Werner Tursky, 2008/9

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2. Der pn-Übergang2. Der pn-Übergang

2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres FeldRekombination und Raumladungszone

Werner Tursky, 2008/9

2

2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld

Die Grenze zwischen n-dotiertem und p-dotiertem Silizium nennt man pn-Übergang.

pn-Übergang

Das Grundgitteraus Si-Atomen istnicht gezeichnet

n-d

oti

erte

s S

ip

-do

tier

tes

Si

P

PP

P

PP

P

P

P

B

B

B

B

BB

B

B

B

P Bfeste Ladungen

bewegliche Ladungen

positive Ladung negative Ladung

Phosphor-Atom

Bor-Atom

Loch Elektron

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Es entsteht eine Zone ohne freie Ladungsträger (Raumladungszone), in der ein elektrisches Feld herrscht, hervorgerufen durch die unbeweglichen geladenen Atome.

Der Rekombinationsprozess wird durch dieses Feld gestoppt.p

n-Ü

be

rgan

g

P

PP

P

PP

P

P

P

B

B

B

B

BB

B

B

B

n-d

oti

erte

s S

ip

-do

tier

tes

Si

Raumladungszone

PP

P

PP

P

P

P

B

B

B

B

BB

B

B

B

Rau

ml a

du

ng

s zo

ne

Fel

d

In der Nähe des pn-Überganges diffundieren Elektronen und Löcher in Richtung geringerer Konzentration und rekombinieren.

2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld

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2. Der pn-Übergang2. Der pn-Übergang

2.2 Der pn-Übergang im äußeren FeldDurchlassrichtung und Sperrrichtung

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PP

P

PP

P

P

P

B

B

B

B

BB

B

B

BR

aum

lad

un

gsz

on

e

PPP

P

BB

B

keine äußereSpannungangelegt

es fließt kein Strom

0,7

V

BlockierrichtungSperrrichtung

PP

P

PP

P

P

P

B

B

B

B

BB

B

B

B

Rau

mla

du

ng

szo

ne

PPP

P

BB

B _

+

es fließt der sehrkleine Sperrstrom

Strom- Spannungs-Kennlinie eines pn- Überganges

(Diodenkennlinie)

Spannung

Str

om

0,7 V

Durchlass-richtung

Sperrrichtung

1000 V

FlussrichtungDurchlassrichtung

_

PP

P

PP

P

B

B

B

B

B

B

PPP

BB

B

n-d

oti

erte

s S

ip

-do

tier

tes

Si

PPP

BB

B

+es fließt Strom

2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld

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Zusammenfassung: Der pn-Übergang bei angelegter Spannung

Polung der Spannung

Stromfluss Raumladungszone

Flussrichtung

(Durchlassrichtung)

negativer Pol am

n-Siliziumja

keine Raumladungszone

keine angelegte Spannung

--- nein schmal

Blockierrichtung

(Sperrrichtung)

positiver Pol am

n-Silizium

nur Sperrstrom

breit

2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld

Werner Tursky, 2008/9

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Der Sperrstrom ist der bei anliegender Sperrspannung fließende Strom. Schon bei wenigen Volt Sperrspannung er-reicht er einen nahezu konstanten Wert, der erst knapp vor der Durchbruch-spannung ansteigt.

Der Sperrstrom entsteht ausschließlich in der Raumladungszone, das übrige Silizium ist praktisch frei von elektrischen Feldern.

Quellen des Sperrstroms:- thermische Generation von Ladungsträgern- optischen Generation von Ladungsträgern (Photovoltaik, Solarzellen)

Der Anstieg des Sperrstroms vor dem Durchbruch (nahe der Grenze der Sperrfähigkeit) wird verursacht durch:- Zener-Effekt- Avalanche-Effekt

2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld

PP

P

PP

P

P

P

B

B

B

B

BB

B

B

B

Rau

mla

du

ng

szo

ne

PPP

P

BB

B _

+

Kennlinie inSperrrichtung

1000 V

Str

om

Spannung

Woher kommt der Sperrstrom?

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Optische Generation von Ladungsträgern

Noryl

Ultradur

Vestodur

SEMIPACK 2 (SKKT 162): Sperrströme bei Bestrahlung mitIR- Licht.3 verschiedene weißeGehäusematerialien,angelegte Spannung bis250 V.

V

Schon bei kleinen Spannungenstellt sich ein Sperrstrom ein,der bei Spannungserhöhung konstant bleibt

2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld

angelegte Sperrspannung

Sp

err

str

om

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Optische und Avalanche- Generation von Ladungsträgern

Noryl

Ultradur

Vestodur

V

Bei hohen Sperrspannungenwird die Zahl der optisch generierten Ladungsträgerdurch Avalanchemultiplikationerhöht.

Sp

err

str

om

angelegte Sperrspannung

2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld

SEMIPACK 2 (SKKT 162): Sperrströme bei Bestrahlung mitIR- Licht.3 verschiedene weißeGehäusematerialien,angelegte Spannung bis2000 V.

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Zener - EffektBei extrem starken Feldern in der Raumladungszone zerrt das Feld so stark an den Elektronen, dass sie ab einer bestimmten Spannung (Zenerspannung) aus ihren Bindungen gerissen werden. Der Sperrstrom steigt dadurch steil an. Der Zener – Effekt tritt nur bei sehr hoher Dotierung des Siliziums auf.

Avalanche – Effekt (Avalanche = Lawine)

Wenn das elektrische Feld hoch genug ist, werden freie Ladungsträger in der Raumladungszone so stark be-schleunigt, dass ihre Energie ausreicht, um andere Elektronen durch Stoß aus ihren Bindungen heraus-zureißen (Stoßionisation). Diese neuen Elektronen und die gleichzeitig entste-henden Löcher werden ebenfalls beschleunigt und er-zeugen selbst wieder neue freie Ladungsträger durch Stoßionisation.

Die Zahl der feien Ladungsträger vermehrt sich dadurch lawinenartig, der Sperrstrom steigt steil an (Lawinendurchbruch).

2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feldohne Feld mit Feld

elektr. Feld

elektr. Feld