Halbleiterdiode

Halbleiterdiode Übung

• Gib an, was ein dotierter Halbleiter ist.

  Tipps

  Man wählt häufig Silicium als Halbleiterelement.

  Silicium kann mit Aluminium oder Arsen dotiert werden.

  Lösung

  Ein dotierter Halbleiter ist ein Verbindungshalbleiter, der aus einem Halbleiterelement der **4. HG und einem Dotierelement der 3. oder 5. HG des Periodensystems besteht. Als Element der 4. HG wählt man häufig Silicium, deshalb betrachten wir nun dieses Beispiel:

  • Da Silicium ein Element der 4. HG ist, muss dieses vier Elektronen auf der äußersten Schale besitzen, wenn es elektrisch neutral ist.
  • Diese Elektronen gehen nun eine Elektronenpaarbindung mit den Elektronen benachbarter Silicium-Atome ein.
  • Es entsteht ein Silicium-Gitter, in dem keine freien Elektronen vorhanden sind, da diese alle in einer Bindung festgehalten werden.
  • Entnimmt man nun ein Silicium-Atom aus dem Verbund und setzt ein Atom der 5. HG wie etwa Arsen ein, so spricht man von einer Dotierung des Siliciums mit Arsen.
  • Da das Arsen nun fünf Valenzelektronen besitzt, von denen nur vier in einer Elektronenpaarbindung fixiert werden, bleibt ein freies Elektron übrig. Der Halbleiter ist dann n-dotiert.

  Dotiert man $Si$ mit einem Element der 3. HG wie etwa Aluminium $Al$ , so ensteht ein p-dotierter Halbleiter, in dem ein Überschuss an positiver Ladung besteht.

• Erkläre, wie die Verarmungszone entsteht.

  Tipps

  Eine Halbleiterdiode besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitern.

  An der Grenzschicht entsteht eine elektrische Spannung.

  Lösung

  Eine Halbleiterdiode besteht aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitern:

  • Es gibt den p-dotierten Halbleiter, der aufgrund der Eigenschaften seiner Dotierung einen Überschuss an positiven Löchern hat, und
  • den n-dotierten Halbleiter , in dem freie Elektronen existieren.

  Du kannst dir die positiven Löcher als einen freien Bindungsplatz in der Struktur des Halbleiters vorstellen. An dieser Stelle wäre es energetisch günstig, ein Elektron aufzunehmen und dieses in eine Valenzbindung zu integrieren. Dabei sind die beiden Halbleiter elektrisch völlig neutral, denn beide tragen dieselbe Anzahl Protonen wie Elektronen.

  Die freien Elektronen aus der n-dotierten Schicht können nun über die Stoffgrenze hinweg in die andere p-dotierte Schicht diffundieren. Ebenso können auch die positiven Löcher ihren Aufenthaltsort ändern. Trifft dann ein positives Loch auf ein Elektron, so neutralisieren sich diese unter Abgabe von Energie. Man nennt diesen Vorgang auch Rekombination.

  Da nun an der Übergangsschicht zwischen dem p- und n-dotierten Halbleiter alle Löcher und freie Elektronen neutralisiert werden, entsteht eine Verarmungszone. Bei der Bewegung der Ladung ändert sich das elektrische Potential, sodass an der Grenzschicht eine elektrische Spannung entsteht, welche verhindert, dass eine weitere Diffusion stattfindet.

• Erkläre die Kennlinie der Halbleiterdiode.

  Tipps

  Die Diodenkennlinie gibt an, in welchem Spannungsbereich eine Diode genutzt werden kann.

  Wird eine Diode durchbrochen, ist diese nicht länger zu gebrauchen.

  Lösung

  Die Diodenkennlinie gibt an, in welchem Spannungsbereich eine Diode gut genutzt werden kann. Dazu teilt man den Graphen in drei Bereiche ein:

  1. Durchlassbereich: Das ist der Bereich, in dem die Spannung positiv ist. Hier kann ein Strom durch die angelegte Spannung fließen, denn die Diode ist hier in Durchlassrichtung geschaltet.
  2. Sperrbereich: Für Spannung im negativen Bereich fließt zunächst nur ein kleiner Sperrstrom. Wird nun die Durchbruchspannung überwunden, so schlägt die Diode durch. Dies ist gewissermaßen die Grenze zwischen dem Sperrgebiet und der Durchbruchzone.
  3. Durchbruchzone: Wird eine gewisse Spannung in Sperrrichtung überwunden, so schlägt die Diode durch und ist kaputt. Dann fließt jedoch wieder ein elektrischer Strom, denn die Diode stellt nun kein Hindernis mehr dar.

  Doch warum verläuft der Strom über der Spannung nun so, wie im Bild? Betrachten wir zunächst, ausgehend vom Ursprung des Koordinatensystems von $I$ über $U$ den positiven Bereich:

  • Zunächst fließt nur ein geringer Strom, was mit der anfangs geringen Spannung zu erklären ist. Überschreitet die Spannung einen bestimmten Grenzwert, die Schleusenspannung $U_s$, so steigt der Stromfluss stark an.
  • Betrachten wir den negativen Bereich. Hier ist die Diode nun also in Sperrrichtung geschaltet. Eine negative Spannung bedeutet, dass diese umgekehrt zu einer Vergleichsspannung im positiven Bereich gepolt ist. Nun muss der umgekehrten Spannung also ein ebenfalls entgegengesetzter Stromfluss folgen. Da die Diode in Sperrrichtung jedoch nur einen sehr geringen Sperrstrom durchlässt, ist der Ausschlag in der Kennlinie vorerst sehr gering.
  • Erst mit erreichen der kritischen Durchbruchsspannung $U_{Br}$ fließt ein größerer Strom. Das ist damit zu erklären, dass die Diode, bei ihrem Durchbruch zerstört wird und nun nicht mehr über einen Sperrmechanismus verfügt. So kann der Strom das Bauteil nach Durchbruch der Diode auch in Sperrrichtung beinahe ungehindert durchfließen.

• Gib an, ob eine p-Dotierung oder eine n-Dotierung vorliegt.

  Tipps

  Die Art der Dotierung hängt von der Hauptgruppe des verwendeten Dotierelementes ab.

  Silicium ist ein Element der 4. HG.

  Lösung

  Die Art der vorliegenden Dotierung hängt von der Hauptgruppe des verwendeten Dotierelementes ab.

  Wir wollen Silicium mit unterschiedlichen Elementen dotieren und analysieren, welche Art der Dotierung so entsteht. Da Silicium ein Element der 4. HG ist, können wir dieses mit Elementen der 3. und 5. HG dotieren.

  • Für Elemente der 3. HG bleibt dabei stets ein positives Loch im dotierten Silicium-Gitter zurück. Man spricht von p-dotiert. Elemente der 3. HG sind etwa Aluminium, Gallium oder Bor.
  • Wird Silicium mit einem Element der 5. HG wie etwa Arsen oder Phosphor dotiert, so bleibt ein freies Elektron oder ein negatives Loch in der Struktur übrig. Man spricht dann von n-dotiertem Silicium.
  • Für den Fall, dass wie das Silicium mit einem anderen Element der 4. HG dotieren, bleibt der angestrebte Effekt aus. Es werden dann keine positiven oder negativen Löcher erzeugt. Das ist auch ganz logisch, denn bei einer Dotierung eines Stoffes, der vier Valenzelektronen hat, mit einem Stoff, der ebenfalls vier Valenzelektronen besitzt, kann jedes Elektron eine Bindung eingehen. Es entsteht so ein homogenes, lochfreies Gitter.

• Bestimme das Symbol für die Halbleiterdiode.

  Tipps

  Um einen Schaltplan richtig zu lesen, muss zudem bekannt sein, welches die Durchlassrichtung und welches die Sperrrichtung der Diode ist.

  Lösung

  Hier siehst du das Schaltzeichen der Halbleiterdiode.

  Um das Schaltzeichen richtig zu lesen, muss bekannt sein, welches die Durchlassrichtung und welches die Sperrrichtung der Diode ist.

  • Als Durchlassrichtung der Diode bezeichnet man die Pfeilrichtung, also hier von unten nach oben. Nur in dieser Richtung kann ein Strom fließen.
  • Die andere Richtung, also von oben nach unten, ist die Sperrrichtung. In diese Richtung wird kein Strom übertragen. Die Diode kann jedoch durchschlagen, wenn zu hohe Spannungen anliegen.

• Beschreibe, was passiert, wenn eine externe Spannung an eine Halbleiterdiode angelegt wird.

  Tipps

  Die Kathode ist der negative Pol.

  Eine Diode hat eine Sperr- und eine Durchlassrichtung.

  Lösung

  Legen wir eine Spannung an einer Halbleiterdiode an, so ist vor allem interessant, in welcher Richtung die Spannung abfällt, also an welchem Halbleiter die Anode und an welchem die Kathode angebracht wird. Generell bezeichnet die Kathode stets den Ort des Elektronenüberschusses, also den Minus-Pol, während die Anode den Plus-Pol darstellt.

  • Legen wir nun eine Spannung an einer Halbleiterdiode an, sodass die Anode am n-dotierten Halbleiter anliegt. In diesem Fall ist die Diode in Sperrrichtung geschaltet, das heißt, es kann nur ein sehr kleiner Sperrstrom fließen.
  • Erhöht man hier die äußere Spannung, sodass diese die Durchbruchsspannung übersteigt, schlägt die Diode durch und ist in der Regel kaputt.
  • Um die Diode in Durchlassrichtung zu schalten, müssen Anode und Kathode vertauscht werden. Wir bringen also die Anode nun an der p-dotierten Schicht und die Kathode an der n-dotierten Schicht an. So ist gewährleistet, dass Ladungsträger an der Grenzschicht rekombinieren können und es kann ein Strom fließen.

  Da die Halbleiterdiode nur eine Durchlassrichtung hat, kann diese dazu eingesetzt werden, Wechselstrom zu Gleichstrom umzuformen. Diese Technik wird etwa im Ladegerät deines Handys verwendet.