
.
Am Übergang werden die freien Elektronen des n-Typs von den positiven Löchern des p-Typs angezogen. Sie diffundieren in den p-Typ, verbinden sich mit den Löchern und heben sich gegenseitig auf. Auf ähnliche Weise werden die positiven Löcher im p-Typ von den freien Elektronen im n-Typ angezogen. Die Löcher diffundieren in den n-Typ, verbinden sich mit den freien Elektronen und heben sich gegenseitig auf. Die positiv geladenen Donor-Dotieratome im n-Typ sind Teil des Kristalls und können sich nicht bewegen. Daher wird im n-Typ ein Bereich in der Nähe der Verbindungsstelle positiv geladen. Die negativ geladenen Akzeptor-Dotierstoffatome des p-Typs sind Teil des Kristalls und können sich nicht bewegen. Daher wird im p-Typ ein Bereich in der Nähe des Übergangs negativ geladen. Das Ergebnis ist ein Bereich in der Nähe des Übergangs, der die beweglichen Ladungen durch das elektrische Feld, das diese geladenen Bereiche erzeugen, vom Übergang abstößt. Die Bereiche in der Nähe der p-n-Grenzfläche verlieren ihre Neutralität und die meisten ihrer beweglichen Ladungsträger und bilden die Raumladungszone oder Verarmungsschicht (siehe Abbildung A).
Das von der Raumladungszone erzeugte elektrische Feld wirkt dem Diffusionsprozess sowohl für Elektronen als auch für Löcher entgegen. Es gibt zwei gleichzeitige Phänomene: den Diffusionsprozess, der dazu neigt, mehr Raumladung zu erzeugen, und das durch die Raumladung erzeugte elektrische Feld, das dazu neigt, der Diffusion entgegenzuwirken. Das Profil der Ladungsträgerkonzentration im Gleichgewicht ist in Abbildung A mit blauen und roten Linien dargestellt. Ebenfalls dargestellt sind die beiden sich ausgleichenden Phänomene, die das Gleichgewicht herstellen.
Der Raumladungsbereich ist eine Zone mit einer Nettoladung, die von den festen Ionen (Donatoren oder Akzeptoren) bereitgestellt wird, die durch die Diffusion der Majoritätsträger unbedeckt geblieben sind. Wenn das Gleichgewicht erreicht ist, wird die Ladungsdichte durch die dargestellte Stufenfunktion angenähert. Da die y-Achse in Abbildung A eine logarithmische Skala ist, ist der Bereich fast vollständig an Majoritätsträgern verarmt (so dass die Ladungsdichte dem Nettodotierungsniveau entspricht), und die Grenze zwischen dem Raumladungsbereich und dem neutralen Bereich ist ziemlich scharf (siehe Abbildung B, Q(x)-Diagramm). Die Raumladungszone hat auf beiden Seiten der p-n-Grenzflächen die gleiche Ladungsmenge, so dass sie sich in diesem Beispiel weiter auf der weniger dotierten Seite erstreckt (die n-Seite in den Abbildungen A und B).
VorwärtsvorspannungBearbeiten
Bei der Vorwärtsvorspannung ist der p-Typ mit dem Pluspol und der n-Typ mit dem Minuspol verbunden.
Wenn eine Batterie auf diese Weise angeschlossen ist, werden die Löcher im p-Typ-Bereich und die Elektronen im n-Typ-Bereich in Richtung des Übergangs geschoben und beginnen, die Verarmungszone zu neutralisieren, was ihre Breite verringert. Das an das p-Typ-Material angelegte positive Potenzial stößt die Löcher zurück, während das an das n-Typ-Material angelegte negative Potenzial die Elektronen zurückstößt. Die Potenzialänderung zwischen der p-Seite und der n-Seite nimmt ab oder wechselt das Vorzeichen. Mit zunehmender Vorwärtsspannung wird die Verarmungszone schließlich so dünn, dass das elektrische Feld der Zone der Ladungsträgerbewegung über den p-n-Übergang nicht mehr entgegenwirken kann, wodurch sich der elektrische Widerstand verringert. Elektronen, die über den p-n-Übergang in das p-Typ-Material gelangen (oder Löcher, die in das n-Typ-Material gelangen), diffundieren in den nahe gelegenen neutralen Bereich. Die Menge der Minoritätsdiffusion in den nahegelegenen neutralen Zonen bestimmt die Menge des Stroms, der durch die Diode fließen kann.
Nur Majoritätsträger (Elektronen im n-Typ-Material oder Löcher im p-Typ) können über eine makroskopische Länge durch einen Halbleiter fließen. Betrachten wir in diesem Zusammenhang den Elektronenfluss durch den Übergang. Die Vorwärtsspannung bewirkt eine Kraft auf die Elektronen, die sie von der N-Seite zur P-Seite drängt. Bei Vorwärtsspannung ist der Verarmungsbereich schmal genug, dass die Elektronen den Übergang passieren und in das p-Typ-Material eindringen können. Sie fließen jedoch nicht unbegrenzt weiter durch das p-Typ-Material, da es für sie energetisch günstig ist, mit Löchern zu rekombinieren. Die durchschnittliche Länge, die ein Elektron durch das p-Typ-Material zurücklegt, bevor es rekombiniert, wird als Diffusionslänge bezeichnet und liegt typischerweise in der Größenordnung von Mikrometern.
Obwohl die Elektronen nur eine kurze Strecke in das p-Typ-Material eindringen, fließt der elektrische Strom ununterbrochen weiter, da Löcher (die Hauptladungsträger) in die entgegengesetzte Richtung zu fließen beginnen. Der Gesamtstrom (die Summe der Elektronen- und Löcherströme) ist im Raum konstant, da jede Änderung mit der Zeit zu einer Ladungsanhäufung führen würde (dies ist das Kirchhoffsche Stromgesetz). Der Fluss von Löchern vom p-Typ-Bereich in den n-Typ-Bereich ist genau analog zum Fluss von Elektronen von N nach P (Elektronen und Löcher tauschen die Rollen und die Vorzeichen aller Ströme und Spannungen sind umgekehrt).
Das makroskopische Bild des Stromflusses durch die Diode beinhaltet also, dass Elektronen durch den n-Typ-Bereich in Richtung des Übergangs fließen, dass Löcher durch den p-Typ-Bereich in die entgegengesetzte Richtung zum Übergang fließen und dass die beiden Arten von Ladungsträgern in der Nähe des Übergangs ständig rekombinieren. Die Elektronen und Löcher bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen, haben aber auch entgegengesetzte Ladungen, so dass der Gesamtstrom auf beiden Seiten der Diode in die gleiche Richtung fließt, wie es erforderlich ist.
Die Shockley-Diodengleichung modelliert die Vorwärtsvorspannungs-Betriebscharakteristik eines p-n-Übergangs außerhalb des Avalanche-Bereichs (mit Sperrvorspannung).
SperrvorspannungBearbeiten
Die Verbindung des p-Typ-Bereichs mit dem Minuspol der Batterie und des n-Typ-Bereichs mit dem Pluspol entspricht einer Sperrvorspannung. Ist eine Diode in Sperrrichtung vorgespannt, ist die Spannung an der Kathode vergleichsweise höher als an der Anode. Daher fließt nur sehr wenig Strom, bis die Diode zusammenbricht. Die Anschlüsse sind in der nebenstehenden Abbildung dargestellt.
Da das p-Typ-Material nun mit dem Minuspol der Stromversorgung verbunden ist, werden die „Löcher“ im p-Typ-Material vom Übergang weggezogen, wobei geladene Ionen zurückbleiben und die Breite des Verarmungsbereichs zunimmt. Da der n-Typ-Bereich mit dem positiven Anschluss verbunden ist, werden die Elektronen von der Sperrschicht weggezogen, was einen ähnlichen Effekt hat. Dadurch erhöht sich die Spannungsbarriere, was zu einem hohen Widerstand für den Ladungsträgerfluss führt, so dass nur ein minimaler elektrischer Strom durch den p-n-Übergang fließen kann. Die Erhöhung des Widerstands des p-n-Übergangs führt dazu, dass sich der Übergang wie ein Isolator verhält.
Die Stärke des elektrischen Feldes in der Verarmungszone nimmt mit steigender Sperrvorspannung zu. Sobald die Stärke des elektrischen Feldes über einen kritischen Wert hinaus ansteigt, bricht die Verarmungszone des p-n-Übergangs zusammen und Strom beginnt zu fließen, in der Regel entweder durch den Zener- oder den Avalanche-Durchbruchsprozess. Beide Durchbruchsprozesse sind zerstörungsfrei und reversibel, solange die Stromstärke nicht so hoch ist, dass das Halbleitermaterial überhitzt und thermisch geschädigt wird.
Dieser Effekt wird vorteilhaft in Zenerdioden-Regelkreisen genutzt. Zenerdioden haben eine niedrige Durchbruchspannung. Ein Standardwert für die Durchbruchsspannung ist z.B. 5,6 V. Das bedeutet, dass die Spannung an der Kathode nicht mehr als etwa 5,6 V höher sein kann als die Spannung an der Anode (obwohl es einen leichten Anstieg mit dem Strom gibt), weil die Diode zusammenbricht und daher leitet, wenn die Spannung noch höher wird. Dadurch wird die Spannung über der Diode begrenzt.
Eine weitere Anwendung der Sperrvorspannung sind Varicap-Dioden, bei denen die Breite der Verarmungszone (gesteuert durch die Sperrvorspannung) die Kapazität der Diode verändert.
