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.

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 und Protonen), 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 verwendet, die in der dritten und vierten 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.

Durch das gezielte Verunreinigen der verwendeten Materialien, das sogenannte Dotieren, lässt sich ihr elektrisches Verhalten gezielt verändern. Hierbei werden Elemente der dritten und der fünften Hauptgruppe des PSE in das Kristallgitter "eingebaut". Beim sogenannten n-Dotieren (n steht für negativ) wird beispielsweise Phosphor in das Gitter eingefügt. Dies hat eine schwache Bindung des fünften Außenelektrons zur Folge, das sich daher bereits bei geringer Energiezufuhr löst und frei bewegen kann. Das Gegenstück ist die sogenannte p-Dotierung (p = positiv). bei der Elemente der dritten Hauptgruppe des PSE, z.B. Bor, in das Kristallgitter eingefügt. Die Bindung im Siliziumkristall wird hierdurch schwächer - es entsteht etwas, das unter einem starken Mikroskop wie ein Loch aussieht. Ohne auf die Details einzugehen, soll hier nur gesagt werden, dass durch das Dotieren das Verhalten von Leitungs- bzw. Valenzbändern verändert wird.

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.

Hiermit sollen die physikalischen Grundlagen bereits beendet werden. 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

Halbleiterdioden bestehen prinzipiell aus zwei Materialien, von denen eines einen Elektronenüberschuss und das andere einen Protonenüberschuss hat. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Anschlüsse werden die Elektronen/Protonen 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 Protonenüberschuss 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 Protonen 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 Protonen 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:

Die beiden mit p und mit n gekennzeichneten Kästchen sind nicht Bestandteil des Schaltzeichens von Halbleiterdioden, sie zeigen aber noch einmal den prinzipiellen Aufbau dieser Bauelemente.

Die Kennlinien von Silizium- und Germanium-Dioden werden in der folgenden Abbildung gezeigt.

Das Verhalten von Halbleiterdioden im normalen Betrieb wird im rechten oberen Quadranten des Kennlinienbildes gezeigt. Oberhalb einer als Schwellspannung bezeichneten Spannung UF wird der Widerstand kleiner, und die Dioden beginnen zu leiten. Dies äußert sich durch das steile Ansteigen des Stromes IF.

UF und IF werden in der deutschsprachigen Literatur auch als Vorwärtsspannung bzw. Vorwärtsstrom bezeichnet. In den englischsprachigen Datenblättern steht das F für Forward.

Nun soll der linke Teil des Kennlinienbildes betrachtet werden. Obwohl dieser Bereich für den Betrieb nicht relevant ist, ist er bei der Dimensionierung der Diode von besonderer Bedeutung, weil bei zu großer Rückwärtsspannung UR sehr schnell auch der sogenannte Rückwärtsstrom IR stark ansteigen wird. Werden hier die in den Datenblättern angegebenen Maximalwerte überschritten, so führt dies zur Zerstörung der Dioden.

Der Index R bei UR und IR kommt vom englischen Reverse.

Der sichere Betrieb im Rückwärtsbetrieb beschränkt sich auf die Bereiche oberhalb der jeweiligen Kennlinie.

Andere Diodenarten

Wenn es, wie weiter oben erwähnt, "normale" Dioden gibt, dann sollte es auch "andere" Diodentypen geben. Auf diese soll zwar nicht weiter eingegangen werden, zumindest einige Namen sollen aber dennoch erwähnt werden:

  • Zener-Dioden (auch einfach Z-Dioden genannt)
  • Kapazitätsdioden
  • Tunneldioden (auch unter dem Namen Esakidioden bekannt)
  • Backwarddioden
  • PIN-Dioden
  • Schottky-Dioden

Zener-Dioden (Z-Dioden)

Z-Dioden haben die Eigenschaft, dass sie sich im rechten Teil der Kennlinie wie "normale" Halbleiterdioden verhalten. Ihren Namen haben sie zu Ehren des amerikanischen Physikers Clarence M. Zener erhalten, der bei Experimenten mit speziell dotierten Halbleitern feststellte, dass sie sich in einem kleinen Teil des Sperrbereichs wie "normale" Dioden verhalten, dass aber ab dem Überschreiten der sogenannten Zenerspannung der Strom IZ stark ansteigt. IZ ersetzt im oben gezeigten Kennlinienfeld den Rückwärtsstrom IR. Dies bedeutet, dass sie im Rückwärtsbetrieb eingesetzt werden (also entgegengesetzt zu normalen Dioden): Nach Überschreiten der Zenerspannung werden diese Dioden niederohmig. Z-Dioden werden zur Spannungsstabilisierung eingesetzt.

Schottky-Dioden

Schottky-Dioden haben keinen p-n-Übergang, sondern verwenden einen metallischen Halbleiterübergang. Schottky-Dioden schalten besonders schnell und werden daher bevorzugt in der Hochfrequenztechnik eingesetzt. Sie haben aber den Nachteil, dass sie relativ hohe Verlustströme haben, sogenannte Leckströme. Daher werden sie nur in Anwendungen eingesetzt, in denen es auf besonders schnelle Schaltzyklen, z.B. in der Mikrowellentechnik. Als Ersatz für herkömmliche Dioden sind sie aufgrund der im Vergleich recht hohen Verluste nicht geeignet.