Hochinjektion
Einleitung
Die Hochinjektion ist ein Effekt, welcher auftreten kann, wenn die Diode (PN-Übergang) in Flussrichtung betrieben wird. Dabei müssen beide Bereiche unterschiedlich stark dotiert sein und es muss eine entsprechend hohe Flussspannung angelegt werden.
⇨ PN-Übergang
⇨ Diode
Befindet sich eine Diode in Flussrichtung, kommt es immer zur Injektion.
Bei der Erklärung muss zunächst zwischen Injektion und Hochinjektion unterschieden werden.
Bei der Hochinjektion ist die Konzentration der Minoritätsladungsträger, welche in entsprechendes Bahngebiet injiziert werden, höher als die Konzentration des Dotierstoffes bzw. der Majoritätsladungsträger.
⇨ Injektion
Worum es sich dabei handelt, wird im Folgenden nochmals ausführlich erklärt.
Bei der Hochinjektion handelt es sich um einen Effekt, welcher unter bestimmten Gegebenheiten zustande kommt. In diesem Beitrag wird genauer erklärt worum es sich hierbei handelt.
Schwache Injektion – starke Injektion – Hochinjektion
Bei der Injektion werden zwei Arten unterschieden. Die sogenannte schwache Injektion und die starke Injektion – auch Hochinjektion genannt.
Abhängig ist die Art von der Dotierkonzentration bzw. konkreter vom Dotierkonzentrationsgradienten beider dotierter Halbleiter. Also vom Unterschied der beiden Dotierkonzentrationen.
Sind beide Halbleiter ungefähr gleich stark dotiert, kommt es nur zu einer schwachen Injektion. Sind allerdings beide Halbleiter stark unterschiedlich dotiert, kommt es zu einer Hochinjektion.
Wie bereits beschrieben, gehen vom jeweiligen Gebiet Majoritätsladungsträger in das benachbarte Gebiet über und werden dort zu Minoritätsladungsträger. Normalerweise kommen diese Minoritätsladungsträger nicht weit, da sie schnell rekombinieren. Dennoch wird bei der Diode in Flussrichtung die Konzentration der Minoritätsladungsträgern an der Grenze der Raumladungszone erhöht.
Schwache Injektion
Hochinjektion
Ladungsträgerkonzentration
Auch hier hilft es, die Ladungsträgerkonzentration anzuschauen. In diesem Beispiel kommt die Hochinjektion vom P-Gebiet ins N-Gebiet. Es ist zu sehen, wie eine vergleichsweise hohe Löcherdichte sozusagen in das N-Gebiet schwappt.
Im unteren Bild ist die Definition der Hochinjektion nochmal dargestellt.
Links ist der N dotierte Halbleiter im thermischen Gleichgewicht gezeigt. Dabei sind die Minoritätsladungsträger (hier die Löcher) sind sehr niedrig. Die Majoritätsladungsträger sind hoch, etwa auf gleichem Level wie die Donatorendichte.
In der Mitte ist der N Halbleiter gezeigt, wenn sich die Diode im Flussbetrieb befindet. Es ist zu sehen, wie durch die Injektion die Minoritätsladungsträgerdichte ansteigt.
Rechts ist die Hochinjektion beim N dotierten Halbleiter gezeigt. Dabei ist die Injektion so stark, dass die Minoritätsladungsträgerdichte die Donatorendichte übersteigt. Aufgrund der Quasineutralität steigt die Dichte der Elektronen ebenfalls an.
Die Hochinjektion ist nun daran zu erkennen, dass diese Minoritätsladungsträgerkonzentration, hier die Elektronenenkonzentration, größer ist als die Konzentration der ionisierten Störstellen.
Hier nun auch der direkte Vergleich zwischen schwacher und starker Injektion.
Einmal vom N- in das P-Gebiet und vom P- in das N-Gebiet.
Quasineutralität
Was bei dieser Beobachtung auch auffällt, ist, dass die Majoritätsladungsträger an der Grenze ebenfalls ansteigen und ungefähr gleich groß sind wie die Minoritätsladungsträger. Dies ist auf die Quasineutralität innerhalb des Halbleiters zurückzuführen. Die Konzentration der Majoritätsladungsträger, hier Löcher, steigt automatisch an.
Gleichungen der Hochinjektion & schwachen Injektion
Folgende Formeln fassen das Thema der Injektion nochmal zusammen:
Bei der schwachen Injektion ist die Minoritätsladungsträgerkonzentation (pn) viel kleiner als die Majoritätsladungsträgerdichte (nn).
Der Ausgleich aufgrund der Quasineutralität ist deshalb auch verschwindend gering. Deshalb ist auch die Majoritätsladungsträgerdichte (nn) ungefähr so groß wie auch beim Thermischen Gleichgewicht.
Bei der starken Injektion bzw. Hochinjektion übersteigt die Konzentration der Minoritätsladungsträger (nn) die Konzentration der ionisierten Störstellen. Ursächlich dafür ist ein großer Konzentrationsunterschied der dotierten Halbleiter. Aufgrund der Quasineutralität ist die Konzentration der injizierter Minoritätsladungsträger ungefähr gleichgroß wie die Konzentration der Majoritätsladungsträger.
Halbleiter-Ansicht
Wie bekannt ist aus Sicht des Halbleiters in der Raumladungszone kein Ladungsträger vorhanden (ideal). Es bleiben nur die Ionen zurück.
Im Ladungsträgerdichteverlauf ist zu sehen, wie bei der Hochinjektion die Minoritätsladungsträger gleich hoch sind wie die Majoritätsladungsträger.
Somit ist im Bereich der Hochinjektion kein Ladungsträger im Halbleiter vorhanden. Es ergibt sich ein sogenanntes Elektronen-Loch-Plasma.
Dieser Effekt (Hochinjektion und das dadurch resultierende Elektronen-Loch-Plasma) wird bei der PIN-Diode verwendet.
⇨ PIN-Diode
