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Werner Tursky, 2008/9 1 2. Der pn-Übergang 2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld Rekombination und Raumladungszone.

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2 Werner Tursky, 2008/ Der pn-Übergang 2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld Rekombination und Raumladungszone

3 Werner Tursky, 2008/ Der pn-Übergang ohne äußeres Feld Die Grenze zwischen n- dotiertem und p-dotiertem Silizium nennt man pn-Übergang. pn-Übergang Das Grundgitter aus Si-Atomen ist nicht gezeichnet n-dotiertes Si p-dotiertes Si feste Ladungen bewegliche Ladungen positive Ladungnegative Ladung Phosphor- Atom Bor- Atom Loch Elektron

4 Werner Tursky, 2008/9 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. 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. 2.1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld

5 Werner Tursky, 2008/ Der pn-Übergang 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld Durchlassrichtung und Sperrrichtung

6 Werner Tursky, 2008/9 5 Raumladungszone keine äußere Spannung angelegt es fließt kein Strom 0,7 V Blockierrichtung Sperrrichtung Raumladungszone _ + es fließt der sehr kleine Sperrstrom Strom- Spannungs-Kennlinie eines pn- Überganges (Diodenkennlinie) Spannung Strom 0,7 V Durchlass- richtung Sperrrichtung 1000 V Flussrichtung Durchlassrichtung _ n-dotiertes Si p-dotiertes Si + es fließt Strom 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld

7 Werner Tursky, 2008/9 6 Zusammenfassung: Der pn-Übergang bei angelegter Spannung Polung der Spannung StromflussRaumladungszone Flussrichtung (Durchlassrichtung) negativer Pol am n-Silizium ja keine Raumladungszone keine angelegte Spannung ---neinschmal Blockierrichtung (Sperrrichtung) positiver Pol am n-Silizium nur Sperrstrom breit 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld

8 Werner Tursky, 2008/9 7 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 Feld Raumladungszone _ + Kennlinie in Sperrrichtung 1000 V Strom Spannung Woher kommt der Sperrstrom?

9 Werner Tursky, 2008/9 8 Optische Generation von Ladungsträgern Noryl Ultradur Vestodur SEMIPACK 2 (SKKT 162): Sperrströme bei Bestrahlung mit IR- Licht. 3 verschiedene weiße Gehäusematerialien, angelegte Spannung bis 250 V. V Schon bei kleinen Spannungen stellt sich ein Sperrstrom ein, der bei Spannungserhöhung konstant bleibt 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld angelegte Sperrspannung Sperrstrom

10 Werner Tursky, 2008/9 9 Optische und Avalanche- Generation von Ladungsträgern Noryl Ultradur Vestodur V Bei hohen Sperrspannungen wird die Zahl der optisch generierten Ladungsträger durch Avalanchemultiplikation erhöht. Sperrstrom angelegte Sperrspannung 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld SEMIPACK 2 (SKKT 162): Sperrströme bei Bestrahlung mit IR- Licht. 3 verschiedene weiße Gehäusematerialien, angelegte Spannung bis 2000 V.

11 Werner Tursky, 2008/9 Zener - Effekt 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). 2.2 Der pn-Übergang im äußeren Feld ohne Feld mit Feld elektr. Feld


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