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PN- Übergang (Dioden)

Bild 1: Schaltsymbol und stark vergrößertes Bild einer Standarddiode

Schaltsymbol und stark vergrößertes Bild einer Standarddiode

Bild 1: Schaltsymbol und stark vergrößertes Bild einer Standarddiode

Wenn ein n-Leiter und ein gleichartiger p-Leiter zu einem Kristallverbund vereinigt werden, dann wird das Ergebnis als pn-Übergang bezeichnet. Bei einem pn-Übergang entsteht durch Diffusion und gleichzeitiger Rekombination der Ladungsträger im Grenzgebiet eine hochohmige Sperrzone. Die Breite dieser Sperrzone kann durch äußere Spannungen gesteuert werden. Das Bild 1 zeigt ein Schaltsymbol einer Halbleiterdiode, die hauptsächlich aus einem solchen pn-Übergang besteht. Das Symbol ist zu einer Zeit entstanden, als Metallspitzendioden noch eine weit verbreitete Form der Dioden darstellten. Der symbolische Pfeil ist die Anode (der p-Leiter) und der horizontale Balken ist die Kathode (der n-Leiter). Beachte: der Elektronenstrom bewegt sich entgegengesetzt der Pfeilrichtung! Die Bezeichnung CR1 ist ein alphanumerischer Code aus amerikanischen Schaltplänen und heißt „Crystal Rectifier number one”, also Diode 1.

Raumladungszone

Um die physikalischen Vorgänge im pn-Übergang verstehen zu können, betrachten wir zunächst eine pn-Kombination, an der noch keine äußere Spannung anliegt (Bild 2a). Jeder der beiden Halbleiterblöcke ist elektrisch neutral, weil im n-Leiter genauso viele freie Elektronen wie ortsfeste positive Ladungen (Ionen) vorhanden sind. Entsprechendes gilt für den p-Leiter. Auf Grund des Konzentrationsgefälles zwischen den Elektronen und Löchern in den beiden Halbleitertypen können durch Diffusion Löcher in das n-Gebiet und Elektronen in das p-Gebiet eindringen.

Raum-
ladungs-
zone

Bild 2: stromloser pn Übergang
a) Ladungsträgerkonzentration im p- und n-Material vor der Diffusion
b) Konzentration in der Grenzschicht nach dem Einsetzen des Diffusionsvorganges
c) trägerverarmte Raumladungszone
d) Ladungsverteilung in der Raumladungszone

stromloser pn Übergang
Raum-
ladungs-
zone

Bild 2: stromloser pn Übergang
a) Ladungsträgerkonzentration im p- und n-Material vor der Diffusion
b) Konzentration in der Grenzschicht nach dem Einsetzen des Diffusionsvorganges
c) trägerverarmte Raumladungszone
d) Ladungsverteilung in der Raumladungszone

Dieser Vorgang ist mit einer Rekombination der Ladungsträger verbunden. Es werden sich daher die Ladungsträgerdichten nach Bild 2b verändern.

Auf den ersten Blick könnte man meinen, dass es deswegen nach kurzer Zeit in beiden Halbleiterblöcken keine freien Elektronen und Löcher mehr gibt. Dieses wäre auch tatsächlich der Fall, wenn es keinen Prozess gäbe, der die Diffusion zum Stillstand bringt.

Die Rekombination der beweglichen Ladungsträger bewirkt, dass die ionisierten Stoßstellen nicht mehr neutralisiert werden und daher als Ladung in Erscheinung treten. Bild 2c zeigt, das im Grenzgebiet also eine Raumladung aufgebaut wird, so dass Rekombinationen nur in einer dünnen Grenzschicht stattfinden können. Denn wenn ein Elektron in den p-Leiter einwandert, wird es von der dort entstandenen negativen Raumladung abgestoßen. Es kann somit nicht weiter in das p-Material eindringen. Ebenso verhindert die positive Raumladung im n-Gebiet ein tieferes Eindringen der Löcher in den n-Leiter.

Elektronen und Löcher, die durch Paarbildung innerhalb der Raumladungszone entstehen, wirken dem Diffusionsstrom entgegen. Man bezeichnet den zur Diffusion entgegengesetzten Strom als Feldstrom. Diffusionsstrom und Feldstrom bilden ein dynamisches Gleichgewicht, wenn an der Diode keine Spannung anliegt.


Durchlasspolung

Raumladungs-
zone
originale
Sperrschicht
Stromfluss

Bild 3: Durchlasspolung

Durchlasspolung
Raumladungs-
zone
originale
Sperrschicht
Stromfluss

Bild 3: Durchlasspolung

Wird eine Vorspannung in Durchlassrichtung an den pn-Übergang angelegt, so werden Elektronen und Löcher auf die Grenzzone zugetrieben. Die Sperrschicht wird mit Ladungsträgern überschwemmt und der Widerstand der Sperrzone verringert sich. Das Gleichgewicht zwischen Feldstrom und Diffusionsstrom ist zugunsten des Diffusionsstromes gestört.

Es werden also der Pluspol an den p-Leiter und der Minuspol an den n-Leiter der Batterie angeschlossen. Das positive Potenzial des Pluspols stößt die positiven Löcher ab und treibt sie in Richtung Materialinneres, wo sie Rekombinationen mit den negativen Ionen verursachen.

Gleichzeitig stößt das negative Potenzial der Katode die Elektronen in das Materialinnere, die ebenfalls Rekombinationen mit den positiven Ionen des n-Materials verursachen. Da sich also auf beiden Seiten die Anzahl der Raumladungsträger verringert, wird die Dicke der Sperrzone stark verringert, so dass die Ladungsträger die Sperrzone passieren können. Es findet ein recht starker Stromfluss statt.

Bei einem pn-Übergang entsteht durch Diffusion und gleichzeitiger Rekombination der Ladungsträger im Grenzgebiet eine hochohmige Sperrzone. Die Breite dieser Sperrzone kann durch äußere Spannungen gesteuert werden. Bei Durchlasspolung (Pluspol am p–Leiter, Minuspol am n–Leiter) können Elektronen und Löcher den pn–Übergang passieren.

Bei einem pn-Übergang entsteht durch Diffusion und gleichzeitiger Rekombination der Ladungsträger im Grenzgebiet eine hochohmige Sperrzone. Die Breite dieser Sperrzone kann durch äußere Spannungen gesteuert werden. Bei Durchlasspolung (Pluspol am p–Leiter, Minuspol am n–Leiter) können Elektronen und Löcher den pn–Übergang passieren.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass der Strom in Durchlassrichtung durch die Majoritätsträger (Löcher im p-Material und Elektronen im n-Material) erfolgt, die bei starkem Anstieg der Spannung und des Stromes eine Erhitzung des Halbleitermaterials bewirken. Wenn diese Temperatur ansteigt, dann werden zusätzliche Ladungsträger frei und der Strom steigt weiter an bis der Halbleiterkristall thermisch zerstört wird!

Sperrpolung

Raumladungs-
zone
originale
Sperrschicht

Bild 4: Sperrpolung an der Diode

Sperrpolung an der Diode
Raumladungs-
zone
originale
Sperrschicht

Bild 4: Sperrpolung an der Diode

Bei Sperrpolung (Pluspol am n–Leiter, Minuspol am p–Leiter) fließt nur ein geringer Sperrstrom, der von der Temperatur abhängt. Der Sperrstrom wird durch die Eigenleitung des Halbleitermaterials bestimmt.

Bei Sperrpolung (Pluspol am n–Leiter, Minuspol am p–Leiter) fließt nur ein geringer Sperrstrom, der von der Temperatur abhängt. Der Sperrstrom wird durch die Eigenleitung des Halbleitermaterials bestimmt.

Wird nun an den p-Leiter der Minuspol und an den n-Leiter der Pluspol der Batterie angeschlossen wie das Bild 4 zeigt, dann werden die Löcher zur negativen Elektrode (Katode) und die Elektronen zur positiven Elektrode (Anode) gezogen. Das hat zur Folge, dass die ladungsträgerverarmte Grenzschicht breiter und hochohmig wird. Der pn-Übergang ist gesperrt.

Der geringe Sperrstrom ist auf die thermische Paarbildung innerhalb der Sperrzone zurückzuführen. Das Gleichgewicht ist zugunsten des Feldstromes gestört. Bei höherer Temperatur nimmt die Paarbildung und damit der Sperrstrom zu.

Bild 5 zeigt die I/U-Kennlinie einer Germaniumdiode. Die Kennlinie zeigt, dass nur dann ein größerer Strom fließt, wenn der Pluspol an den p-Leiter und der Minuspol der Stromquelle an den n-Leiter angeschlossen ist.

Bild 5: I/U-Kennlinie einer Germaniumdiode

Strom/Spannungs- Kennlinie einer Germaniumdiode

Bild 5: I/U-Kennlinie einer Germaniumdiode

Wir sehen jetzt, welche Bedeutung dem Einbau von Fremdatomen in das Halbleitermaterial zukommt. Ohne die ortsfesten Störstellen würde sich keine Sperrschicht zwischen den Halbleitern ausbilden. Die Eigenschaft des pn-Überganges, den Strom nur in einer Richtung zu leiten, ist für die gesamte Halbleiterelektronik von grundlegender Bedeutung. Der entscheidende Fortschritt bei dieser Technologie liegt darin, dass die elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern durch äußere Spannungen sehr schnell verändert werden kann.

Mechanischer Aufbau

Eine Möglichkeit einen pn-Übergang zu erzeugen ist es, bei der Züchtung des Halbleiterkristalls ab einem bestimmten Zeitpunkt das flüssige Ausgangsmaterial zu wechseln. Der Kristall mit zum Beispiel dem n-Leiter wächst dann als p-Leiter weiter. Hier sind sehr großflächige einkristalline pn-Übergange möglich, wie sie beispielsweise bei der Herstellung von Solarzellen genutzt werden.

Eine weitere Möglichkeit ist, auf dem Basismaterial von n-dotiertem Germanium eine kleine Menge mit Indium gemischtes (n-dotiertes Germanium) aufzutragen. Diese kleine sogenannte „Indiumperle” wird mit genau dosierter Wärme eingeschmolzen und diffundiert teilweise in das Basismaterial ein. Dies ist die meist genutzte Form des pn-Übergangs für Halbleiterdioden.

Bild 6: verschiedene pn-Übergänge
a) einkristallin
b) Indiumperle
c) Spitzendiode

verschiedene Arten von pn-Übergängen

Bild 6: verschiedene pn-Übergänge
a) einkristallin
b) Indiumperle
c) Spitzendiode

Als Spitzendioden werden Dioden genannt, bei denen ein sehr dünner Metalldraht auf das n-dotierte Germanium geführt wird. Dieser dünne Draht wird mittels eines starken Stromimpulses im Germanium durch Anschmelzung des Basismaterials befestigt. Da dieser pn-Übergang eine extrem kleine Fläche einnimmt, ist diese Form der Dioden für Höchstfrequenzanwendungen geeignet.