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

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

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).

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