2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld

Präsentation zum Thema: "2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld"—  Präsentation transkript:

1 2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld
Rekombination und Raumladungszone

2 2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld
Das Grundgitter aus Si-Atomen ist nicht gezeichnet n-dotiertes Si p-dotiertes Si Die Grenze zwischen n-dotiertem und p-dotiertem Silizium nennt man pn-Übergang. pn-Übergang feste Ladungen bewegliche positive Ladung negative Ladung Phosphor- Atom Bor- Loch Elektron n-dotiertes Silizium erhält man durch Einbau von Donatoren, p-dotiertes Silitium durch Einbau von Akzeptoren

3 2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld
Raumladungszone pn-Übergang n-dotiertes Si p-dotiertes Si Raumladungszone Feld In der Nähe des pn-Überganges diffundieren Elektronen und Löcher in Richtung geringerer Konzentration und rekombinieren. Die Breite der Raumladungszone ist von der Höhe der Dotierung, also von der Zahl der Akzeptor- und Donatoratome, abhängig. Je höher die Dotierung, um so schmäler ist die Raumladungszone. Die Breite beträgt einige hundertstel µm bis zu einigen 10 µm. Die Potentialdifferenz zwischen n- dotiertem und p- dotiertem Silizium beträgt etwa 0,7 V. 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.

4 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld
Durchlassrichtung und Sperrrichtung

5 Strom- Spannungs-Kennlinie
2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld Flussrichtung Durchlassrichtung _ n-dotiertes Si p-dotiertes Si + es fließt Strom keine äußere Spannung angelegt Blockierrichtung Sperrrichtung Strom- Spannungs-Kennlinie eines pn- Überganges (Diodenkennlinie) Raumladungszone _ + es fließt der sehr kleine Sperrstrom Strom Sperrrichtung 1000 V 0,7 V Durchlass- richtung 0,7 V Raumladungszone Spannung Die Diodenkennlinie hat annähernd die Form einer Exponentialfunktion. es fließt kein Strom

6 keine Raumladungszone keine angelegte Spannung
2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld Zusammenfassung: Der pn-Übergang bei angelegter Spannung Polung der Spannung Stromfluss Raumladungszone Flussrichtung (Durchlassrichtung) negativer Pol am n-Silizium ja keine Raumladungszone keine angelegte Spannung --- nein schmal Blockierrichtung (Sperrrichtung) positiver Pol am nur Sperrstrom breit

7 + _ 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld Woher kommt der Sperrstrom?
Raumladungszone _ + 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. Kennlinie in Sperrrichtung 1000 V Strom Spannung 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

8 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld
Optische Generation von Ladungsträgern Sperrstrom SEMIPACK 2 (SKKT 162): Sperrströme bei Bestrahlung mit IR- Licht. 3 verschiedene weiße Gehäusematerialien, angelegte Spannung bis 250 V. Noryl Ultradur Vestodur Schon bei kleinen Spannungen stellt sich ein Sperrstrom ein, der bei Spannungserhöhung konstant bleibt V angelegte Sperrspannung

9 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld
Optische und Avalanche- Generation von Ladungsträgern Sperrstrom SEMIPACK 2 (SKKT 162): Sperrströme bei Bestrahlung mit IR- Licht. 3 verschiedene weiße Gehäusematerialien, angelegte Spannung bis 2000 V. Noryl Ultradur Vestodur Bei hohen Sperrspannungen wird die Zahl der optisch generierten Ladungsträger durch Avalanchemultiplikation erhöht. V angelegte Sperrspannung

10 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld
ohne Feld mit Feld Zener - Effekt elektr. Feld Bei 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). Der Zener– Effekt tritt nur in sehr hoch dotiertem Silizium auf, da hier die Raumladungszone nur sehr schmal ist. Da die Elektronen nur innerhalb der Raumladungszone beschleunigt werden, reicht die kurze Beschleunigungsstrecke nicht aus, um den Elektronen genügend Geschwindigkeit und damit kinetische Energie mit zu geben, die ausreichen würde, andere Elektronen durch Stoß aus ihren Bindungen zu reißen. Bei niedrigerer Dotierung und damit breiterer Raumladungszone reicht die Beschleunigungsstrecke aus, um die Ladungsträger auf so hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen, dass Stoßionisation einsetzt (Avalanche- Effekt). elektr. Feld