Diffusion

 


 

Einleitung

Diffusion bedeutet gleichmäßige, selbständige Vermischung von Stoffen. Bezogen auf Halbleiter wird die Diffusion im Zusammenhang mit der Dotierung genannt. Bei der Dotierung wird, wie bekannt, der Reine Halbleiter mit Fremdatomen „vermischt“.

 

 

 

 




 
 

Einführung Begriff: Diffusion

Der Begriff „Diffusion“ ist ein sehr allgemeiner Begriff. Grundlegend bedeutet Diffusion eine selbständige, gleichmäßige Verteilung bzw. Vermischung von Stoffen.
Beispielsweise: Tropft man in ein Wasserglas Tinte vermischen sich beide Stoffe selbständig. Bis beide vollständig verbunden sind und so das Wasser vollständig blau gefärbt ist.

In diesem Artikel soll sich nun aber mit der Diffusion bezogen auf Halbleiter erklärt werden.

 




 

Diffusion beim Halbleiter / Dotierung

Ein reiner Halbleiter besteht aus einer einheitlichen Atomart welche sich verbindet und zusammen ein Gitter bilden. Beispielsweise ein Silizium Halbleiter besteht ausschließlich aus Silizium Atomen welche sich zu einem Gitter Formen.
Reine Halbleiter

Bei der Dotierung werden nun Atome aus diesem Gitter durch Fremdatome ersetzt.
Dotierung

Es vermischt sich also der reine Halbleiter mit den Fremdatomen. Es findet eine Diffusion statt.

Bei der Dotierung von Halbleitern handelt es sich also um eine Diffusion.

 




 

Diffusion beim PN-Übergang

Wird eine n und eine p dotierte Schicht zusammengefügt, wird also ein PN-Übergang gebildet.
Wie bereits gelernt passiert an der Grenze nun Folgendes:
Die freien Elektronen des n-dotierten Halbleiters fließen in die freien Löcher des p-dotierten Halbleiters. Dort rekombinieren sie.

Hierdurch befinden sich an der Grenze keine freien Elektronen und keine Löcher. Man spricht von einer Raumladungszone.
PN-Übergang

Hierdurch vermischt sich p und n dotierter Halbleiter, was auch als Diffusion bezeichnet wird.

 

Diffusionsstrom

Die Elektronen der n dotierten Schicht fließen in die Löcher der p dotierten Schicht. Es kommt also zu einem Elektronenstrom. Dieser Strom wird als Diffusionsstrom bezeichnet.

 

Diffusionsspannung

Durch die Rekombination an der Grenze verschwinden aus beiden Bereichen die freien Elektronen und Löcher. Übrig bleiben nur noch die entsprechenden Ionen. Durch die übrigbleibenden Ionen ist an der Grenze die N dotierte Schicht positiv geladen und die P Schicht negativ geladen.
Dotierung
PN-Übergang
 

Aus den Grundlagen ist bereits bekannt das eine negative und eine positive Ladung ein Elektrisches Feld zur Folge hat. So besteht auch hier ein Elektrisches Feld zwischen N und P Dotierter Zone (An der Grenze).
Ladung
Elektrisches Feld

Diese Spannung wird als Diffusionsspannung bezeichnet.
Ausführlichere Erklärung zur Diffusionsspannung ⇨ Diffusionsspannung

 

Driftstrom

Nun haben wir bereits Diffusionsstrom und Diffusionsspannung kennengelernt. Kurzgesagt: Die Rekombination an der Grenze des PN-Übergangs, sprich das fließen von freien Elektronen in die freien Löcher, wird als Diffusionsstrom bezeichnet. Daraus resultiert die Diffusionsspannung, denn die unterschiedlich geladenen Ionen an der Grenze haben ein Elektrisches Feld zur Folge.

Nun wissen wir auch aus den Grundlagen das ein Elektrisches Feld zu einen Elektronenstrom führen kann. Das geschieht auch hier. Die freien Elektronen fließen zwar vom N in den P dotierten Bereich allerdings werden diese Elektronen durch das immer stärker werdenden Elektrische Feld abgebremst bzw. fließen teilweise sogar kurz in die Entgegengesetzte Richtung.
Dieser Elektronenstrom wird als Driftstrom bezeichnet und führt, logischerweise, in die entgegengesetzte Richtung als der Diffusionsstrom.
Ausführlichere Erklärung zum Driftstrom ⇨ Driftstrom