Werner Tursky 20089 2 Der pnbergang 2 1

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

n-dotiertes Si 2. 1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld Werner Tursky, 2008/9 Die Grenze zwischen ndotiertem und p-dotiertem Silizium nennt man pn-Übergang. positive Ladung feste Ladungen bewegliche Ladungen Phosphor. Atom Loch negative Ladung Bor. Atom Elektron p-dotiertes Si pn-Übergang Das Grundgitter aus Si-Atomen ist nicht gezeichnet 2

Werner Tursky, 2008/9 2. 1 Der pn-Übergang ohne äußeres Feld 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. Raumladungszone Feld pn-Übergang p-dotiertes Si In der Nähe des pn-Überganges diffundieren Elektronen und Löcher in Richtung geringerer Konzentration und rekombinieren. n-dotiertes Si Raumladungszone

Werner Tursky, 2008/9 2. Der pn-Übergang 2. 2 Der pn-Übergang im äußeren Feld Durchlassrichtung und Sperrrichtung 4

Werner Tursky, 2008/9 2. 2 Der pn-Übergang im äußeren Feld 0, 7 V p-dotiertes Si + Raumladungszone n-dotiertes Si angelegt Raumladungszone _ Blockierrichtung Sperrrichtung Strom- Spannungs-Kennlinie eines pn- Überganges (Diodenkennlinie) 1000 V Strom keine äußere Flussrichtung Durchlassrichtung Spannung 0, 7 V Spannung _ + es fließt Strom es fließt kein Strom Sperrrichtung Durchlassrichtung es fließt der sehr kleine Sperrstrom 5

2. 2 Der pn-Übergang im äußeren Feld Werner Tursky, 2008/9 Zusammenfassung: Der pn-Übergang bei angelegter Spannung Polung der Spannung Flussrichtung negativer Pol am (Durchlassrichtung) n-Silizium keine angelegte Spannung Stromfluss Raumladungszone ja keine Raumladungszone --- nein schmal Blockierrichtung positiver Pol am (Sperrrichtung) n-Silizium nur Sperrstrom breit 6

Werner Tursky, 2008/9 2. 2 Der pn-Übergang im äußeren Feld + Der Sperrstrom ist der bei anliegender Sperrspannung fließende Strom. Schon bei wenigen Volt Sperrspannung erreicht er einen nahezu konstanten Wert, der erst knapp vor der Durchbruchspannung ansteigt. Raumladungszone Der Sperrstrom entsteht ausschließlich in der Raumladungszone, das übrige Silizium ist praktisch frei von elektrischen Feldern. 1000 V _ Quellen des Sperrstroms: - thermische Generation von Ladungsträgern - optischen Generation von Ladungsträgern (Photovoltaik, Solarzellen) Strom Woher kommt der Sperrstrom? Spannung Kennlinie in Sperrrichtung Der Anstieg des Sperrstroms vor dem Durchbruch (nahe der Grenze der Sperrfähigkeit) wird verursacht durch: - Zener-Effekt - Avalanche-Effekt 7

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

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

Werner Tursky, 2008/9 2. 2 Der pn-Übergang im äußeren Feld ohne Feld Zener - Effekt mit 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 beschleunigt, dass ihre Energie ausreicht, um andere Elektronen durch Stoß aus ihren Bindungen herauszureißen (Stoßionisation). Diese neuen Elektronen und die gleichzeitig entstehenden Löcher werden ebenfalls beschleunigt und erzeugen selbst wieder neue freie Ladungsträger durch Stoßionisation. Die Zahl der feien Ladungsträger vermehrt sich dadurch lawinenartig, der Sperrstrom steigt steil an (Lawinendurchbruch). elektr. Feld