Erklärung — die Bandverbiegung am Übergang
Im Bändermodell beschreibst du Elektronen über ihre Energie: Je weiter oben, desto energiereicher.
- Diffusion:Am pn-Übergang wandern Elektronen so lange ins p-Gebiet, bis die zurückbleibende ortsfeste Ladung sie daran hindert.
- Ortsfeste Ladung:Die n-Seite wird dadurch positiv, die p-Seite negativ.
- Bandstufe:Die Bänder der n-Seite liegen deshalb energetisch tiefer — zwischen beiden Seiten entsteht eine Stufe.
Diffusionsspannung und Bandstufe
Diffusionsspannung — bei Silizium etwa 0,7 V.
Energie, die ein Elektron zum Überwinden der Stufe braucht — hier 0,7 eV.
Elementarladung, also die Ladung eines Elektrons.
Wirkung einer äußeren Spannung
Eine äußere Spannung verschiebt die Bänder der beiden Seiten gegeneinander.
- Durchlassrichtung:Pluspol am p-Gebiet hebt die Bänder des n-Gebiets an — die Stufe wird niedriger.
- Ab etwa 0,7 V:Die Elektronen laufen die Stufe hinauf, es fließt Strom.
- Sperrrichtung:Die Bänder des n-Gebiets sinken weiter ab, die Stufe wird höher — praktisch kein Elektron schafft den Übergang.
Eine Batterie liegt am pn-Übergang – mal mit dem Pluspol am p-Gebiet, mal am n-Gebiet. Je nach Polung und Höhe der Spannung U verschieben sich die Bänder des n-Gebiets gegen die des p-Gebiets, bis die Stufe verschwindet und Strom fließt – sechs Runden mit unterschiedlicher Spannung.
Halte fest: Die äußere Spannung verschiebt die Bänder des n-Gebiets gegen die des p-Gebiets. Pluspol am p-Gebiet baut die Stufe ab (W = 0,7 eV − e·U), Pluspol am n-Gebiet macht sie höher (W = 0,7 eV + e·U) – Strom fließt erst, wenn die Stufe bei etwa 0,7 V verschwunden ist.
Hinweise
Drei Punkte, an denen das Bändermodell des pn-Übergangs regelmäßig kippt:
Die senkrechte Achse zeigt Energie, nicht Ladung. Die Bänder des n-Gebiets liegen tiefer, weil dort positive ortsfeste Ladung zurückgeblieben ist.
Bandlücke und Stufe sind nicht dasselbe: Die Bandlücke (Silizium 1,1 eV) trennt Valenz- und Leitungsband, die Stufe trennt p- und n-Seite.
Rechne die Stufenhöhe in Elektronenvolt: in Durchlassrichtung die äußere Spannung abziehen, in Sperrrichtung addieren.