Entstehung eines P-N-Übergangs

Halbleiter · Anmeldungsdatum: 07.06.2020 Beiträge: 1

Meine Frage:
Hallo Physikerboard-Community,

vorab: ich hoffe, dass ich hier im Quantenphysik-Forum richtig mit meiner Frage bin. Ich versuche gerade die Vorgänge bei der Entstehung eines P-N-Übergangs zu verstehen (bin kein Physiker).

Meine Ideen:

Soweit mein Verständnis: Beim Zusammenbringen eines (elektrisch neutralen) p-dotierten Materials (sagen wir Silizum mit Aluminium dotiert) und eines (elektrisch neutralen) n-dotieren Materials (Si mit Phosphor dotiert) bildet sich ein p-n-Übergang aus.

Der Ablauf des Vorgangs: Die zusätzlich eingebrachten Elektronen in der n-Schicht besetzen durch Diffusion die zusätzlich eingebrachten Löcher in der p-Schicht. Grund ist das Konzentrationsgefälle zwischen Löchern und freien Elektronen in beiden Schichten. Nun lese ich auf verschiedenen Seiten, u.a. Wikipedia, dass nicht nur die Elektronen diffundieren, sondern auch die Löcher: "Löcher des p-Kristalls diffundieren auf die n-Seite und rekombinieren dort mit freien Elektronen." https://de.wikipedia.org/wiki/P-n-Übergang

Dieser Aspekt ist mir allerdings nicht klar. Die Löcher diffundieren doch nicht, da die zusätzlich eingebrachten Elektronen in der n-Schicht ja keine Löcher hinterlassen oder? Man müsste eher sagen: "Die zusätzlich eingebrachten Elektronen wandern von der n- in die p-Schicht und besetzen dort die zusätzlich eingebrachten freien Löcher. Dabei lassen sie in der n-Schicht positiv geladene Atomrümpfe zurück. So entsteht die Diffusionsspannung am P-N-Übergang."

Kann mir hier vielleicht jemand bei meinem Verständnis Versuch auf die Sprünge helfen? Das wäre super smile

!

Gast002 · Gast

Hallo Halbleiter,

bei n-dotierten Silizium werden Atome eingebracht, die 5 Valenzelektronen besitzen (Donatoren). Da Si 4-wertig ist, können auch nur 4 der Valenzelektronen der Donatoren Bindungen mit Si-Atomen eingehen. Das fünfte Elektron ist nicht an einer Bindung beteiligt und kann daher leicht vom Atomrumpf getrennt werden. Das Donatoratom ist dann ionisiert, d. h. es liegt eine ortsfeste positive Ladung und ein im Halbleier freibewegliches Leitungselektron vor. Das Leitungselektron befindet sich energetisch im Leitungsband des Halbleiters, nicht im Valenzband.
Bei einem p-dotierten Si-Halbleiter werden Atome eingebracht, die 3 Valenzelektronen besitzen (Akzeptoren). Hier fehlt ein Elektron, um das Netzwerk der Bindungen im Si-Halbleiter komplett zu machen. Auch das kann durch Ionisierung des Dotierungsatoms korrigiert werden. Dazu muß das Akzeptoratom ein Elektron aufnehmen. Dieses Elektron stammt aus der Menge der Valenzelektronen der Si-Atome. Das heißt, wir haben jetzt eine ortsfeste negative Ladung vorliegen, das ionisierte Akzeptoratom, und ein fehlendes Valenzelektron bei einem der benachbarten Si-Atome. Dieses fehlende Valenzelektron ist frei beweglich. Das kommt dadurch, daß an die Stelle, wo das Elektron in der Bindung fehlt, ein Elektron von einem angrenzenden Si-Atom springen kann. Dieses fehlende Elektron wird Loch genannt. Es ist kein echtes Teilchen, also kein neues Elementarteilchen, sondern ein Zustand des gesamten Kollektivs der Valenzelektronen im Silizium, wo halt eins fehlt, das eigentlich da sein müßte. Manchmal sagt man auch, das Loch wäre ein Quasiteilchen. Es hat sich aber gezeigt, daß man das elektrische Verhalten eines Halbleiters gut verstehen kann, wenn man das Loch wie ein reales Teilchen behandelt. Seine Ladung ist positiv

Jetzt zum pn-Übergang. Du hast schon richtig geschrieben, Dort besteht ein Konzentrationsgefälle für Elektronen und Löcher. Daher diffundieren die Leitungselektronen aus dem n-Gebiet ins p-Gebiet und Löcher aus dem p-Gebiet ins n-Gebiet. Die Löcher sind, wie gesagt, frei beweglich, können also genauso diffundieren wie die Leitungselektronen. Wenn jetzt ein Leitungselektron auf ein Loch trifft, dann füllt das Leitungselektron einfach das Loch aus. "Loch" bedeutete ja nur, daß dort in einer Si-Si Bindung ein Elektron gefehlt hat. Nach der Rekombination von Loch und Leitungselektron ist sowohl das Leitungselektron als auch das Loch verschwunden. Was übrig bleibt, sind die ionisierten Dotierungsatome, also ortsfeste positive Ladungen auf der n-Seite und ortsfeste negative Ladungen auf der p-Seite. Das sind die Raumladungen, die dann die Diffusionsspannung bewirken.

Beste Grüße

Halbleiter2 · Gast

Hallo Gast002,

danke für deine ausführliche Antwort, das war hilfreich!

Ich gklaube der Knackpunkt war, dass ich gedacht habe, dass alle zusätzlich eingebrachten Elektronen, alle zusätzlich eingebrachten Löcher besetzen.

Es gibt ja allerdings bei Temperaturen >> absoluter Nullpunkt auch ohne Dotierung einige Löcher im Valenzband bzw. Elektronen im Leitungsband. Sonst wäre ein Halbleiter ja ein Isolator. Diese zufällig vorhandenen freien Elektronen und Löcher können natürlich auch mit den zusätzlichen Löchern / Elektronen rekombinieren. Das hatte ich in meiner Überlegung nicht berücksichtigt.

Ich glaube ich habe das Ganze jetzt durchstiegen. Danke nochmal für deine Antwort und schönen Sonntag.