Halbleiterbauelemente
Inhaltsverzeichnis
Werkstoffe, Eigenschaften
Halbleiterwerkstoffe sind Werkstoffe wie Silicium (Si), Selen (Se), Germanium (Ge) und Graphit. Diesen Stoffen ist gemeinsam, dass sie sich in der Nähe des absoluten Temperaturnullpunktes (-273°C, 0 K) wie elektrische Isolatoren (Porzellan, Keramik, Glas = sehr hoher spezifischer elektrischer Widerstand) verhalten. Erst bei Erwärmung bilden sich frei bewegliche Elektronen. Da aber der spezifische elektrische Widerstand der Halbleiterwerkstoffe bei Raumtemperatur nur etwas höher ist als der von Kupfer oder Eisen, zeigt sich, dass Halbleitermetalle extrem temperaturabhängig sind.
N-Leiter und P-Leiter
N-Leiter
Wird Silicium mit Phosphor (P), Arsen (As) oder Antimon (Sb) "verunreinigt", besitzt es einen Elektronenüberschuss. Diese freien Elektronen können sich wie in einem metallischen Leiter frei bewegen. Dieses Fremdatom wird als Donator oder Donatoratom bezeichnet. Das Wort "Donator" kommt von dem lateinischen "donare" (schenken). Jedes Donatoratom schenkt dem Werkstoff ein zusätzliches freies Elektron, welches zur Entstehung eines Stroms beitragen kann. Jedes Elektron, das durch Dotieren eines Atoms dem Kristall hinzugefügt wird, erhöht die Leitfähigkeit des Halbleiters. Da aber jedem Elektron im dazugehörigen Atomkern ein Proton gegenüber steht, bleibt der Halbleiterwerkstoff trotz der Dotierung elektrisch neutral bzw. spannungsfrei. Bei Anlegen einer Spannung fließt der Elektronenstrom aufgrund der überschüssigen Elektronen von Minus nach Plus. Da es sich bei den freien Elektronen um einen negativ geladenen Ladungsträger handelt, spricht man von einem n-Leiter. Häufig genutzte Donatoren sind die oben genannten Elemente. (s. Fachkunde Kfz, S. 502, Grafik) -> N-Leiter haben Elektronen als Ladungsträger.
Quelle: leifiphysik.de
P-Leiter
Wird Silicium mit Aluminium (Al), Gallium (Ga) oder Indium (In) dotiert (verunreinigt), so entsteht ein Elektronenmangel. Dieser Elektronenmangel wird vom Akzeptor / Akzeptoratom verursacht. Das Wort Akzeptor kommt vom lateinischen "accipere" und bedeutet annehmen. Den Akzeptoren fehlt ein Elektron, was wiederum zu einem Loch im Halbleiter führt. Im Kristall befindet sich also eine offene Kristallbindung. Kommt nun ein Elektron aufgrund der thermischen Bewegung in die Nähe einer solchen offenen Kristallbindung, dann wird es in diese offene Bindung gezogen. An der Stelle verschwindet das Loch und die Bindung ist vollständig und somit das Loch geschlossen. An einer anderen Stelle ist wiederum ein Loch bzw. eine offene Bindung entstanden. Im spannungslosen Zustand wandern die Löcher ungeordnet. Ständig wird ein Elektron in ein Loch gezogen und an einer anderen Stelle entsteht ein neues. Trotz der entstehenden freien (Löcher) bleibt die Ladung des Halbleiterwerkstoffs durch diese Dotierung elektrisch neutral/spannungsfrei. Bei Anlegen einer Spannung bewegt sich der Löcherstrom dadurch von Plus nach Minus. Da es sich bei den Löchern um positive Ladungsträger handelt, spricht man von einem p-Leiter. Häufig genutzte Akzeptoren sind Aluminium und Gallium.
Quelle: leifiphysik.de
Dioden
Halbleiterdioden sind eher einfach aufgebaut und bestehen lediglich aus n- und p-dotiertem Halbleitermaterial.
Man bringt also einfach n- und p-dotiertes Halbleitermaterial in Kontakt zueinander, und schließt an die beiden Halbleiterschichten jeweils ein Kabel an. Ohne äußere Spannung befinden sich im n-dotierten Material eine ganze Reihe von negativ geladene Stellen und in p-dotierten Material positiv geladene. Positiv geladene Stellen heißt hier, daß dort ein (negativ geladenes) Elektron fehlt. Man spricht man auch von Loch. Die Anzahl der freien Elektronen und der Löcher ist eine Materialkonstante und ändert sich nicht. Man kann daher nicht die Löcher mit Elektronen "zuschütten" oder die freien Elektronen aus dem Material entfernen. Man kann durch Anlegen von elektrischen Feldern lediglich ihre Position im Material beeinflussen.
Ohne äußere Spannung passiert noch nichts. Legt man an die Diode eine Spannung derart gepolt an, daß das n-dotierte Material mit dem positven und das p-dotierte Material mit dem negativen Pol verbunden ist, so sperrt die Diode. Der Grund hierfür ist, daß sich ähnlich wie bei Magneten gleiche Ladungen abstoßen und unterschiedliche anziehen. Elektronen sind immer negativ geladen und stoßen sich daher ab. Verbindet man das n-dotierte Halbleitermaterial der Diode mit dem positiven Pol einer externen Spannungsquelle, so wandern die Elektronen wegen der Anziehung in Richtung dieses Pols. Gleichzeitig wandern die Löcher aus dem gleichen Grund in Richtung des negativen Pols. Dadurch gibt es in der Mitte der Diode überhaupt keine freien Ladungen, weder Elektronen noch Löcher. Ohne frei bewegliche Ladungen gibt es aber keinen Stromfluß. Somit kann in dieser Richtung kein Strom fließen. Dieser Sachverhalt ist in Bild 2 dargestellt.
Polt man die Diode jedoch um, wirken ebenfalls Anziehung und Abstoßung. Dieses Mal werden die Elektronen im n-dotierten Material durch die Elektronen der Spannungsquelle in Richtung Mitte verdrängt, wo sie den positiv geladenen Löchern (Loch heißt fehlendes Elektron!) sehr nahe kommen und mit nur wenig Energie d.h. Spannungsdifferenz auf eine Lochposition springen und dieses ausfüllen. Im p-dotierten Material passiert das Gleiche: Die positiv geladenen Löcher werden in Richtung Mitte gedrückt, wo sie einfach verschwinden, weil die Lochstellen von Elektronen aus der n-dotierten Seite besetzt werden, wie in Bild 3 dargestellt.
Für jedes Paar aus Elektron und Loch, das in der Mitte, der sogenannten Sperrschicht, verschwindet, kann ein weiteres Elektron in das n-dotierte Material nachfließen und wird sofort in Richtung Mitte gedrückt. Auf der anderen Seite passiert das Gleiche mit einem Loch. Doch halt: Löcher können nicht einfach durch den metallischen Anschlußdraht fließen, so wie dies im obigen Bild dargestellt ist. Aber Löcher, d. h. fehlende Elektronen, die gedanklich im Bild nach rechts fließen, bedeuten nichts anderes, als daß Elektronen in der umgekehrten Richtung fließen. Die Löcherleitung findet somit nur im p-dotierten Material statt, so daß der Löcherfluß im Anschlußdraht nur ein Denkmodell ist. Die Anzahl der Elektronen im n-dotierten und die Anzahl der Löcher im p-dotierten Halbleitermaterial ist immer konstant. Dort, wo der Anschlußdraht mit dem p-dotierten Material verbunden ist, fließt ein Elektron in Richtung der positiven Spannungsquelle und hinterläßt im Halbleitermaterial daher ein Loch, wenn ein Loch in der Nähe der Sperrschicht verschwindet. Somit fließen Elektronen in das n-dotierte Material hinein. Aus dem p-dotierten Material fließen hingegen Elektronen in exakt der gleichen Anzahl hinaus. Dies bedeutet, daß ein Stromfluß stattfindet und die Diode leitet. Dies geschieht aber erst ab der Mindestspannung von 0,3 bis 0,7 Volt.
Zusammenfassung
Eine Diode besteht aus zwei Schichten, einem n-dotierten und einem p-dotierten Halbleitermaterial, die sich berühren. Aufgrund von Abstoßung bzw. Anziehung von gleichen Ladungen findet abhängig von der Polung einer externen Spannungquelle entweder ein Stromfluß statt oder wird komplett unterbunden. Somit leitet eine Diode nur in eine Richtung.
Verwendung, Reparatur im KFZ-Bereich
Sehr häufig werden Dioden als sogenannte Gleichrichterdioden verwendet. Dadurch daß Dioden Strom nur in eine Richtung durchlassen, erhält man am Ausgang einen pulsierenden Gleichstrom (in Sperrichtung betrieben ist die Ausgangsspannung Null). Es gibt jedoch noch viele weitere Anwendungen in der Elektronik, bei denen es darauf ankommt, daß sehr kleine Steuerströme nur in eine Richtung fließen können. Weitere Verwendung von Dioden: Als LED (Light Emitting Diodes) (heutzutage in fast allen KFZ verwendet), näheres in dem Artikel Leuchtmittel.
Siehe auch Elektronische Schaltungen im KFZ
Halbleiter und Halbleiterbauelemente können im allgemeinen nicht repariert werden und müssen ausgetauscht werden.
Fragen
Frage 1:
Mit welchen Stoffen kann ich das Silicium versetzen, um N-Leiter herzustellen?
Frage 2:
Wo in der Natur kommt Silicium vor?
