P-n-Übergang

Grundprinzip und Aufbau

Ein p-n-Übergang ist der Materialübergang zwischen zwei Bereichen eines Halbleiterkristalls mit entgegengesetzter Dotierung: einem n-Bereich und einem p-Bereich. Dotierung bedeutet, dass dem Halbleiter gezielt Fremdatome zugesetzt werden, wodurch freie Elektronen beziehungsweise Löcher als bewegliche Ladungsträger entstehen. Der p-n-Übergang ist wichtig, weil er elektrischen Strom in einer Richtung gut und in der entgegengesetzten Richtung nur sehr schlecht leitet. Er wirkt daher wie ein Stromventil und bildet die Grundlage vieler Halbleiterbauelemente, insbesondere der Halbleiterdiode.

Beim Kontaktieren der beiden Bereiche wandern die Majoritätsladungsträger aufgrund eines Konzentrationsunterschieds durch Diffusion in den jeweils anderen Bereich. Elektronen bewegen sich vom n-Kristall in den p-Kristall und rekombinieren dort mit Löchern. Umgekehrt diffundieren Löcher vom p-Kristall in den n-Kristall und rekombinieren dort mit freien Elektronen.

Beiderseits der Grenze bleiben dadurch ortsfeste, elektrisch nicht mehr kompensierte Dotierungsatome zurück. Es entsteht eine Zone, in der nahezu keine freien Ladungsträger vorhanden sind. Diese heißt Raumladungszone (RLZ), Verarmungszone oder Sperrschicht. Die ortsfesten Ladungen erzeugen ein elektrisches Feld. Dieses bewirkt eine Driftbewegung der verbliebenen freien Ladungsträger, die der Diffusion entgegengerichtet ist. Im Gleichgewicht halten sich Diffusion und Drift die Waage.

Die Ausdehnung der Raumladungszone hängt von der Dotierung und von der intrinsischen Ladungsträgerdichte des Materials ab. Bei gleich hoher Dotierungsdichte auf beiden Seiten ist sie symmetrisch. Bei ungleichen Dotierungsdichten reicht sie weiter in den schwächer dotierten Bereich hinein.

Im Bändermodell gleichen sich durch die Diffusion die Fermi-Niveaus beider Kristalle an. Im Bereich des Übergangs krümmen sich Valenzband und Leitungsband. Die entstehende Spannung heißt Diffusionsspannung, auch built-in voltage oder U_{bi}. Für einen p-n-Übergang aus Silizium beträgt sie bei typischen Dotierungen etwa 0,6 bis 0,7 V. Die Bandkrümmung stellt für Elektronen und Löcher einen Potentialwall mit der Energie E = Φ_D · e dar; Φ_D ist die Diffusionsspannung und e die Elementarladung.

Verhalten bei äußerer Spannung

Eine äußere Spannung kann die Energie zum Überwinden der Diffusionsspannung verändern. Sie vergrößert den Potentialwall oder verkleinert ihn.

Bei Sperrrichtung liegt der Pluspol am n-Kristall und der Minuspol am p-Kristall. Das elektrische Feld der Sperrschicht wird verstärkt, die Raumladungszone breitet sich aus und Elektronen sowie Löcher werden von ihr weggezogen. Es fließt nur ein sehr geringer Sperrstrom, der durch Minoritätsladungsträger verursacht wird. Erst wenn die Durchbruchspannung überschritten wird, tritt ein anderer Strombereich ein.

Bei Durchlassrichtung liegt der Pluspol am p-Kristall und der Minuspol am n-Kristall. Der Potentialwall wird abgebaut. Ab einer bestimmten angelegten Spannung wird das Feld der Sperrschicht vollständig neutralisiert. Zusammen mit dem äußeren Feld entsteht ein neues elektrisches Feld, das den Ladungstransport durch den gesamten Kristall ermöglicht. Die äußere Quelle liefert ständig neue Ladungsträger zur Sperrschicht, wo sie fortlaufend rekombinieren. Bei ausreichender Spannung fließt ein signifikanter elektrischer Strom.

Berechnung der Raumladungszone

Bei vollständiger Ionisierung der Dotieratome berechnet sich die Weite W der Raumladungszone in Abhängigkeit von der Donatorkonzentration N_D und der Akzeptorkonzentration N_A nach Shockley zu:

W(U) = √[((2 · ε_r · ε_0) / e) · (1/N_A + 1/N_D) · (Φ_D − U)]

Dabei bezeichnet ε_0 die Permittivität des Vakuums, ε_r die relative Permittivität des Materials, Φ_D die sich am p-n-Kontakt einstellende Diffusionsspannung, e die Elektronenladung und U die Spannung über der Diode. Die Formel beschreibt damit, wie die Raumladungszone von den Materialeigenschaften, den Dotierungskonzentrationen, der Diffusionsspannung und der angelegten Spannung abhängt.

Anwendungen und verwandte Kontakte

Der einfache p-n-Übergang wird in Stromfließrichtung als Diode beziehungsweise Halbleiterdiode genutzt. Er lässt Strom in einer Richtung gut und in der anderen fast nicht durch. Sonderformen sind die Fotodiode und die Solarzelle. Bei diesen Bauelementen wird die entgegengesetzte elektrische Ladung der Raumladungszone genutzt, um erzeugte Elektron-Loch-Paare zu trennen. Fotodioden werden deshalb in Sperrrichtung betrieben. Dadurch wird die Wirkung des Widerstands aufgehoben und der p-n-Übergang beeinflusst die Elektron-Loch-Paare nicht mehr auf dieselbe Weise.

In Querrichtung zum Stromfluss kann ein p-n-Übergang Leiterbahnen begrenzen und voneinander abgrenzen. Da diese Abgrenzung stets unvollkommen ist, entstehen Leckströme. Außerdem enthalten die meisten klassisch aufgebauten Halbleiterbauelemente einen oder mehrere p-n-Übergänge, zum Beispiel Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren (FET), MOS-FETs und Halbleiterdetektoren.

Wird ein Metall mit einem p- oder n-dotierten Halbleiter verbunden, entsteht dagegen ein Metall-Halbleiter-Übergang. Bei normaler Dotierung ist er ein gleichrichtender Kontakt und wird Schottky-Kontakt genannt. Er wird in Schottky-Dioden eingesetzt. Bei hoher Dotierung oder bei der Bildung von Mischkristallen am Kontakt, beispielsweise Al-Si oder WSi₂, entsteht ein Kontakt mit linearem Übertragungsverhalten. Dieser ohmsche Kontakt wird unter anderem beim Drahtbonden von Halbleiterbauelementen mit metallischen Zuleitungen verwendet.

Entdeckung und technische Entwicklung

Die Entdeckung des p-n-Übergangs wird dem amerikanischen Physiker Russell Ohl von den Bell Laboratories im Jahr 1939 zugeschrieben. Bei Experimenten mit Silizium und Germanium bemerkte Ohl an einem Kristall mit einem Riss, dass sich dessen Widerstand bei Lichteinwirkung drastisch veränderte. Ab 1940 erkannten Ohl und seine Kollegen, dass der Riss den Kristall in zwei Zonen mit unterschiedlichen Verunreinigungen geteilt hatte. Diese Zonen wurden später als P- und N-Typ bezeichnet.

Der Effekt wurde anschließend bei Bell Labs untersucht. In den Folgejahren erforschten Russell Ohl und weitere Mitarbeiter gezielt den Übergang zwischen unterschiedlich dotierten Halbleitermaterialien. Walter Brattain, John Bardeen und William Shockley entwickelten auf dieser Grundlage den ersten funktionierenden Bipolartransistor in Form eines Spitzentransistors. Er wurde am 23. Dezember 1947 erstmals firmenintern vorgestellt. Für die Erfindung des Bipolartransistors erhielten Bardeen, Shockley und Brattain 1956 den Nobelpreis für Physik.