Physik 9 · Elektrizitätslehre

Halbleiter und pn-Übergang

Diese Seite geht über den Unterrichtsstoff hinaus. Reines Silizium leitet schlecht: Fast alle Elektronen stecken in den Bindungen. Schon winzige Mengen fremder Atome ändern das. Legt man eine n-dotierte und eine p-dotierte Schicht aneinander, entsteht ein pn-Übergang. Er lässt den Strom nur in einer Richtung durch und steckt in jeder Diode, jeder Leuchtdiode und jeder Solarzelle.

So gehst du vor

1Tippe in Teil A auf Atome. So setzt du Phosphor (P) oder Bor (B) in das Gitter.
2Schalte die Spannung ein und beobachte, in welche Richtung sich die Ladungsträger bewegen.
3Ändere die Temperatur und achte auf die Zahl der freien Elektronen im reinen Silizium.
4Stelle in Teil B die Spannung ein. Plus an p heißt Durchlassrichtung, Minus an p heißt Sperrrichtung.
5Vergleiche die Breite der Sperrschicht mit dem Strom.

A Silizium und Fremdatome

Silizium hat vier Außenelektronen, je zwei Atome teilen sich ein Elektronenpaar. Phosphor (P) hat eines mehr: Es bleibt frei beweglich. Bor (B) hat eines weniger: Es bleibt ein Loch, das wie eine positive Ladung wandert. Blauer Punkt: freies Elektron. Roter Ring: Loch. Im Bild sind Fremdatome und Wärmewirkung stark übertrieben.

Temperatur T

300 K

Freie Elektronen

Löcher

Echte Zahlen, freie Elektronen je cm³

Reines Silizium bei 300 K: 1,0 · 10¹⁰

Ein Phosphoratom je Million Siliziumatome: 5,0 · 10¹⁶

B Der pn-Übergang

Quadrate: feste Ionen, sie können sich nicht bewegen. Blaue Punkte: freie Elektronen. Rote Ringe: Löcher. In der gelben Sperrschicht gibt es keine freien Ladungsträger. Am Übergang haben sich Elektronen und Löcher gegenseitig aufgehoben, die Ionen bleiben als Ladung stehen, und ihr Feld hält die übrigen Ladungsträger zurück. Die orangen Ringe zeigen, wo sich Elektron und Loch vereinigen.

Spannung U

0,00 V

Strom

0 mA

Ziehe den roten Punkt auf der Kennlinie. Die Kennlinie selbst misst du auf der Seite Diode und Gleichrichter.

Aufträge

Setze drei Phosphoratome ins Gitter. Warum ist der Kristall trotz der freien Elektronen elektrisch neutral?
Setze Boratome ins Gitter und lege Spannung an. In welche Richtung wandern die Löcher? Was bewegt sich dabei in Wirklichkeit?
Wie viel mehr freie Elektronen hat Silizium mit einem Phosphoratom je Million Atome bei 300 K als reines Silizium?
Erhöhe die Temperatur von reinem Silizium von 300 K auf 350 K. Um welchen Faktor wächst die Zahl der freien Elektronen? Wie verhält sich dagegen ein Metall?
Stelle U = 0 ein. Warum wandern nicht alle Elektronen hinüber auf die p-Seite?
Lege −3 V an. Was passiert mit der Sperrschicht und mit dem Strom? Erkläre, wohin die Ladungsträger gezogen werden.
Erhöhe die Spannung in Durchlassrichtung in kleinen Schritten. Ab welcher Spannung fließen merklich Ströme? Warum gerade ab dort?

Zusatz zum Kapitel „Diode“. Die Kennlinie ist die der Siliziumdiode auf der Seite Diode und Gleichrichter.