Diode - suche gute Erklärung

Lorz · Anmeldungsdatum: 18.09.2014 Beiträge: 74

Hallo!

Bald ist es wieder so weit - ich muss Halbleiter unterrichten.
Ich mag die meisten Physikthemen ja gerne und habe mir da eigentlich gutes Material zu entwickeln können.
Aber die Leitungsvorgänge in einer Diode... puh, da sträubt sich mir alles.

Global habe ich folgendes Problem, wenn es zB um die Lochleitung geht.
Ich lese dort insgesamt folgendes Denkschema heraus:

Ein Elektron habe eine gewisse Energie

außerhalb einer Elektronenfehlstelle.
Regel 01: Es ist energetisch günstiger in das Loch zu gehen, dort hat es

und es gilt

Regel 02: Ist das Elektron im Loch, so geht es heraus, weil es energetisch günstiger ist, das Loch zu verlassen.
Es gilt also insgesamt

Deshalb mag ich diese Lochleitungserklärung nicht...

Wahrscheinlich wird das ein harter Kampf - aber hat jemand die Muße, mir die Logik des Lochleitungsmodell zu erklären und obigen Widerspruch aufzulösen?

ML · Anmeldungsdatum: 17.04.2013 Beiträge: 3402

Hallo,

Myon · Anmeldungsdatum: 04.12.2013 Beiträge: 5875

Ich verstehe Deine Regeln und was die Energien E1, E2 bedeuten, auch nicht ganz.

Ich denke, dass manche Verständnisprobleme mit der "Lochleitung" darin liegen, dass man sich zuviel darunter vorstellt. Grundsätzlich ist ein Loch ja einfach eine unbesetzte Elektronenstelle in einem Valenzband.

Das Thema Halbleiter ist ein grosses Gebiet, und ich weiss nicht, auf welcher Stufe Du dieses unterrichtest. Qualitativ wären für mich wichtige Punkte:

-Wesentlich für Halbleiter ist das Energiebändermodell. Ursache für das Entstehen von Energiebändern ist das periodische Potential der Gitterionen (Atomrümpfe), in dem sich die äusseren, schwach gebundenen und nicht nur um den Kern herum lokalisierten Elektronen befinden. Das gitterperiodische Potential führt zur Ausbildung von Energielücken ("verbotene" Energieintervalle) im Anregungsspektrum der äusseren Elektronen.

-Bei einem ganz einfachen, undotierten Halbleiter sind im Grundzustand alle Zustände in einem unteren Energieband (Valenzband) besetzt. Darüber befindet sich eine Bandlücke. Nur bei Anregung (thermisch oder wie erwähnt z.B. mit Einstrahlung von Photonen) können Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband angehoben werden.

Ist das Valenzband voll besetzt, können sich Elektronen dort nicht bewegen, da keine freien Plätze vorhanden sind. Erst, wenn Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband angeregt werden werden, entstehen im Valenzband unbesetzte Stellen. Wird eine Spannung an den Halbleiter angelegt, können sich dann die Elektronen im Leitungsband und die Elektronen im Valenzband bewegen. Im Valenzband kann man sich nun vorstellen, dass sich nicht Elektronen bewegen würden, sondern in entgegengesetzter Richtung die unbesetzten Stellen (positiv geladene Löcher). Tatsächlich bewegen sich aber immer Elektronen.

-Durch das Dotieren, das Einbringen von 3- oder 5-wertigen Fremdatomen in 4-wertige Kristalle (Si, Ge), werden die Eigenschaften des Halbleiters nochmals wesentlich verändert.
Bringt man 3-wertige Atome ein (Akzeptoren), so entsteht nahe über dem Valenzband ein Energieniveau, wohin Elektronen mit relativ wenig Energie aus dem Valenzband angeregt werden können, wodurch dort ein "Loch" entsteht. Es entsteht ein p-Halbleiter.
5-wertige Fremdatome (Dontatoren) führen zu einem Energieniveau dicht unter dem Leitungsband, von wo wiederum mit rel. geringer Energie Elektronen ins Leitungsband angehoben werden können (n-Halbleiter).

-Bringt man einen n-HL und einen p-HL zusammen, entsteht ein steiler Gradient von n-Elektronnen im Leitungsband und von p-Löchern im Valenzband. Als Folge davon diffundieren Elektronen in den p-Teil und Löcher in den n-Teil, wo sie jeweils mit den Löchern bzw. Elektronen rekombinieren. Es entsteht eine negative Ladungsdichte im p-Teil und eine positive Ladungsdichte im n-Teil. Das dadurch hervorgerufene E-Feld treibt wiederum Ladungsträger zurück. Als Resultat entsteht am Übergang eine Verarmungszone (Sperrschicht). Die Dicke der Sperrschicht kann durch das Anlegen einer äusseren Spannung geändert werden. Es entsteht der typische Strom-Spannungsverlauf einer Diode.

ML · Anmeldungsdatum: 17.04.2013 Beiträge: 3402

Hallo Myon,

soweit würde ich alles unterschreiben.

Die Aussage "Tatsächlich bewegen sich aber immer Elektronen" kann leicht zu Missverständnissen führen.

Ergänzt werden sollte, dass die Löchterleitung nicht durch freie Elektronen verursacht wird, was dadurch deutlich wird, dass sie eine effektive Masse ungleich der Elektronenmasse haben.

Darüber hinaus lässt das Vorzeichen der Hall-Spannung auf positive Ladungsträger schließen, wenn ich das richtig recherchiert habe (ich habe es leider noch nie selbst ausprobiert, habe das aber vor).

Viele Grüße
Michael

Frankx · Anmeldungsdatum: 04.03.2015 Beiträge: 982

Lorz · Anmeldungsdatum: 18.09.2014 Beiträge: 74

Lorz · Anmeldungsdatum: 18.09.2014 Beiträge: 74

ML · Anmeldungsdatum: 17.04.2013 Beiträge: 3402

Hallo,

Myon · Anmeldungsdatum: 04.12.2013 Beiträge: 5875