Techniklexikon

p-n-Übergang

Elektronik, Halbleiterphysik,
Übergang zwischen zwei entgegengesetzt dotierten Zonen in einem Halbleiter. Er
ist grundlegend für die moderne Elektronik und findet vielfältige Anwendung,
z.B. als Gleichrichterdiode (p-n-Diode), in der Photodiode, in der Leuchtdiode
(LED) und im Transistor. Entscheidend für sein Verhalten ist die Ausbildung
einer Raumladungszone im Bereich des Überganges. Die unterschiedlichen
Fermi-Niveaus in den beiden Schichten müssen sich beim Kontakt miteinander
ausgleichen, was physikalisch durch einen Diffusionsstrom von Ladungsträgern in
die jeweils entgegengesetzte Schicht erfolgt.

Dabei baut sich ein elektrisches Gegenfeld auf, das einen
entgegengesetzten Driftstrom zur Folge hat, der im Gleichgewicht die Diffusion
kompensiert. Da sich in dieser Zone nun fast keine Majoritätsladungsträger
(deshalb auch als Verarmungsschicht bezeichnet) mehr befinden, besitzt sie
einen wesentlich höheren Widerstand als der übrige Halbleiter, ein von aussen
angelegtes elektrisches Feld fällt daher fast ausschliesslich darüber ab.

Der Driftstrom ist näherungsweise nicht von der Stärke des
Feldes in der Raumladungszone abhängig; der Diffusionsstrom wird davon
bestimmt, ob es den Ladungsträgern gelingt, die Potentialschwelle zu
überwinden. Mit diesen Annahmen und der Boltzmann-Statistik erhält man

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und daraus die Shockleysche Diodengleichung, die das Verhalten
des Überganges unter einem äusseren Feld beschreibt:

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Je nach Polung des Feldes stellt sich demnach entweder der
Sperrfall, in dem der Diffusionsstrom fast verschwindet, oder der Durchlassfall,
in dem er stark ansteigt, ein, was zur typischen gleichrichtenden Kennlinie
führt.

Bei der Verwendung als Photodiode wird der Übergang so
konstruiert, dass von aussen einfallende Photonen in die Raumladungszone
eindringen können. Sie erzeugen dort fortlaufend Elektron-Loch-Paare, die durch
das elektrische Feld getrennt werden, wodurch der Driftstrom erhöht wird, der
in einem Aussenkreis als elektrische Leistung abgreifbar ist.

Wird ein p-n-Übergang in Durchlassrichtung betrieben, so steigt
im Übergangsgebiet die Ladungsträgerdichte und somit die direkte
Elektron-Loch-Rekombination stark an. Falls dieser Vorgang unter
Photonenaussendung erfolgt, wirkt der Übergang in diesem Fall als
Lumineszenzdiode (LED).

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p-n-Übergang: a) Raumladungsverhältnisse (in
Schottky-Näherung) und b) elektrisches Feld im spannungslosen p-n-Übergang.