Der pn-Übergang

Der pn-Übergang ist die Keimzelle fast aller Halbleiterbauelemente. Er entsteht überall dort, wo ein p-dotiertes und ein n-dotiertes Gebiet im selben Kristall aneinanderstoßen. Seine wichtigste Eigenschaft: Er lässt Strom in einer Richtung gut durch und sperrt ihn in der anderen fast vollständig. Eine Diode ist nichts anderes als ein einzelner pn-Übergang mit zwei Anschlüssen; ein Bipolartransistor besteht aus zweien.

Was an der Grenze passiert

Im n-Gebiet gibt es viele freie Elektronen, im p-Gebiet viele Löcher (siehe Dotierung). Bringt man beide zusammen, wandern Elektronen durch Diffusion ins p-Gebiet und Löcher ins n-Gebiet – so wie sich ein Tropfen Tinte im Wasser verteilt. An der Grenze treffen sie aufeinander und rekombinieren: Das Elektron füllt das Loch, beide sind als freie Ladungsträger verschwunden.

Zurück bleiben die ortsfesten Ionen der Dotieratome: auf der n-Seite positive Donator-Ionen, auf der p-Seite negative Akzeptor-Ionen. Diese Schicht ohne freie Ladungsträger heißt Raumladungszone (auch Sperrschicht oder Verarmungszone). Sie ist typisch nur Bruchteile eines Mikrometers bis wenige Mikrometer breit.

Die Ionenladungen erzeugen ein elektrisches Feld, das vom n- zum p-Gebiet zeigt. Es treibt Elektronen zurück ins n-Gebiet und Löcher zurück ins p-Gebiet – also genau gegen die Diffusion. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein. Die zugehörige Spannung über der Raumladungszone heißt Diffusionsspannung; bei Silizium liegt sie je nach Dotierung bei etwa 0,6 bis 0,9 V, bei Germanium mit seiner kleineren Bandlücke nur bei rund 0,3 V. Messen kannst du sie mit einem Voltmeter nicht: An den Metallkontakten entstehen Gegenspannungen, die sie genau aufheben.

Durchlassrichtung

Legst du den Pluspol einer äußeren Spannung an das p-Gebiet (die Anode) und den Minuspol an das n-Gebiet (die Kathode), wirkt die äußere Spannung der Diffusionsspannung entgegen. Die Raumladungszone wird schmaler, die Barriere niedriger. Ab etwa 0,6 bis 0,7 V bei Silizium (Germanium: rund 0,2 bis 0,3 V) können Elektronen und Löcher in großer Zahl die Grenze überqueren – es fließt ein großer Strom in Durchlassrichtung. Technisch fließt er dabei, wie immer außerhalb der Quelle, vom Pluspol durch die Diode von Anode zu Kathode zurück zum Minuspol.

Der Strom steigt exponentiell mit der Spannung. Das beschreibt die Shockley-Gleichung:

Dabei ist I_S der winzige Sättigungssperrstrom, n ein Idealitätsfaktor zwischen 1 und 2 und U_T = k · T / e ≈ 26 mV die Temperaturspannung bei Raumtemperatur.

Sperrrichtung und Durchbruch

Polst du die Spannung um – Plus an die Kathode –, zieht die äußere Spannung die Ladungsträger von der Grenze weg. Die Raumladungszone wird breiter, und es fließt nur ein sehr kleiner Sperrstrom, getragen von den wenigen Minoritätsträgern. Bei Silizium-Kleinsignaldioden liegt er im Nanoampere-Bereich.

Steigt die Sperrspannung über die Durchbruchspannung U_BR, nimmt der Strom plötzlich stark zu. Ursache ist entweder der Zener-Effekt (Elektronen tunneln bei sehr dünner Sperrschicht durch die Barriere, siehe Quantenphysik) oder der Lawineneffekt (beschleunigte Ladungsträger schlagen weitere frei). Bei normalen Dioden zerstört das meist das Bauteil durch Überhitzung; Z-Dioden sind dagegen genau für diesen Betrieb gebaut und stabilisieren so eine Spannung.

Der pn-Übergang als Kondensator

Die Raumladungszone ist eine isolierende Schicht zwischen zwei leitenden Gebieten – also ein Kondensator. Diese Sperrschichtkapazität sinkt mit steigender Sperrspannung, weil die Zone breiter wird. Kapazitätsdioden (Varicaps) nutzen das, um Schwingkreise per Spannung abzustimmen. Bei schnellen Schaltungen begrenzt dieselbe Kapazität die Schaltgeschwindigkeit.

Weitere Anwendungen desselben Prinzips: Leuchtdioden und Fotodioden (Optoelektronik), Solarzellen und Temperatursensoren, denn die Durchlassspannung hängt deutlich von der Temperatur ab (siehe Temperaturverhalten von Halbleitern).

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