Der pn-Übergang

Du kennst jetzt zwei Sorten dotiertes Silizium. Interessant wird es erst, wenn beide sich berühren.

• n-Silizium:Enthält Überschusselektronen, die frei durch den Kristall wandern.
• p-Silizium:Enthält Löcher — unbesetzte Bindungsplätze, die sich wie positive Ladungsträger verhalten.
• Jedes Stück für sich:Nach außen neutral und in beide Richtungen gleich gut leitend.
• pn-Übergang:Beide Bereiche liegen lückenlos im selben Gitter — links mit Bor, rechts mit Phosphor dotiert, ohne Kleber oder Draht dazwischen.
• Was dort entsteht:Ganz von allein eine schmale Zone fast ohne bewegliche Ladungsträger — der Kern jeder Diode, LED und Solarzelle.

Diffusion, Rekombination, zurückbleibende Ladung, Gegenfeld — vier Schritte, dann ist Ruhe.

Schritt 1: Die Elektronen wandern hinüber

• Ungleich verteilt:Auf der n-Seite drängen sich sehr viele freie Elektronen, auf der p-Seite gibt es fast keine.
• Diffusion:Ungleich verteilte Teilchen wandern von selbst dorthin, wo weniger sind — wie ein Tropfen Tinte im Wasserglas.
• Folge:Elektronen wandern aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet.

Schritt 2: Sie fallen in die Löcher

• Treffer:Die zugewanderten Elektronen treffen im p-Gebiet auf die dortigen Löcher und besetzen sie.
• Rekombination:Das Elektron sitzt danach fest in einer Bindung, das Loch ist verschwunden.
• Folge:Beide Ladungsträger sind aus dem Verkehr gezogen.

Schritt 3: Ortsfeste Ladung bleibt zurück

• n-Seite:Das abgewanderte Elektron lässt einen Phosphor-Rumpf zurück — jetzt positiv geladen und fest im Gitter, er kann nicht nachwandern.
• p-Seite:Jedes Bor-Atom, dessen Loch gefüllt wurde, wird zu einem ortsfesten negativ geladenen Rumpf.
• Sperrschicht:Der schmale Streifen um die Grenze hat kaum noch bewegliche Ladungsträger, aber sehr wohl Ladung: n-Seite positiv, p-Seite negativ.
• Dicke:In Wirklichkeit ungefähr ein tausendstel Millimeter.

Schritt 4: Das eingebaute Feld stoppt alles

• Eingebautes Feld:Zwischen der positiven und der negativen ortsfesten Ladung liegt ein elektrisches Feld; es zeigt von der n-Seite zur p-Seite.
• Gegenwirkung:Es wirkt genau gegen die Wanderungsrichtung der Elektronen — je mehr hinüberdiffundieren, desto stärker wird es.
• Gleichgewicht:Die Sperrschicht hört auf zu wachsen; ohne äußere Spannung fließt kein Strom.

Was eine äußere Spannung daraus macht

Jetzt schließen wir eine Spannungsquelle an — entscheidend ist allein, an welcher Seite der Pluspol liegt.

• Durchlassrichtung:Pluspol am p-Gebiet — beide Ladungsträgersorten strömen in die Sperrschicht, sie wird schmaler; ab einer bestimmten Spannung fließt Strom.
• Sperrrichtung:Pluspol am n-Gebiet — die Grenzzone wird leergeräumt, die Sperrschicht wird breiter, es fließt praktisch kein Strom.
• Ohne Spannung:Die Sperrschicht hat ihre natürliche Breite, das eingebaute Feld hält der Diffusion die Waage — 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.