Elektrotechnikunterricht/ Halbleiterdioden

Halbleitermaterial aus chemisch-physikalischer Sicht

Die bekanntesten Halbleiter sind Silizium, Germanium, Selen, Bor, Kohlenstoff und Tellur. Es gibt auch Verbindungen mit Halbleitereigenschaften: Galliumarsenid, Indiumantimonid und andere.
Das bekannteste und am meisten verwendete Halbleitermaterial ist Si: Siliziumoxid = Quarzkieselsteine sind preiswert. Nach einer chemischen Reinigung erfolgt eine mehrstufige Reinigung im Zonenschmelzverfahren und die Züchtung eines homogenen Kristalls. Dieser Kristall wird in Scheiben (= „Wafer“) zersägt und dient Chipfabriken als Ausgangsmaterial.
Elektrische Leitfähigkeit wird durch freie Elektronen ermöglicht. Halbleitermaterialien bilden eine Kristallstruktur. In Kristallen sind die Elektronen nicht frei, sie werden für die Kristallbildung benötigt. Darum sind reinste Halbleiter eigentlich Nichtleiter. Es gibt zwei Möglichkeiten, in Halbleitern freie Elektronen zu erzeugen, um eine geringe Leitfähigkeit zu erreichen:
- Durch Energiezufuhr (Wärme oder Licht) werden Elektronen aus ihren Bindungen herausgerissen
  - Starke Erhitzung: Ist meist unerwünscht, darum müssen Halbleiter gekühlt werden
  - Bestrahlung mit Licht: Ist meist unerwünscht, darum werden Halbleiter lichtdicht gekapselt
- Durch gezielte, präzise dosierte Verunreinigung mit solchen Fremdatomen, die leicht Elektronen abgeben oder aufnehmen (Dotierung). Ein Fremdatom kommt auf 10¹⁰ Atome.
  - Erfolgt die „Dotierung“ mit elektronenabgebenden Fremdatomen (Phosphor, Arsen, Antimon u. a.), entsteht ein Elektronenüberschuss und das Material nennt man „n-dotiert“.
  - Erfolgt die „Dotierung“ mit elektronenhungrigen Fremdatomen (Bor, Indium, Aluminium, Gallium u. a.), entsteht ein Elektronenmangel (= Elektronenfehlstellen, auch als „Defektelektronen“ oder „Löcher“ bezeichnet) und das Material nennt man „p-dotiert“. Benachbarte Elektronen können leicht in das Loch springen, dadurch „wandert“ das Loch durch den Kristall.

Funktionsprinzip und Betriebsarten von Dioden

Die Grenzschicht

Wo zwei verschiedene (n- und p-) dotierte Halbleiter zusammenstoßen, entsteht eine Grenzschicht. Die wenigen, entgegengesetzt geladenen Ladungsträger (Elektronen und Fehlstellen) ziehen sich an und „rekombinieren“, wodurch die Grenzschicht verödet. Weil nun keine Ladungsträger mehr vorhanden sind, wird die Grenzschicht zu einer isolierenden „Sperrschicht“.

Gekapselt und mit Anschlüssen versehen nennt man diese Konstruktion eine „Diode“.

Es sind die folgenden Betriebsarten der Grenzschicht zu unterscheiden:

Durchlassrichtung

Wird an den Halbleiter auf der linken Seite eine negative Spannung angelegt, stoßen sich die negativ geladenen Elektronen der Spannungsquelle und die Elektronen des Halbleiters ab, und die Elektronen werden in Richtung der verödeten Sperrschicht gedrückt.

Solange die in Durchlassrichtung angelegte Spannung klein ist, wird zwar die Sperrschicht kleiner, aber sie bleibt bestehen. Es fließt (fast) kein Strom.
Mit zunehmender Spannung werden immer mehr Ladungsträger in Richtung der verödeten Sperrschicht gedrückt.
Erreicht die Spannung etwa 0,5 Volt, beginnt der Strom schnell zu steigen.
Ab einer Spannung von etwa 0,6 Volt ist die Grenzschicht mit Ladungsträgern überflutet, die Sperrschicht existiert nicht mehr. Die Diode kann sehr viel Strom durchlassen, fast ohne Erhöhung des Spannungsabfalles an der Diode.
- Die Diode erwärmt sich nur sehr wenig: Wenn beispielsweise bei einem Strom von 1 Ampere eine Spannung von 0,6 Volt in der Diode abfällt, wird 0,6 V x 1,0 A = 0,6 Watt in Wärme umgesetzt.

Sperrrichtung

Durch die angelegte Spannung werden weitere Ladungsträger abgezogen, die Sperrschicht verbreitert sich zu einer „Ladungsträgerverarmungszone“. Der Stromfluß, der sogenannte „Reststrom“, ist kaum noch messbar.
Auch bei Sperrspannungen von einigen Dutzend Volt fließen „Sperrströme“ von lediglich einigen (dutzend) Micro-Ampere.
- Die Erwärmung der Diode ist minimal: 10 Volt x 10 Mikroampere = 100 Mikrowatt = 0,0001 Watt.
- Die Größe des Sperrstromes ist temperaturabhängig:
  - Eine Temperaturerhöhung um 20 Grad verzehnfacht den Sperrstrom.
  - Eine Temperaturerhöhung um weitere 20 Grad verzehnfacht den Sperrstrom erneut = verhundertfachung.
  - Eine Temperaturerhöhung um weitere 20 Grad verzehnfacht den Sperrstrom erneut!
  - Zusammenfassung: Temperaturerhöhung von 20 auf 80 Grad ergibt den 1000-fachen Sperrstrom. Deshalb müssen Halbleiter oft gekühlt werden.

Durchbruch

Je nach der Spannungsfestigkeit wird im Datenblatt jeder Diode eine maximale Sperrspannung angegeben, Größenordnung: hundert Volt. Wenn die Spannung weiter steigt, wird irgendwann die „Durchbruchsspannung“ erreicht und die Diode meist zerstört.

Welche Arten von Dioden gibt es

Gekapselt und mit Anschlüssen versehen nennt man diese Konstruktion eine „Diode“.

Aus drei Schichten mit zwei Sperrschichten (npn oder pnp) entsteht ein Transistor.
Aus vier Schichten entsteht ein Thyristor.

Bei sogenannten „Zenerdioden“ wird durch gezielte Dotierung eine Durchbruchsspannung im Bereich ab etwa fünf Volt erreicht. Durch geeignete Beschaltung (Vorwiderstand) muss der „Durchbruchstrom“ begrenzt werden, damit die Zener-Diode den Durchbruch überlebt.

In „Thyristoren“ wird der Durchbruch durch eine Steuerelektrode ausgelöst.