Halbleiterbauelemente
Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern liegt zwischen der von Leitern und Nichtleitern. Weiteres Merkmal ist ein negativer Temperaturkoeffizient. Während bei den meisten Stoffen die elektrische Leitfähigkeit mit der Temperatur abnimmt, leiten Halbleiter den Strom mit zunehmender Temperatur besser. Man unterscheidet Elementhalbleiter wie z.B. Germanium (Ge), Silizium (Si) oder Selen (Se) und Verbindungshalbleiter wie Galliumphosphid (GaP), Galliumarsenit (GaAs) oder Indiumphosphid (InP).
Um die Vorgänge zu verstehen, müssen wir unser Atommodell etwas erweitern. Die Elektronen bewegen sich auf schalenförmig um den Atomkern angeordneten Umlaufbahnen. Ist eine Schale mit Elektronen voll besetzt, kommt eine neue Schale dazu. Die Zahl der Elektronen, die auf eine Schale passen, berechnet sich nach der Formel 2n2, wobei n angibt, um die wievielte Schale es sich handelt. Auf der inneren Umlaufbahn haben 2 Elektronen Platz, auf der zweiten 8, der dritten 18 usw. Die Elektronen auf der äußeren Bahn nennt man auch Valenzelektronen, da sie sich an Bindungen mit anderen Atomen beteiligen können. Eine Besetzung der äußeren Schale mit 8 Elektronen ist eine besonders stabile Konfiguration. Atome mit 8 Außenelektronen gehen daher kaum Verbindungen mit anderen Atomen ein. Das betrifft die gesamte Gruppe der Edelgase.
Auf der Abbildung oben ist ein Schwefelatom mit der Ordnungszahl 16 zu sehen. Die beiden inneren Schalen sind mit 2 bzw. 8 Elektronen voll besetzt. Die äußere Schale mit 6 Valenzelektronen hätte noch Platz für 12 weitere Elektronen, oder 2 bis zum Erreichen eines stabilen Zustands. Wenn sich 2 Atome so verbinden, dass sich die äußeren Schalen überlappen, bilden je ein Valenzelektron jedes Atoms ein gemeinsames Elektronenpaar, das jetzt von beiden Atomen genutzt wird. Auf diese Weise füllen die Atome ihre äußeren Schalen auf.
Elementhalbleiter wie Germanium oder Silizium besitzen 4 Valenzelektronen. Im Kristallgitter von Halbleitern ordnen sich die Atome so an, dass 1 Atom mit 4 weiteren Atomen gemeinsame Elektronenpaare bildet. Da alle Valenzelektronen in den Gitteraufbau einbezogen sind, müssten Halbleiter eigentlich sehr gute Isolatoren sein. Tatsächlich ist das nur so bei einer Temperatur in der Nähe des absoluten Nullpunktes (-273,15°C). Bei Temperaturerhöhung werden durch die Energie Valenzelektronen freigesetzt und stehen jetzt als freie Ladungsträger zur Verfügung. Sie hinterlassen im Gitter eine Fehlstelle, ein positiv geladenes "Loch" oder Defektelektron. Beim Anlegen einer Spannung bewegen sich die Elektronen in Richtung der positiven Elektrode, während sich die Defektelektronen in die andere Richtung auf den Weg machen. Im Vergleich zu Metallen ist die Anzahl freier Ladungsträger in reinen Halbleitern aber doch relativ gering. Im Germaniumkristall kommt bei Zimmertemperatur ein Elektron auf 109 Atome. Um die Leitfähigkeit von Halbleitern zu erhöhen, bringt man gezielt Fremdatome in das Kristallgitter ein. Diesen Vorgang nennt man
Dotierung
Ersetzt man einzelne Atome des Halbleiters durch ein Element mit abweichender Anzahl von Valenzelektronen, entsteht eine andere Ladungsverteilung.
Im Germanium- oder Siliziumkristall werden die 4 Valenzelektronen für die Bindung benötigt. Bringt man ein 5-wertiges Atom wie z.B. Phosphor (P), Arsen (As) oder Antimon (Sb) ein, bleibt ein Elektron übrig und steht als freier Ladungsträger für einen Stromfluss zur Verfügung. Man nennt diese Atome Donatoren, da sie ein Elektron abgeben können. Wegen der zusätzlichen negativen Ladungsträger spricht man von n-Dotierung.
3-wertige Elemente, z.B. Bor (B), Aluminium (Al) oder Indium (In), werden Akzeptoren genannt, da jetzt eine Fehlstelle entsteht, die ein weiteres Elektron aufnehmen kann. Es entsteht sozusagen ein positives "Loch". Wegen der positiven Defektelektronen sprechen wir von p-Dotierung.
Achtung! Die Begriffe überschüssiges oder fehlendes Elektron beziehen sich nur auf die für die Bindung notwendigen Elektronen. Die Kristalle sind nach außen weiterhin elektrisch neutral, da die Zahl der Elektronen und die Protonenzahl der Atome immer noch übereinstimmt.
Der pn-Übergang
Bringt man zwei unterschiedlich dotierte Kristalle zusammen, bewegen sich die freien Elektronen aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet und besetzen dort die Fehlstellen an den Akzeptoren. Im n-Kristall bleibt ein positiv geladenes Gebiet zurück, da den Donatoratomen ein Elektron fehlt. Im p-Gebiet entsteht ein Elektronenüberschuss und damit ist der Bereich negativ geladen.
Das entstehende elektrische Feld wirkt der Ladungsträgerdiffusion entgegen und verhindert einen vollständigen Ladungsträgeraustausch. Es entsteht an der Grenzschicht der Kristalle eine begrenzte elektrisch geladenen Zone ohne freie Ladungsträger, die sogenannte Raumladungszone.
Legen wir eine Spannung so an, dass der positive Pol am n-Gebiet anliegt, werden die freien Elektronen weiter von der Übergangsschicht weggezogen und die Fehlstellen auf der p-Seite bewegen sich auf den negativen Pol zu. Die Raumladungszone vergrößert sich dadurch und verhindert, daß ein Strom durch den Kristall fließen kann.
Bei umgekehrter Polung werden die Ladungsträger in Richtung der Grenzschicht gedrückt und beim Überschreiten der sogenannten Schwellspannung wird der pn-Übergang durchlässig. Wir haben hier also die Halbleiterversion einer Diode. Auf der Abbildung ist unten das Schaltbild der Halbleiterdiode zu sehen. Der Pfeil zeigt dabei die technische Stromrichtung vom Plus- zum Minuspol an, welche festgelegt wurde, als man die genauen Vorgänge im Atom noch nicht kannte. Die Bewegung der Elektronen ist aber genau andersherum.
In Sperrrichtung betrieben fließt durch die Halbleiterdiode nur ein sehr geringer Sperrstrom, außer man überschreitet die sogenannte Durchbruchspannung. Dann kommt es zu einem lawinenartigen Stromanstieg, was zur Zerstörung des Bauelementes führen kann. Normalerweise ist ein Durchbruch unerwünscht, kann aber auch technisch genutzt werden, z.B. bei der
Z-Diode
Die Z-Diode wird in Sperrrichtung betrieben. Bei Überschreitung der Durchbruchspannung wird die Z-Diode leitend. Die Spannung über der Z-Diode kann nicht weiter ansteigen. Ein Vorwiderstand begrenzt den Strom auf ein für die Z-Diode verträgliches Maß.
Während normalerweise eine hohe Durchbruchspannung wünschenswert ist, kann durch entsprechende Dotierung der Halbleiterkristalle die Durchbruchspannung bis auf ca. 5V herabgesetzt werden. Eingesetzt werden Z-Dioden vor allem zur Spannungsbegrenzung oder Spannungsstabilisierung in Netzteilen.
Kapazitätsdiode
Bei einem in Sperrrichtung geschalteten pn-Übergang stehen sich in der Raumladungszone positive und negative Ladungen gegenüber. Sie wirkt damit wie ein Kondensator.
Die Kapazität hängt von der Breite der Raumladungszone ab, welche sich durch die angelegte Spannung einstellen lässt. Sie kann daher anstelle von mechanisch veränderbaren Kondensatoren eingesetzt werden, z.B. zur Abstimmung von Schwingkreisen.
Fotodiode
Trifft Licht ausreichender Energie auf eine Halbleiterdiode, werden Elektronen aus den Atombindungen freigesetzt und es entstehen neue Elektronen-Loch-Paare. Durch das elektrische Feld in der Raumladungszone angetrieben wandern die Elektronen in Richtung des n-Gebietes und die "Löcher" in die andere Richtung. Verbindet man die Anschlüsse der Diode miteinander, fließt ein Fotostrom, dessen Stärke proportional zum Lichteinfall ist.
Bei Solarzellen wird dieser Effekt genutzt, um aus Lichtenergie elektrische Energie zu erzeugen. Ansonsten kann der Effekt genutzt werden zur Belichtungsmessung oder für Lichtschranken. In Empfängern von optischen Signalen werden Fotodioden meist mit einer äußeren Spannung in Sperrrichtung betrieben. Auch der Sperrstrom einer Halbleiterdiode steigt mit dem Lichteinfall proportional an. Sie wird also auch in Sperrrichtung mehr oder weniger durchlässig. Die Reaktionszeit der Fotodiode ist in Sperrrichtung geringer, wodurch sich höhere Frequenzen besser übermitteln lassen.
Leuchtdiode
Leuchtdioden werden in Flussrichtung betrieben. Dabei bewegen sich Elektronen vom n-Gebiet in den p-dotierten Teil. Dort rekombinieren sie immer wieder mit den dort vorhandenen Defektelektronen. Die Elektronen "springen" quasi von Loch zu Loch. Dabei gehen sie von einem Zustand höherer Energie (Leitungselektron) in einen Zustand niedrigerer Energie (Valenzelektron) über.
Nach dem Energieerhaltungssatz kann die dabei frei werdende Energie nicht verloren gehen. Bei verschiedenen Verbundhalbleitern wird diese Energie als Lichtquant freigesetzt. Die Lichtfarbe ist von der Energiedifferenz der beiden Zustände des Elektrons abhängig und ist bei den verschiedenen Verbundhalbleitern unterschiedlich.