p-n-Übergang

Wie der Name schon sagt, ist ein Halbleiter ein Material, das aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften zwischen Leitern (für elektrischen Strom) und Isolatoren angesiedelt ist. Silizium (Si) ist der der am häufigsten verwendete Halbleiter, aber es gibt noch andere (Germanium, Galliumarsenid). Im reinen Zustand (man sagt auch intrinsisch) ist ein Siliziumblock eine kristalline Struktur mit Isolator ähnlichen elektrischen Eigenschaften. Der Vorteil eines Halbleiters liegt in der Möglichkeit, ihn zu dotieren, d. h. die Möglichkeit, seine Leitfähigkeit zu verändern, indem ein fremdes Atom (Verunreinigung) anstelle eines Siliziumatoms eingesetzt wird.

Ein Siliciumatom ist vierwertig (4 Elektronen auf seiner Valenzschale). Es vervollständigt seine Valenzschale auf 8 Elektronen, indem es sich mit 4 anderen Si-Atomen zu einer perfekten Kristallstruktur.

Bei der n-Typ-Dotierung wird eine Verunreinigung hinzugefügt, die ein Elektron abgibt. Dies ist der Fall, wenn man ein Atom des Elements Silizium (Si) durch ein anderes Atom wie Phosphor (P) ersetzt. Die Halbleiterphysik erklärt, dass das fünfte Elektron in der Valenzschale nur sehr locker an sein Atom gebunden ist. Die Hinzufügung eines Phosphoratoms führt dann dazu, dass ein festes Ion P⁺ und ein freies Elektron entstehen. Ein dotierter n-Halbleiterblock ist also neutral, aber seine Leitfähigkeit hat sich gerade erhöht.

Bei der p-Typ-Dotierung wird eine Verunreinigung hinzugefügt, die die ein Elektron aufnimmt. Dies ist der Fall, wenn man ein Siliziumatom (Si) durch ein dreiwertiges Atom wie Bor (B) ersetzt. Die Halbleiterphysik erklärt, dass das Boratom versucht, ein Elektron zurückzugewinnen. Das Hinzufügen eines B^-Atoms führt dann zur Entstehung eines fixen B^- Ions und eines Lochs. Ein Loch stellt eine Abwesenheit eines Elektrons dar. Es kann als ein Loch definiert werden. Teilchen mit einer positiven Ladung -e (e ist die Ladung des Elektrons). Ein p-dotierter Halbleiterblock ist also neutral, aber es hat sich gerade erhöht.

• Ein dotierter Siliziumblock wird als extrinsisch bezeichnet.
• Ein extrinsischer n-Typ-Halbleiter ist Elektronendonator, während ein Halbleiter p-Typ-Extrinsisch ein Loch Donator ist. Als Merkhilfe kann man sich merken, dass n für den Donator negativer freier Ladungen und p für den Donator positiver freier Ladungen steht.
• Der Buchstabe p, der das dotierte kennzeichnet, sollte nicht mit dem Buchstaben P verwechselt werden, der für ein Phosphoratom steht.
• Es ist wichtig, zwischen festen Ladungen (den Ionen P⁺ und B^-) und freien Ladungen (freien Elektronen und Valenzelektronenlöchern) zu unterscheiden. Nur letztere sind beweglich.
• Das Dotieren eines Halbleiters erfordert eine Atmosphäre die ultra-kontrolliert ist. Man muss wissen, dass unter Milliarden von Si-Atomen nur ein Dopant-Atom injiziert wird. Das elektrische Verhalten des Halbleiters hängt von der Reinheit des Kristalls ab. Die Herstellung erfolgt in einem Reinraum