Ladungsträgerdichte
Einleitung
Durch den Verlauf der Ladungsträgerdichte kann einfach dargestellt werden wie sich die Ladungsträger in der Diode bzw. im PN-Übergang verhalten. Das ist besonders interessant, wenn man sich das Verhalten der Diode auf Halbleiterebene anschauen möchte und die Funktionsweise verstehen will.
Was sind Ladungsträger?
Ladungsträger sind in der Diode bzw. im PN-Übergang von Elementarer Wichtigkeit. Die Ladungsträger im Material, im Halbleiter bestimmen wie gut dieser den elektrischen Strom leiten kann.
Sind viele Ladungsträger vorhanden, kann er auch gut den Strom leiten.
Was ist die Ladungsträgerdichte?
Die Ladungsträgerdichte stellt die Ladungsträger in einem bestimmten Volumen dar. Entsprechend ist die Ladungsträgerdichte eine wichtige Größe zur Beschreibung der elektrischen Leitfähigkeit.
Innerhalb des Halbleiters kann aber die Ladungsträgerdichte auch unterschiedlich hoch sein. Sie ist also ortsabhängig.
Bei einem intrinsischen Halbleiter wird die Ladungsträgerdichte als Eigenleitungsdichte bezeichnet. Hier wird der Mindestwert der elektrischen Leitfähigkeit angegeben.
⇨ Eigenleitungsdichte
Bei dem PN-Übergang und der Diode ist die Ladungsträgerdichte wesentlich komplexer. Deshalb wird hier gerne die Ladungsträgerdichte in einem Verlauf dargestellt.
Warum ist der Verlauf wichtig
Wie erklärt, haben die Ladungsträger in der Diode nicht überall dieselbe Anzahl bzw. Dichte. Die Ladungsträgerdichte kann deshalb in einem Verlauf dargestellt werden, um hier einen Überblick zu erhalten.
Das ist besonders interessant, wenn man sich das Verhalten der Diode auf Halbleiterebene anschauen möchte und die Funktionsweise verstehen will.
Es wird hierbei zwischen Löchern und Elektronen unterschieden.
PN-Übergang
Beim PN-Übergang im Thermischen Gleichgewicht ist an den PN-Übergang keine äußere Spannung angeschlossen.
Der Verlauf zeigt links den P dotierten Halbleiter und rechts den N dotierten Halbleiter. Bei x=0 ist die Grenze zwischen N- und P Halbleiter. In rot sind die Defektelektronen (also die Löcher) dargestellt und in blau die Elektronen. In der Mitte, wo sich beide Halbleiter treffen, ist die sogenannte Raumladungszone, hier ist entsprechend der Übergang zwischen den Ladungsträgern.
P-Halbleiter
Beim P Halbleiter sind die Löcher die Majoritätsladungsträger und die Elektronen die Minoritätsladungsträger. In der neutralen Zone kann man die Verteilung der Ladungsträger im P-Halbleiter am besten sehen (ohne Einfluss der RLZ).
Im Vergleich zu den Elektronen sind die Löcher hier entsprechend in großer Anzahl vorhanden. Tief im Inneren des P-Halbleiters (sehr weit entfernt von der RLZ) sind die Dichten dieselben, wie wenn man den P-Halbleiter für sich allein anschaut.
N-Halbleiter
Beim N Halbleiter sind die Elektronen die Majoritätsladungsträger und die Löcher die Minoritätsladungsträger. In der neutralen Zone kann man die Verteilung der Ladungsträger im N-Halbleiter am besten sehen (ohne Einfluss der RLZ).
Im Vergleich zu den Löchern sind die Elektronen hier entsprechend in großer Anzahl vorhanden. Tief im Inneren des N-Halbleiters (sehr weit entfernt von der RLZ) sind die Dichten dieselben, wie wenn man den P-Halbleiter für sich allein anschaut.
Raumladungszone
Wie aus den Grundlagen bekannt ist, rekombinieren die Ladungsträger in der Raumladungszone. Auf der X-Achse sind durch xp und xn die Grenzen der Raumladungszone markiert.
⇨ Raumladungszone
⇨ Rekombination
Zusammenfassung
Wie im Verlauf der Ladungsträgerdichte zu sehen, sinkt hier deshalb die Dichte beider Ladungsträger ab.
Es ist auch zu sehen, dass Elektronen vom N-Halbleiter in den P-Halbleiter übergehen und Löcher von P-Halbleiter in den N-Halbleiter übergehen. Man spricht hier von Injektion.
⇨ Eigenleitung
Flussrichtung
Wird nun an den PN-Übergang bzw. an die Diode eine Spannung in Flussrichtung angelegt, reagieren hierauf auch die Ladungsträger. Dies ist auch bei der Ladungsträgerdichte zu erkennen.
Kurzgesagt wird bei der Diode in Flussrichtung der PN-Übergang mit Ladungsträgern geflutet. Somit verkleinert sich die Raumladungszone und den Ladungsträgern ist es möglich, sich durch die Diode zu bewegen.
⇨ Diode in Flussrichtung
Dies ist auch im Verlauf der Ladungsträgerdichte zu erkennen.
Weit im Inneren des N und P dotierten Halbleiters (weit entfernt von dem PN-Übergang), bleibt die Ladungsträgerdichte unverändert. In der Raumladungszone bzw. an der Grenze zwischen N und P dotiertem Halbleiter kommt es aber zur Veränderung.
Wie erklärt, steigt hier die Dichte der Ladungsträger an. Dies zeigt sich auch im Verlauf. Gestrichelt ist hier die Ladungsträgerdichte im thermischen Gleichgewicht dargestellt.
Es werden somit Minoritätsladungsträger in das jeweilige Halbleitermaterial injiziert.
Hierdurch wird somit auch die Raumladungszone verkleinert.
Raumladungszone
Wie bekannt, verkleinert sich die Raumladungszone, wenn die Diode in Flussrichtung betrieben wird. Das bedeutet wird die angelegte Spannung erhöht, verschieben sich xn und xp und werden zu xn‘ und xp‘.
D.h. der Punkt np(xp‘) wandert mit erhöhen der Spannung immer weiter nach oben (wegen e^U/UT) und nach rechts (also in die Mitte) weil die Raumladungszone kleiner wird.
Sperrrichtung
Wird nun an den PN-Übergang bzw. an die Diode eine Spannung in Sperrrichtung angelegt, reagieren hierauf auch die Ladungsträger. Dies ist auch bei der Ladungsträgerdichte zu erkennen.
Kurzgesagt wird bei der Diode in Sperrrichtung die Ladungsträger aus dem PN-Übergang herausgezogen. Somit vergrößert sich die Raumladungszone und den Ladungsträgern ist es nicht möglich, sich durch die Diode zu bewegen.
⇨ Diode in Sperrrichtung
Dies ist auch im Verlauf der Ladungsträgerdichte zu erkennen.
Weit im Inneren des N und P dotierten Halbleiters (weit entfernt von dem PN-Übergang), bleibt die Ladungsträgerdichte unverändert. In der Raumladungszone bzw. an der Grenze zwischen N und P dotiertem Halbleiter kommt es aber zur Veränderung.
Wie erklärt, sinkt hier die Dichte der Ladungsträger ab. Dies zeigt sich auch im Verlauf. Gestrichelt ist hier die Ladungsträgerdichte im thermischen Gleichgewicht dargestellt.
Hierdurch wird somit auch die Raumladungszone vergrößert.
Logarithmische und lineare Darstellung
Die Angabe der Ladungsträgerdichte wird meistens logarithmisch dargestellt. Um hierfür auch ein Gefühl zu bekommen, ist im unten dargestellten Bild die Ladungsträgerdichte des PN-Übergangs im thermischen Gleichgewicht einmal logarithmisch und auch linear dargestellt.
Hierbei ist auch gut zu sehen, dass durch die logarithmische Darstellung das Verhalten wesentlich besser dargestellt werden kann.
