10.9 : Vorspannung von Metall-Halbleiter-Übergängen

Bei der Vorspannung von Metall-Halbleiter-Übergängen wird eine Spannung über den Übergang angelegt. Genauer gesagt wird das Metall an eine Spannungsquelle angeschlossen, während der Halbleiter geerdet ist. Diese Technik ist wichtig, um die Richtung und Stärke des Stromflusses in elektronischen Geräten wie Dioden, Transistoren und Photovoltaikzellen zu steuern.

Bei Schottky-Übergängen, bei denen der Halbleiter vom Typ n ist, verringert das Anlegen einer positiven Spannung an das Metall im Verhältnis zum Halbleiter dessen Fermi-Niveau. Dadurch wird die Energiebarriere gesenkt, die die Elektronen im Halbleiter überwinden müssen, um in das Metall zu gelangen. Dies ermöglicht einen erheblichen Elektronenfluss vom Halbleiter zum Metall, was zu einem schnell ansteigenden Strom führt, wenn der Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Wenn eine negative Spannung angelegt wird, kehrt sich die Situation um. Das Fermi-Niveau des Metalls steigt an und erhöht die Barriere gegen den Elektronenfluss vom Halbleiter zum Metall. Einige Elektronen können die Barriere trotzdem überwinden und einen geringen Sperrstrom erzeugen.

Ohmsche Übergänge verhalten sich anders. Da keine nennenswerte Barriere vorhanden ist, kann selbst eine geringe positive Spannung einen großen Vorwärtsstrom induzieren, der einen leichten Elektronenfluss vom Halbleiter zum Metall ermöglicht. Bei Sperrspannung gibt es eine minimale Barriere für den Elektronenfluss vom Metall zum Halbleiter, aber diese Barriere verschwindet praktisch, wenn die Sperrspannung einige Zehntel Volt überschreitet.

Die Wechselwirkungsdynamik ändert sich bei p-Typ-Halbleitern. Das für n-Typ-Halbleiter beschriebene Verhalten in Schottky- und Ohmschen Übergängen ist umgekehrt. Diese Fähigkeit, den Stromfluss durch Vorspannung zu manipulieren, ist für den Betrieb vieler elektronischer Komponenten von entscheidender Bedeutung und bildet die Grundlage für die Funktionalität einer breiten Palette von Geräten.