p-n-Übergänge Philipps-Universität Marburg FB 13 Physik Seminar zur Experimentalphysik II Leitung: Prof. Heimbrodt Referent: Dirk Winkel Datum:

Grundlagen Halbleiter ● Bänder bestehen aus sehr vielen erlaubten Zuständen ● Valenzband und Leitungsband durch Bandlücke getrennt ● Elektronen werden durch Phononen oder Photonen ins Leitungsband angeregt ● Die üblichen Bandlücken liegen im Bereich von einzelnen eV und darunter ● Durch Anregung von Elektronen in das Leitungsband wird der Halbleiter leitend

n-Dotierung von Halbleitern ● Klassische Halbleiter: Si oder Ge (4 Valenzelektronen) ● Durch unterschiedliche Fehler im Kristall entstehen Störungen ● Einbau von z.B. P (5 Valenzelektronen → Elektronendonator) in ein Si-Gitter erzeugt H-ähnliches System im Halbleiter – Radius deutlich größer – Ionisationsenergie ≈ 0,1eV ● Anhebung der Fermi-Grenze ● Freie Elektronen → „negativ“-Leiter

p-Dotierung im Halbleiter ● Durch Einbau von z.B. B (3 Valenzelektronen) in das Gitter entstehen Fehlstellen ● Absenkung der Fermi-Grenze ● positive Ladungsträger → p-Leiter ● p-Leitung analog zu n-Leitung ● Ionisationsenergie ist im thermischen Bereich ● Damit: Elektron im Leitungsband → n- bzw. p-leitend

p-n-Übergänge ● An der Kontaktfläche eines -p und eines n-dotierten Halbleiters bildet sich durch Rekombination eine Verarmungs-Randschicht von freien Ladungsträgern ● Elektrische Potentialstufe in der Grenzschicht verursacht Gleichgewicht: ● Durch Anlegen einer äusseren Spannung erhöht- oder erniedrigt sich die Potentialstufe um das angelegte Potential, da der hauptsächliche Widerstand hier liegt (Ladungsträgerarmut) ● Gesamtstromdichte Flußrichtung: Sperrrichtung:

p-n-Übergänge: Diodengleichung ● Nach Boltzmann: Verhältnis der Teilchenzahldichten (Boltzmannverteilung) ● => Potential für Elektronen und Löcher gleich ● Stromdichte, die durch zusätzliches Feld entsteht: ● Damit folgt für die Gesamtstromdichte:

p-n-Übergänge

Messung: Kennlinie einer p-n- Diode (Halbleiterdiode) I 100 Ohm RU

Messung: Kennlinie einer p-n- Diode (Halbleiterdiode) ● I=0mA bis -5V

Funktionsweise der Zener-Diode ● In Durchlassrichtung wie normale p-n-Diode ● In Sperrrichtung Wiederstandseinbruch ab der Durchbruchspannung (Bereich ca. 3 bis 100V, Bauartbedingt) ● Bildung freier Ladungsträger in der (dünnen) Grenzschicht durch das starke elektrische Feld (ab ca. 2*10³V/m) ● ab 6,5V Lawinen-Durchbruch – Elektronen werden so stark beschleunigt, dass weitere „herausgerissen“ werden (Temperaturabhängig) – kann ohne Strombegrenzung zur Zerstörung der Diode führen ● Anwendung z.B. in der Spannungsstabilisierung

Übliche Kennlinien von Zener- Dioden

Solarzellen ● Solarzellen sind p-n-Dioden, wo Licht in die Grenzschicht eindringen kann ● Photonen erzeugen p-n-Paare ● p-n-Paare werden durch starkes E-Feld getrennt ● elektrischer Widerstand über die Grenzschicht ist größer als über einen Verbraucher ● Wirkungsgrade von weit unter 20% – Verluste durch Rekombination – zu dünne Grenzschicht: geringe Absorption – zu dicke Grenzschicht: Feld zur Trennung zu gering – elektrischer Widerstand bei Ableitung vom Halbleiter – Reflexion an der Kristalloberfläche ● Ähnliche Funktionsweise: Elektrolumineszenz-Diode (LED)

Messung: Kennlinie einer Solarzelle (BPW 34) I RU

Maximale Leistung der Solarzelle Maximale Leistung entspricht der Fläche des maximalen Rechtecks unter der Kurve A = 0,92 μ W

Maximale Leistung der Solarzelle ● Bestrahlungsstärke gemessen: 680mW/m² ● maximale Leistung der Solarzelle: 0,92μW ● Abmessungen der lichtempfindlichen Fläche (Herstellerangaben): 7,34*10^-6m² ● => Leistung/Fläche: 125mW/m² ● maximaler Wirkungsgrad: 125 / 680 = 0,18 = 18%

Spektrale Empfindlichkeit der Solarzelle ● Messung mit Reuter-Lampe ● Subtraktion der Null-Strahlung ● Kein Vorwiderstand, da sehr geringe Intensität ● Probleme der Messung – keine Lichtquelle mit eindeutigen Wellenlängen – Glühlampe hat kein gleichmässiges Spektrum (rot wesentlich stärker als blau) – => nur qualitativ zu betrachten!

Quellen ● D. Meschede: Gerthsen Physik, 21. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002 ● Wikipedia.de (Zugriff 3.6. & ) ● (Zugriff ) ● (Zugriff )