Einführung in die Halbleitertechnik (Dioden)

Hier werden die Grundlagen für den Einsatz von Halbleitern gelegt. Dabei wird mit Dioden begonnen. Das Verständnis der Technologie ist wichtig u.a. für den Einsatz von Transistoren.

Dieser Artikel konnte Dank der Vorschläge des Lesers Herrn Breuer erheblich verbessert werden. Vielen Dank für ihre Unterstützung, Herr Breuer!

Stark vereinfachte physikalische Grundlagen

Der Titel dieser Seite verwendet den Begriff Halbleiter. Die Begriffe Leiter (er wurde in Zusammenhang mit metallischen Leitern und Supraleitern genannt) und Nichtleiter (sie werden auch als Isolatoren bezeichnet) wurden bei der Erklärung des ohmschen Gesetzes eingeführt. Aber was versteht man unter Halbleitern?

Man könnte vermuten, dass ihre Leitfähigkeit irgendwo zwischen Leitern und Isolatoren angesiedelt ist. Und diese Annahme ist auch korrekt: Halbleiter leiten schlechter als Leiter, sie leiten aber besser als Isolatoren. Die Leitfähigkeit von Halbleitern ist in besonderem Maße von der Temperatur abhängig. Bei sehr niedrigen Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt von ca. -273,15° C (dies entspricht 0 Kelvin) gibt es nur sehr wenige freie Ladungsträger (Elektronen), sodass der elektrische Widerstand der verwendeten Materialien sehr hoch ist und sie wie Isolatoren wirken. Je weiter die Temperatur ansteigt, wird die Zahl der freien Ladungsträger immer größer. Dies hat zur Folge, dass sich ihr Widerstand verringert und ihre Leitfähigkeit somit zunimmt.

Für elektronische Bauelemente werden überwiegend kristalline Materialien (--> Kristallstruktur) verwendet, die in der dritten, vierten und fünften Gruppe des Periodensystems der Elemente (PSE) angesiedelt sind. Sehr lange Zeit wurden die Elemente Silizium und Germanium für elektronische Bauelemente verwendet. Dies gilt auch heute noch, allerdings werden durch große Fortschritte in der Halbleiterphysik heutzutage auch andere Materialien eingesetzt.

Der Begriff Kristallstruktur besagt hierbei, dass die Atome regelmäßig angeordnet sind und auf festen Plätzen "sitzen". Das Gegenteil von Kristallstruktur ist die sogenannte amorphe Struktur: Hier haben die Atome eben keine genau definierten Plätze und sind somit ungeordnet. Im Fachbuch Bauelemente der Elektronik von Klaus Beuth (das Buch erschien im Vogel Verlag in Würzburg) wurde der Begriff amorphe Struktur anschaulich an Kohlenstoffatomen beschrieben. Zitat: "Kohlenstoff in amorpher Struktur ist Ruß, in bestimmter Kristallstruktur Diamant".

Siliziumatome besitzen u.a. 14 Elektronen, die ringförmig um den Atomkern auf sogenannten Schalen (wie bei einer Zwiebel) angeordnet sind. Hierbei fällt auf, dass auf der äußersten Schale vier Elektronen angeordnet sind: Sie werden als Valenzelektronen bezeichnet und dienen der Bindung an andere Atome. Aufgrund der vier Valenzelektronen bezeichnet man Silizium auch als vierwertig! Es ist somit in der Lage, mit bis zu vier anderen Atomen Verbindungen einzugehen wie innerhalb der Silizium-Kristallstruktur. Da in diesem Fall jedes Valenzelektron an einer Bindung beteiligt und gebunden ist, steht es nicht mehr für den Stromtransport als freier Ladungsträger zur Verfügung. Die Zahl der Valenzelektronen bestimmt somit auch die Nummer der Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente.

Wenn man Silizium nun gezielt mit anderen Atomen verunreinigt (hierfür werden bevorzugt Atome der dritten und der fünften Hauptgruppe verwendet), so führt dies aufgrund der verschiedenen Zahl der Valenzelektronen entweder zu einem Elektronenüberschuss bzw. Elektronenmangel. Der Vorgang der gezielten Verunreinigung wird als Dotieren bezeichnet.

Wird Silizium beispielsweise mit Atomen der fünften Hauptgruppe, wie z.B. Phosphoratomen, verunreinigt, so ergibt sich aufgrund der Anzahl der Valenzelektronen des Phosphoratoms ein Elektronenüberschuss! Das zusätzliche Elektron ist an keiner Bindung beteiligt und steht deshalb als frei beweglicher Ladungsträger zur Verfügung und wird nicht einem einzelnen bestimmten Si-Atom geschenkt. Dann wäre es ja auch irgendwie wieder an dieses bestimmte Atom gebunden und nicht frei.

Da Elektronen eine negative Ladung besitzen spricht man hier auch von einer n-Dotierung. Wird nun eine elektrische Gleichspannung angelegt, so wird das freie Elektron in Richtung des Pluspols der Spannungsquelle wandern. Umgekehrt verhält es sich bei der p-Dotierung mit einem Atom der dritten Hauptgruppe, wie z.B. Aluminium. Da Aluminium nur drei Valenzelektronen besitzt, also nur mit drei anderen Atomen eine Bindung eingehen kann, bleibt eine mögliche Verbindung offen: In der deutschen Literatur wird sie als Loch bezeichnet. Dieses Loch ist in der Lage ein Elektron aufzunehmen, tut dies aber aufgrund des Fehlens des Elektrons nicht. Aus Sicht der elektrischen Ladung ist ein Loch somit positiver als ein Elektron. Beim Anlegen einer Gleichspannung wandern die Elektronen im p-dotierten Halbleiter in Richtung des Pluspols, indem sie von ihrem aktuellen Bindungsplatz zu einer freien Bindungsstelle (Loch) eines Atoms näher hin zum Pluspol wandern. Auf diese Weise wandert das Loch durch die Elektronenbewegung in die umgekehrte Richtung auf den Minuspol zu. Während man bei der n-Dotierung also von einer Elektronenwanderung sprechen kann, wandern bei der p-Dotierung Löcher.

Im Abschnitt Der Gleichstromkreis wurde bereits das Wissen um die Abstoßung gleicher Pole bzw. der Anziehung ungleicher Pole aufgefrischt. Das gleiche Prinzip gilt natürlich auch bei Halbleitern.

Kombination von p- und n-dotierten Elementen

Werden nun p- und n-dotierte Elemente miteinander kombiniert, so entsteht ein sogenannter p-n-Übergang. An der Grenze zwischen den beiden Elementen entsteht somit eine Schicht, die sich bei Anlegen einer elektrischen Gleichspannung je nach Polarität entweder vergrößert oder verkleinert. Diese Schicht wird in der Literatur als Sperrschicht bezeichnet. Schließt man an die p-dotierte Seite des Elements den Minuspol der Spannungsquelle und an die n-dotierte Seite ihren Pluspol an, so wird sich die Sperrschicht zwischen den Elementen vergrößern, was dazu führt, dass sich die Leitfähigkeit verringert. Vertauscht man die Polarität, so verringert sich die Sperrschicht, was zu einer Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit führt.

An dieser Stelle möchte ich die Erklärung der physikalischen Grundlagen beenden. Wenn Sie mehr zur Halbleiterphysik erfahren möchten, suchen Sie mit der Suchmaschine Ihrer Wahl im Internet einfach nach dem Begriff "Einführung in die Halbleiterphysik". Als Ingenieur interessiert mich eher die Anwendung der Grundlagen, für die Grundlagenforschung sind Halbleiterphysiker die kompetenteren Ansprechpartner.

Arbeitsweise von Halbleiterdioden

Vom Funktionsprinzip wurde das, was in diesem Abschnitt folgt, bereits weiter oben grundlegend beschrieben: Hier folgt somit eine Art Wiederholung, diesmal aber an einem realen Bauelement, einer sogenannten Halbleiterdiode.

Halbleiterdioden bestehen prinzipiell aus zwei Materialien, von denen eines einen Elektronenüberschuss und das andere einen Löcherüberschuss hat. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Anschlüsse werden die Elektronen/Löcher je nach Polung entweder angezogen oder abgestoßen. Entsprechend verringert oder vergrößert sich die als Sperrfläche bezeichnete "Schnittstelle" zwischen den beiden Materialien. Je breiter die Sperrfläche ist, umso größer der elektrische Widerstand und umgekehrt. Der Pluspol einer Halbleiterdiode wird als Anode, der Minuspol als Kathode bezeichnet. Die Anode ist mit dem Material mit Löcherüberschuss verbunden, die Kathode ist entsprechend mit dem Material verbunden, das einen Elektronenüberschuss hat.

Wird eine positive Spannung an die Anode und ein negatives Potential an die Kathode angeschlossen, so werden die Löcher in Richtung der Kathode verdrängt und Elektronen angezogen. Ein negatives Potential an der Kathode verstärkt diesen Effekt, da es Elektronen von der Kathode verdrängt und Protonen anzieht. Die Folge hiervon ist, dass die Sperrschicht zwischen den beiden Materialien immer schmaler wird: Die Diode leitet.

Werden nun die Anschlüsse der Spannung vertauscht, so tritt der entgegengesetzte Effekt an: Eine positive Spannung an der Kathode zieht Elektronen an, während eine negative Spannung an der Anode Löcher anzieht. Hierdurch verbreitert sich die Sperrschicht immer weiter, sodass die Diode nicht mehr leitet. Man sagt hierzu auch: Die Diode sperrt.

Entsprechend diesen Ausführungen kann die Arbeitsweise einer Diode mit einem Ventil verglichen werden. Dies ist der Grund, warum Dioden in der Literatur manchmal auch als Stromventil bezeichnet werden.

Schaltzeichen und Kennlinien von Halbleiterdioden

Die Ähnlichkeit von Halbleiterdioden mit Ventilen zeigt sich auch im Schaltzeichen, mit dem (normale) Dioden in elektronischen Schaltplänen symbolisch dargestellt werden: