10.6 : Grundlagen der Halbleitertechnik

Ein p-n-Übergang entsteht, wenn p-Typ- und n-Typ-Halbleitermaterialien miteinander verbunden werden. An der Schnittstelle des p-n-Übergangs beginnen aufgrund des Konzentrationsgradienten Löcher von der p-Seite und Elektronen von der n-Seite in die gegenüberliegenden Seiten zu diffundieren. Diese Diffusion von Ladungsträgern führt zu einem Bereich um den Übergang, in dem es keine freien Ladungsträger gibt, der als Verarmungszone bezeichnet wird. Die Ladungsdichte innerhalb der Verarmungszone für die n-Seite und die p-Seite kann durch die Gleichungen beschrieben werden:

Wobei q die Elementarladung ist und N_D und N_A die Donor- bzw. Akzeptor-Dotierungskonzentrationen.

Die festen Ladungen in der Verarmungszone erzeugen ein elektrisches Feld (E), das von der n-Seite zur p-Seite zeigt und einer weiteren Diffusion von Ladungsträgern entgegenwirkt. Dieses elektrische Feld führt zu einer Potentialdifferenz über der Verbindung, die als eingebaute Spannung (V_0) bezeichnet wird und wie folgt berechnet werden kann:

Dabei ist V_T die thermische Spannung und n_i die intrinsische Trägerkonzentration.

In einer p-n-Verbindung gibt es zwei Arten von Strömen: Diffusionsstrom aufgrund von Trägerdiffusion und Driftstrom aufgrund des elektrischen Felds. Im Gleichgewichtszustand ist die Stärke des Diffusionsstroms gleich der Stärke des Driftstroms, was zu keinem Nettostromfluss über die Verbindung führt. Unter Leerlaufbedingungen gibt es keinen externen Strom, und die eingebaute Spannung der Verarmungsschicht gleicht das Kontaktpotential an den Metall-Halbleiter-Verbindungen aus, was zu einer Nettospannung von Null über den Anschlüssen führt.

Die eingebaute Sperrspannung und die Breite der Verarmungszone spielen eine entscheidende Rolle für das Verhalten der Verbindung. Die Breite der Verarmungszone bestimmt die Kapazität der Verbindung und beeinflusst, wie die Verbindung auf externe Spannungen reagiert.