Physik Oberstufe im Rudolf-Web.de: Halbleiter: Bändermodell, Dotierung, Diode, Transistor

Halbleiter

Bändermodell, Dotierung, Diode, Transistor

1.) Bändermodell

Ziel: Gesucht ist eine Erklärung der Leitfähigkeit von Festkörpern.
Dies bietet das Bändermodell.

In einem Festkörper sind die Atome mit ihren Nachbaratomen über Bindungselektronen (Valenz-) verbunden. (-> Chemieunterricht)
Wenn diese Bindungen sehr stark sind, muss viel Energie in den Festkörper gesteckt werden, um freie Elektronen zu erzeugen (, die dann als elektrischer Strom fließen können, wenn eine Spannung angelegt wird).

Im Valenzband (VB) sind die Elektronen an die Atome gebunden.

Im Leitungsband (LB) können sie sich frei bewegen.

Damit kann die elektrische Leitfähigkeit wie folgt erklärt werden:

	Im *Isolator* ist diese gesperrte Zone sehr breit, so dass die Elektronen fest gebunden sind: er leitet nicht!
	Im *Leiter* ist diese gesperrte Zone gleich Null, so dass die Elektronen nicht fest gebunden sind: er leitet!
	Im *Halbleiter* ist diese gesperrte Zone schmal, so dass die Elektronen locker gebunden sind: er leitet, wenn man den Elektronen etwas Energie zuführt!

Heißleiter: je höher die Temperatur (Energiezustand), desto mehr Elektronen "springen" ins Leitungsband, desto besser leitet der Halbleiter.

Fotowiderstand: bei Bestrahlung mit Licht erhalten die Elektronen die nötige Energie, um ins Leitungsband zu kommen, der Widerstand sinkt, die Leitfähigkeit steigt.

2.) Dotierung des Halbleiters

Um diese Eigenleitung des Halbleiters zu verbessern, wird er dotiert.
Bsp.: der Halbleiter Silizium hat vier Valenzelektronen.

n-Dotierung: da z. B. Arsen 5 Valenzelektronen hat, hat ein Arsenatom in einem Siliziumkristall ein Valenzelektron zu viel. Dieses ist nicht gebunden und ist somit im Leitungsband (oder knapp darunter): es gibt bewegliche Elektronen (-) im LB!

p-Dotierung: da z. B. Aluminium 3 Valenzelektronen hat, hat ein Aluminiumatom in einem Siliziumkristall ein Valenzelektron zu wenig. Es entsteht somit im Bindungsverband eine Elektronenlücke, d. h. hier können Elektronen aus den Nachbaratomen diese Lücke besetzen! Dann ist dort wieder eine Elektronenlücke. Wir sagen: es gibt bewegliche Löcher (+) im VB!

Legt man nun jeweils eine Spannung an, so

fließen im n-Leiter im LB die beweglichen Elektronen zum Pluspol, vom Minuspol werden Elektronen nachgezogen: ein Strom fließt.

fließen im p-Leiter im VB Elektronen vom Minuspol in die Löcher und wandern schließlich zum Pluspol; oder umgekehrt: Löcher fließen vom Pluspol zum Minuspol.

3.) Halbleiterdiode: P-N-Übergang

Berühren sich ein p-dotierter und ein n-dotierter Halbleiter, so tritt ein Gleichrichtereffekt auf, Strom wird nur in einer Richtung durchgelassen!

Durchlassrichtung:	Minuspol am n - Leiter!
Sperr-Richtung:	Pluspol am n - Leiter

In Durchlassrichtung:
Elektronen vom Minuspol wandern zum n-Leiter, da sie von der positiven Überschussladung angezogen werden. Dort wandern die beweglichen Elektronen zur Grenzschicht, wo sie mit den beweglichen Löcher des p-Leiters rekombinieren. Da von außen immer negative und positive Ladungen nachgeliefert werden, fließt kontinuierlich Strom.

Anwendung:

	Gleichrichten von Wechselspannung (nur bei Polung in Durchlassrichtung fließt ein Strom)
	Solarzelle: Wird der p-Leiter mit Licht bestrahlt, kann ein Elektron ins Leitungsband "springen", dieses wandert zum n-Leiter mit seiner positiven Überschussladung: es kann ein Strom fließen.
	LED: Legt man eine hohe äußere Spannung an, so rekombinieren in der Grenzschicht viele Elektronen und Löcher. Dabei wird Energie frei, die in Form von Licht entweicht (ohne Wärmeverluste!!).

4.) Transistor

NPN-Transistor (bzw. PNP-Transistor, je nach Schichtfolge):

Ziel: Steuerung von Strömen durch kleine Spannungen (wie bei der Triode)

	Wird zwischen Basis und Emitter eine Spannung in Durchlassrichtung zwischen 0 und 0,8 V angelegt, so fließt dort ein Strom, d.h. viele freie Elektronen des Emitters gelangen in die Grenzschicht zur Basis hin.
	Ist nun die Basis sehr dünn und gibt es dort nur eine geringe Dotierung, also wenig Löcher, diffundiert ein großer Teil der Elektronen zum Kollektor, wo sie vom Pluspol angezogen werden.

Damit fließt nur ein kleiner Basisstrom, aber ein großer Strom von E nach C.

Ist zwischen Basis und Emitter keine richtig gepolte Spannung angelegt, fließt also kein Basisstrom, so fließt auch kein Strom zwischen Emitter und Kollektor, da der Elektronenmangel im Emitter schnell aufgefüllt ist, der Elektronenüberschuss (bzw. Löchermangel) in der Basis aber nicht "abgesaugt" wird, so dass keine Löcher zum rekombinieren vorhanden sind (bzw. der Elektronenüberschuss den Zufluss weiterer Elektronen vom Emitter verhindert), also keine Elektronen vom Emitter zum Kollektor fließen.

Wirkung: Mit dem Basisspannung lässt sich der Emitter-Kollektor-Strom steuern und verstärken!

"Wassermodell": Wasser im kleinen Kanal öffnet Schleuse im breiten Kanal!

Vergleich mit der Triode:
Kathode - Emitter: emittieren Elektronen
Gitter -Basis: steuern Strom
Anode - Kollektor: sammeln Elektronen

Anwendung:

Schalter: "Aus", wenn falsche Polung zwischen E und B

Verstärkung: Kleine Änderungen am Basisstrom führen zu großen Änderung am Emitter-Kollektor-Strom

Aus vielen Transistoren lassen sich beliebige logische Aussagen Schaltungen aufbauen, womit Rechnungen durchgeführt werden können, deren Ergebnisse gespeichert werden können, ...: ein Computer besteht aus unzähligen Transistoren auf engstem Raum!