Physik Klasse 10
Diffusion und Drift im Halbleiter
Wie wir im letzten Beitrag gesehen haben, gibt es zwei bewegliche Ladungsträger im Halbleiter:
im n-Leiter sind es die Elektronen, im p-Leiter die Löcher.
Diffusionsbewegung
Löcher und Elektronen bewegen sich im Halbleiterkristall völlig unregelmäßig mit großer Geschwindigkeit umher, das heißt mit ca. 10 km/s thermischer Bewegung.
Dabei stoßen sie ständig mit anderen Atomen zusammen, sie bewegen sich auf einer Zickzackbahn. Diese Bewegung heißt Diffusionsbewegung.
Die Diffusion sorgt dafür, dass Ladungsträger sich gleichmäßig über den Kristall verteilen.
Bringen wir den Halbleiter in einen Stromkreis, so werden die Elektronen durch elektrische Kräfte von Minus nach Plus, die Löcher von Plus nach Minus getrieben. Diese Bewegung heißt Drift, wir nehmen sie als elektrischen Strom wahr. Drift- und Diffusionsbewegung erfolgen gleichzeitig. Sie überlagern sich gegenseitig.
Woraus besteht eine Halbleiterdiode?
Fügt man einen p-dotierten Halbleiter mit einem n-dotierten zusammen, so erhält man eine Halbleiterdiode. Halbleiterdioden lassen den Strom nur in einer Richtung passieren. Mit anderen Worten: Sie haben Ventilwirkung.
Versuch
Wir verwenden eine Halbleiterdiode als Ventil.
Eine Kristalldiode leitet, wenn der n-Halbleiter am Minus- und der p-Halbleiter am Pluspol liegt. Die entscheidenden Vorgänge spielen sich an dem pn-Übergang ab. Diese Schicht ist nur ca. 1/1000 Millimeter dünn.
Was geschieht an der pn-Grenzschicht einer Diode?
Schauen wir uns erst einmal eine Diode außerhalb des Stromkreises:
Aus dem Leitungsband des n-Halbleiters diffundieren Elektronen über die Trennschicht und füllen im p-Halbleiter Löcher aus. Dort machen sich also die ortsfesten Al-Ionen als negative Raumladung bemerkbar.
Anmerkung: Auch aus dem Valenzband des n-Halbleiters können einige Elektronen über die Trennschicht in den p-Halbleiter diffundieren. Die so entstandenen Löcher im Valenzband werden aber sofort durch Elektronen aus dem Leitungsband wieder aufgefüllt.
In den Zeichnungen bedeutet LB Leitungsband und VB Valenzband.
Im n-Halbleiter treten nach dem Elektronenverlust die ortsfesten AS-Ionen als positive Raumladung hervor.
Zwischen beiden Raumladungen bildet sich ein starkes E-Feld. Es ist vom n- zum p-Halbleiter gerichtet und begrenzt die Diffusion und damit auch die Größe der Raumladungen. Die beiden Raumladungen ziehen sich gegenseitig an, deshalb bleiben sie auf die unmittelbare Nähe des pn-Übergangs beschränkt. Am pn-Übergang entsteht eine ladungsträgerarme Schicht.
Diode im Stromkreis mit Sperrpolung
Pluspol am n-Halbleiter, Minuspol am p-Halbleiter.
Unter dem Einfluss der Spannung werden aus der Grenzschicht weitere Ladungsträger entfernt. Die Ladungsträgerverarmung an dem pn-Übergang wird dadurch größer.
Im p-Halbleiter ist das Leitungsband fast leer. Nur wenige, durch die Wärmebewegung aus dem Valenzband befreiten Elektronen können sich deshalb über die Grenzschicht in den n-Bereich bewegen (Sperrstrom µA).
Im n-Halbleite ist dageben das Valenzband fast voll. Nur die wenigen von der Wärmebewegung stammenden Löcher tragen zum Sperrstrom bei.
Diode im Stromkreis Durchlasspolung
Minuspol am n-Halbleiter, Pluspol am p-Halbleiter.
Unter dem Einfluss der Spannung wird die Grenzschicht mit Ladungsträgern überflutet.
Im n-Halbleiter strömen zahlreiche freie Elektronen über die Grenzschicht aus dem Leitungsband in den p-Halbleiter. Dort fallen sie in die Löcher des Valenzbandes. In Leuchtdioden entsteht dabei Licht, ansonsten sonst Wärme. Im p-Halbleiter hüpfen die Elektronen dagegen von Loch zu Loch zum Pluspol hin.
Im p-Halbleiter: Im Valenzband treten Valenzelektronen vom n- in den p-Halbleiter, bilden im n-Halbleiter Löcher und verstärken den eben genannten Löcherstrom. Die so am pn-Übergang im n-Halbleiter entstandenen Löcher werden von Elektronen des Leitungsbandes aufgefüllt. Diese enthalten Nachschub vom Minuspol.
Bei Durchlasspolung fließen also in beiden Bändern Ladungen über den pn-Übergang. Zu einem Stromfluss kommt es aber erst dann, wenn die äußere Spannung groß genug ist, um das E-Feld am pn-Übergang zu überwinden. Diese Spannung heißt Schleusenspannung und ist vom Diodenmaterial abhängig (0,2 .. 0,6 V).
Die Diodenkennlinie
Die genaue Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung einer Halbleiterdiode wird durch ihre Kennlinie beschrieben.
Durchlassbereich:
Bei einer kleinen Spannung fließt nur ein sehr geringer Strom.
Mit steigender Spannung steigt der Strom zunächst geringfügig an.
Ab U = 0,6 V nimmt der Strom dann sehr stark zu.
Der Wert von etwa 0,7 V wird Schwellspannung oder Schleusenspannung genannt.
Merke
Eine Halbleiterdiode ist im Bereich oberhalb der Schwellspannung niederohmig.
Sperrbereich:
Zur Kennlinienaufnahme im Sperrbereich wird die Netzspannung umgepolt. Der auf die Eigenleitfähigkeit des Kristalls zurückzuführende Sperrstrom ist gering. Die Diode darf nicht überlastet werden. Das heißt: Der vom Hersteller angegebene höchste Strom und die höchstzulässige Spannung in Sperrrichtung dürfen nicht überschritten werden.
Aus der Kennlinie kann das Widerstandsverhalten der Dioden abgelesen werden.
Hier sehen Sie die Kennlinie einer Si- Diode:
Die Tabelle gibt einige ungefähre Werte von Halbleiterdioden an. Genaue Werte können Sie den Datenbüchern entnehmen.
Technische Anwendungen der Halbleiterdiode
Aus Wechselstrom wird Gleichstrom
So sieht Wechselspannung in einem Oszilloskop aus:
Gleichspannung dagegen so:
Die Eigenschaft einer Diode, den Strom nur in einer Richtung durchzulassen, lässt sich nutzen, um aus Wechselstrom Gleichstrom herzustellen.
Pulsierende Gleichspannung aus Einweggleichrichtung
Ein Kondensator glättet die pulsierende Gleichspannung
Der Kondensator
Kondensatoren großer Kapazität werden aus zwei dünnen Metallfolien gerollt. Man trennt sie mit einer Isolierfolie.
Beim Laden eines Kondensators werden Elektronen von einer Platte auf die andere verschoben. Dabei entsteht ein Ladestrom. Nachdem man die Spannungsquelle entfernt, behält der Kondensator seine Ladung. Dabei wird Energie in elektrischer Form gespeichert. Wird der Stromkreis geschlossen, so entlädt sich der Kondensator wieder. Je größer die Fläche der Platten ist, desto mehr elektrische Ladung kann der Kondensator speichern.
Wie viel elektrische Ladung ein Kondensator speichern kann, hängt von seiner Kapazität ab.
Die Brückenschaltung
Kann man auch die zweite Halbwelle nutzen?
Versuch
Brückengleichrichter mit Kondensator. Die zweite Halbwelle wird ausgenutzt.
Zusammenfassung
Gleichrichterschaltungen
Bei der Einweggleichrichtung sperrt eine Diode während einer Halbwelle den Strom. Beim Brückengleichrichter können beide Halbwellen ausgenutzt werden. Ein Kondensator kann in beiden Fällen den pulsierenden Gleichstrom glätten.
Eine Solarzelle ist eine Diode, in der bei Lichteinfall eine elektrische Spannung entsteht. Lichtenergie wird dabei in elektrische Energie umgewandelt.
Leuchtdioden betreibt man in Durchlassrichtung. In ihrer Grenzschicht entsteht dabei Licht.
Hier finden Sie eine Übersicht über weitere Beiträge zum Thema Elektronik, darin auch Links zu Aufgaben.
