Halbleiter — p-Typ, n-Typ & PN-Übergang

Ein Halbleiter ist ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit gezielt eingestellt werden kann. In Silizium erzeugen Donator-Dotierstoffe n-leitendes Material mit Elektronen als Majoritätsladungsträgern, Akzeptor-Dotierstoffe erzeugen p-leitendes Material mit Löchern als Majoritätsladungsträgern, und das Zusammenfügen beider ergibt einen PN-Übergang, der in Durchlassrichtung viel leichter leitet als in Sperrrichtung.

Diese eine Idee erklärt einen großen Teil der grundlegenden Elektronik. Dioden, LEDs, Solarzellen und viele Transistorstrukturen hängen davon ab, wie sich Ladungsträger in dotierten Halbleiterbereichen bewegen.

Was ein Halbleiter ist

In einem einfachen Bändermodell hat ein Halbleiter ein gefülltes Valenzband, ein weitgehend leeres Leitungsband und eine Bandlücke, die klein genug ist, damit sich das Verhalten der Ladungsträger unter normalen Bauteilbedingungen verändern lässt. Reines Silizium bei Raumtemperatur hat einige bewegliche Ladungsträger, aber weit weniger als ein Metall.

Die entscheidende Frage ist also nicht nur: „Leitet es?“ Die nützlichere Frage lautet: „Was verändert Anzahl und Bewegung der Ladungsträger?“ Bei Halbleitern lautet die Antwort oft: Dotierung, elektrische Felder, Temperatur oder Licht.

p-Typ- und n-Typ-Halbleiter

Reines Halbleitermaterial wird oft als intrinsisch bezeichnet. Wenn man absichtlich eine kleine Menge Fremdatome hinzufügt, entsteht ein extrinsischer Halbleiter.

In Silizium kann ein Donator-Dotierstoff wie Phosphor ein zusätzliches, nur schwach gebundenes Elektron beisteuern. Dadurch entsteht n-leitendes Material, in dem Elektronen die Majoritätsladungsträger sind.

Ein Akzeptor-Dotierstoff wie Bor hinterlässt im einfachen Bindungsbild dem Kristall ein Bindungselektron zu wenig. Dadurch entsteht p-leitendes Material, in dem Löcher die Majoritätsladungsträger sind.

Ein Loch ist weder ein Proton noch ein eigenes fundamentales Teilchen. Es ist eine praktische Beschreibung, um die Bewegung fehlender Elektronen in einer fast vollständig besetzten Zustandsmenge zu verfolgen. In vielen Aufgaben macht es die Physik deutlich leichter verständlich, Löcher als positive bewegliche Ladungsträger zu behandeln.

Wie Dotierung die Leitfähigkeit verändert

Dotierung verändert, welche Art von Ladungsträger sich am leichtesten bewegen lässt. In n-leitendem Material stehen viel mehr Elektronen für die Leitung zur Verfügung als in intrinsischem Silizium. In p-leitendem Material wird die Bewegung von Löchern zum dominierenden Beitrag.

Der Kristall bleibt insgesamt elektrisch neutral. Das ist wichtig. p-Typ bedeutet nicht, dass der gesamte Festkörper eine positive Nettoladung hat, und n-Typ bedeutet nicht, dass er eine negative Nettoladung hat.

Wie ein PN-Übergang entsteht

Wenn p-leitende und n-leitende Bereiche zusammengefügt werden, bleiben die Ladungsträger nicht perfekt getrennt. Elektronen in der Nähe des Übergangs diffundieren von der n-Seite zur p-Seite, und Löcher diffundieren von der p-Seite zur n-Seite.

Nahe der Grenzfläche rekombinieren viele dieser Ladungsträger. Dadurch bleiben fest gebundene ionisierte Dotierstoffe zurück: positiv geladene Donator-Ionen am Rand der n-Seite und negativ geladene Akzeptor-Ionen am Rand der p-Seite.

Dieser Bereich heißt Verarmungszone, weil er an den meisten beweglichen Ladungsträgern verarmt ist, nicht weil Materie verschwindet. Die freigelegten Ladungen erzeugen ein internes elektrisches Feld und eine eingebaute Barriere, die weiterer Diffusion entgegenwirkt.

Diese selbst entstehende Barriere ist der Schlüssel zum Verhalten einer Diode. Jede Erklärung von Durchlassrichtung oder Sperrrichtung muss verfolgen, was mit dieser Barriere geschieht.

Durchgerechnetes Beispiel: Durchlassrichtung vs. Sperrrichtung bei einer Siliziumdiode

Betrachte eine einfache Siliziumdiode aus einem p-leitenden und einem n-leitenden Bereich.

Fall 1: Keine externe Batterie

Sobald der Übergang entsteht, bilden Diffusion und Rekombination die Verarmungszone. Das eingebaute elektrische Feld wirkt weiterer Diffusion entgegen, sodass sich am Übergang ein Gleichgewicht einstellt.

Fall 2: Durchlassrichtung

Verbinde nun die p-Seite mit dem positiven Pol einer Batterie und die n-Seite mit dem negativen Pol. Das ist Durchlassrichtung.

Unter dieser Bedingung verringert das äußere Feld die effektive Barriere am Übergang. Die Verarmungszone wird schmaler, und Majoritätsladungsträger können den Übergang leichter überwinden. Dadurch kann der Strom stark ansteigen.

Fall 3: Sperrrichtung

Drehe die Batterie um, sodass die p-Seite negativ und die n-Seite positiv ist. Das ist Sperrrichtung.

Jetzt erhöht das äußere Feld die Barriere und verbreitert die Verarmungszone. Majoritätsladungsträger werden vom Übergang weggezogen, sodass die gewöhnliche Leitung klein bleibt. Reale Übergänge haben dennoch einen gewissen Sperrstrom, und sehr große Sperrspannungen können zum Durchbruch führen, daher ist „überhaupt kein Strom“ kein korrektes Bild.

Das ist die Grundidee der Diode in einem Beispiel. Der Übergang ist kein mechanisches Einwegventil. Er ist ein System aus Ladungsträgern und Feldern, dessen Barriere sich mit der angelegten Polung verändert.

Häufige Fehler bei Halbleiterfragen

• Zu sagen, p-leitendes Material sei insgesamt positiv geladen. Insgesamt bleibt es elektrisch neutral.
• Ein Loch als buchstäblich positiv geladenes Teilchen wie ein Proton zu behandeln. Es ist ein Modell für das Verhalten fehlender Elektronen.
• Zu denken, die Verarmungszone sei leerer Raum. Sie ist hauptsächlich ein Bereich mit sehr wenigen beweglichen Ladungsträgern und vielen fest gebundenen ionisierten Dotierstoffen.
• Anzunehmen, Sperrrichtung bedeute exakt null Strom. Reale Bauteile haben meist kleine Sperrströme, und ausreichend hohe Sperrspannung kann das Verhalten vollständig verändern.
• „Vorwärts gut, rückwärts schlecht“ auswendig zu lernen, ohne zu verfolgen, was mit der Barriere und der Bewegung der Ladungsträger passiert.

Wo PN-Übergänge und Halbleiter verwendet werden

Halbleiter treten überall dort auf, wo ein Bauteil kontrolliertes elektrisches Verhalten statt einfacher metallischer Leitung braucht. PN-Übergänge sind die Grundlage von Gleichrichterdioden, LEDs, Fotodioden, Solarzellen und großen Teilen des Transistordesigns.

Sobald p-Typ, n-Typ und Verarmungszonen verständlich sind, wirken viele Ideen der Elektronik weniger rätselhaft. Ein Transistor ist dann nicht mehr nur ein Schaltplansymbol. Er wird zu einer Struktur, die den Ladungsträgerfluss durch die Formung von Halbleiterbereichen und elektrischen Feldern steuert.

Probiere einen ähnlichen Fall aus

Versuche deine eigene Variante mit einer LED oder einer Solarzelle. Stelle dieselben Fragen in derselben Reihenfolge: Wo sind die Majoritätsladungsträger, welches Feld existiert am Übergang, und was ändert sich, wenn du Durchlassrichtung, Sperrrichtung oder Licht anlegst?