Zwei dotierte Siliziumstücke, direkt aneinandergefügt — und an der Nahtstelle entsteht von ganz allein eine Zone, die den elektrischen Strom nur noch in eine Richtung durchlässt.
Du kennst jetzt zwei Sorten dotiertes Silizium. Interessant wird es erst, wenn beide sich berühren.
Der pn-Übergang
Aufbau: Berühren sich n-Silizium (Überschusselektronen) und p-Silizium (Löcher), entsteht von selbst eine schmale Zone fast ohne bewegliche Ladungsträger.
Bedeutung: Dieser Übergang ist der Kern jeder Diode, LED und Solarzelle.
Diffusion, Rekombination, zurückbleibende Ladung, Gegenfeld — vier Schritte, dann ist Ruhe.
Sperrschicht im Gleichgewicht:
Diffusion baut die Sperrschicht auf — das entstehende Feld bremst die Diffusion.
Sperrschicht: Schmale Zone an der Grenze, arm an beweglichen Ladungsträgern.
: Sie trägt trotzdem Ladung: ortsfeste Rümpfe, n-Seite positiv, p-Seite negativ.
Entstehung: Elektronen diffundieren aus dem n- ins p-Gebiet und rekombinieren mit Löchern. Zurück bleiben ortsfeste Rümpfe: n-Seite positiv, p-Seite negativ; das eingebaute Feld stoppt die Diffusion.
Durchlassrichtung: Pluspol am p-Gebiet: Die Sperrschicht wird schmaler, ab einer bestimmten Spannung fließt Strom.
Sperrrichtung: Pluspol am n-Gebiet: Die Sperrschicht wird breiter, es fließt praktisch kein Strom.
Jetzt schließen wir eine Spannungsquelle an — entscheidend ist allein, an welcher Seite der Pluspol liegt.
| Zustand | Pluspol liegt an | Sperrschicht | Strom |
|---|---|---|---|
| Durchlassrichtung | p-Gebiet | wird schmal | fließt |
| ohne äußere Spannung | — | natürliche Breite | kein Strom |
| Sperrrichtung | n-Gebiet | wird breiter | kein Strom |
Damit leitet der pn-Übergang richtungsabhängig — eine Eigenschaft, die kein einzelner Halbleiter besitzt, und genau das macht ihn technisch so wertvoll.
Links siehst du das p-Gebiet mit seinen Löchern, rechts das n-Gebiet mit seinen freien Elektronen. Dazwischen liegt die Sperrschicht mit den ortsfesten Ladungen. Beobachte, wie die Sperrschicht atmet — und ab wann Ladungsträger durch die Grenze wandern.
Achte auf zwei Dinge: Erstens wird die Sperrschicht in Durchlassrichtung schmal und in Sperrrichtung breit — ihre Breite ist also nichts Festes, sondern hängt an der angelegten Spannung. Zweitens setzt der Strom nicht schon bei 0,1 V ein: Erst wenn die äußere Spannung das eingebaute Feld überwiegt, strömen die Ladungsträger durch die Grenze.
Drei Punkte, an denen beim pn-Übergang regelmäßig etwas durcheinandergeht.
In der Sperrschicht fehlt nur die bewegliche Ladung. Die ortsfesten Atomrümpfe tragen sehr wohl Ladung — und genau die erzeugt das Feld.
Die Vorzeichen sitzen über Kreuz. Elektronen wandern von n nach p, also bleibt die n-Seite positiv zurück und die p-Seite wird negativ.
Fest und beweglich auseinanderhalten. Fremdatome sitzen fest im Gitter; beweglich sind nur Elektronen und Löcher — und ein Loch ist ein unbesetzter Bindungsplatz, kein Teilchen.