Warum sperrt eine Diode, wenn man eine negative Spannung anlegt? Legt man den Minuspol einer Spannungsquelle auf die p-Seite und den Pluspol an die n-Seite, so fließt (so gut wie) kein Strom. Könnte man über den Minuspol Elektronen auf der p-Seite einspeisen, würden jedoch diese am pn-Übergang vom elektrischen Feld auf die n-Seite gezogen und damit würde ein Strom fließen (siehe Bandschema des pn-Übergangs). Genau dies passiert auch, und zwar in einem npn-Transistor am Basis-Kollektor-Übergang, der im durchgeschalteten Zustand in Sperr-Richtung gepolt ist (siehe Bandschema eines durchgeschalteten npn-Transistors). Wieso sperrt also die Diode? Im Netz liest man manchmal, es läge daran, dass die Verarmungszone breiter wird, welche selbst kaum Ladungsträger hat. Jedoch bin ich der Meinung, dass dieses Argument nicht zählt, weil die Ladungsträger ja "mitgebracht" werden, also eingespeist werden. Bei einer Solarzelle (die ebenso sperrt) rekombinieren die Elektronen auch nicht signifikant auf dem Weg zum pn-Übergang, also zählt auch das Argument der Rekombination nicht. Meine Vermutung ist, dass der Sperreffekt eigentlich am Metallkontakt zur p-Seite zustande kommt, weil sich z. B. beim Kontakt zu Aluminium oder Silber die Bänder nach unten biegen und die Elektronen "bergauf" laufen müssten um vom Metall ins Leitungsband zu gelangen. Kann das jemand genauer erklären? (Am liebsten mit einem Bandschema.)
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Ich habe die Funktionsweise von Dioden und Bipolaren Transistoren zwar auch nicht verstanden, aber ich kann Dir mit versichern, dass sich da nichts verbiegt. Und die metallischen Kontakte haben mit der Funktion nichts zu tun, die dienen lediglich als Anschluss. Ansonsten müssten bipolare Mikrochips (wie die 74LSxx Serie) voller Metall sein. Sind sie aber nicht.
Stefan U. schrieb: > Und die metallischen Kontakte haben mit der Funktion nichts zu tun Man sollte aber wissen, dass man der Halbleiter-Metall-Übergang dann wichtig wird, wenn man sich fragt, warum man die Bandlücke an einer Diode eigentlich nicht mit einem Multimeter messen kann. Das aber nur am Rande. Halbleiter Grundlagen sind irgendwie doof, aber es gibt ein paar gute Seiten, die bei (fast) 0 anfangen. Stichwort "pn junction" bringt einen da weiter als "diode"
Das ist eben ein physikalisches Modell. Wie es wirklich funktioniert, weiß keiner. Es besteht aber eine Wahrscheinlichkeit zwischen 0 und 1, daß es genau so funktioniert. Ist aber egal, solange das Modell das Verhalten ausreichend beschreibt und vorhersagen läßt. Tatsächlich sind deine Zweifel also gleichzeitig begründet und unbegründet, der Diode ist das ganz egal. Und ihrem Benutzer auch, solange sie sich an das Modell hält.
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Wenn man einen Metallkontakt (z. B. Al oder Ag) auf p-dotiertes Silizium (z. B. mit 1 Ohm*cm spezifischem Widerstand) aufbringt, entsteht meines Wissens normalerweise ein Schottky-Kontakt, an dem sich die Bänder verbiegen. Dies ist das Prinzip der Schottky-Diode.
> Wenn man einen Metallkontakt ... aufbringt, entsteht ... > ein Schottky-Kontakt, an dem sich die Bänder > verbiegen. Dies ist das Prinzip der Schottky-Diode. Die Frage bezog sich aber auf herkömmliche Silizium Dioden, nicht auf Schottky.
Stefan U. schrieb: > Die Frage bezog sich aber auf herkömmliche Silizium Dioden, nicht auf > Schottky. Die Frage bezog sich gegen Ende auch auf den Übergang von Si auf Anschlussdrähte
Im P-dotieren Teil der Diode sind die Ladungsträger Löcher im N-Dotierten Teil Elektronen. Wenn du jetzt eine neg. Spannung an P und eine pos. Kombinieren sich die Löcher mit den Elektronen vom neg. Pol und die Elektronen fließen ab richtung pos. Potential. Übrig bleibt ein Si-Kristall in dem es weder Löcher noch freie Elektronen gibt. Das nennt man im allgemeinen einen Isolator. Den gleichen Effekt kann man bei Metall-Si-Verbindungen haben, allerdings muss dafür das Halbleitermaterial hoch dotiert sein. Das wäre dann eine Schottky Diode.
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@Fabian: Ich habe dich leider nicht ganz verstanden. Meinst Du, dass die eingespeisten Elektronen nicht bis zum pn-Übergang kommen, sondern auf dem Weg durch die Basis rekombinieren? Bei einer Solarzelle passiert das aber nicht, denn deren p-dotierte Basis hat sehr hohe Diffusionslängen für die Elektronen. Wenn dort freie Elektronen per Lichtabsorption generiert werden, gelangen diese fast vollständig zum pn-Übergang. Ich kann es ja noch mal etwas komplizierter machen :) Im angehängten Bild sieht man die Minoritätsladungsträgerdichten eines durchgeschalteten npn-Transistors. Die Praktiker hier können sich z. B. einen BC237 vorstellen. Der linke Übergang ist durchgeschaltet (Basis-Emitter ist positiv gepolt). Der rechte Übergang (Kollektor-Basis) ist gesperrt. Wenn man die IU-Kennlinie einer Diode theoretisch ausrechnet, nimmt man gewöhnlich den Gradienten (die Ableitung) dieser Ladungsträgerdichten und berechnet daraus den Diffusionsstrom. Wenn der Übergang (so wie im Bild rechts) gesperrt ist, wird argumentiert, dass die Diffusionsströme aufgrund der Gradienten vom pn-Übergang wegzeigen, also fließt kein Strom. Des weiteren wird in diesen Betrachtungen angenommen, dass ausserhalb der Verarmungszone kein elektrisches Feld existiert. Damit würde auch kein Strom fließen. Ich frage mich jedoch, ob die Annahme dass kein elektrisches Feld existiert, hinreichend korrekt ist, denn dann wäre auch in Durchgangsrichtung der Strom schwer zu erklären. Ausserdem frage ich mich, warum der npn-Transistor einen Strom fließen lässt, obwohl die Diffusionsgradienten vom Basis-Kollektor-Übergang wegzeigen.
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Mikrofun R. schrieb: > hat. Jedoch bin ich der Meinung, dass dieses Argument nicht zählt, weil > die Ladungsträger ja "mitgebracht" werden, also eingespeist werden. Du bist also der Meinung der Draht vorder Batterie wird dünner und danach dicker weil ja Ladungsträger transportiert werden?
Mikrofun R. schrieb: > Wieso sperrt also die Diode? Im Netz liest man manchmal, > es läge daran, dass die Verarmungszone breiter wird, > welche selbst kaum Ladungsträger hat. Jedoch bin ich der > Meinung, dass dieses Argument nicht zählt, weil die > Ladungsträger ja "mitgebracht" werden, also eingespeist > werden. Ach so. Und wieso isolieren Isolatoren? Die Ladungsträger werden ja von den angrenzenden Leitern mitgebracht. Im übrigen ist es fatal, beim Halbleiter von "Ladungsträgern" zu sprechen. Erstens sind für den Stromtransport ohnehin nur FREI BEWEGLICHE Ladungsträger interessant; die ganzen ortsfesten Ladungsträger in der Raumladungszone und anderswo spielen keine Geige. Zweitens haben wir ZWEI Sorten frei beweglicher Ladungsträger. Wenn das Feld so herum gepolt ist, dass die jeweilige Sorte gerade aus der Sperrschicht herausgezogen wird, fließt halt kein Strom, weil die RLZ als Isolator wirkt. > Bei einer Solarzelle (die ebenso sperrt) rekombinieren > die Elektronen auch nicht signifikant auf dem Weg zum > pn-Übergang, also zählt auch das Argument der Rekombination > nicht. Die viel interessantere Frage ist eigentlich, wieso der Strom FLIESST, wenn man die Spannung entsprechend polt. Darüber habe ich bis jetzt nie nachgedacht, aber es liegt ganz offensichtlich an der Rekombination.
> Und wieso isolieren Isolatoren? Die Ladungsträger werden > ja von den angrenzenden Leitern mitgebracht. Ich glaube, die Elektronen kommen nicht "hoch" ins Leitungsband. Bei einem Metall ist die Austrittsarbeit (Vakuum-Energie - Fermi-Level) viel höher als die Elektronenaffinität (Vakuum-Energie - Leitungsbandkante) des Isolators (z. B. SiO2). Und dann fragt sich, ob sie dort bleiben würden, wenn sie dort hin kämen. > Erstens sind für den Stromtransport ohnehin nur FREI > BEWEGLICHE Ladungsträger interessant; die ganzen ortsfesten > Ladungsträger in der Raumladungszone und anderswo spielen > keine Geige. Da stimme ich Dir voll zu. Das wird oft durcheinandergebracht. Sollte ich das hier ebenfalls nicht deutlich genug geschrieben haben, bitte ich um Entschuldigung. > ... fließt halt kein Strom, weil die RLZ als Isolator wirkt. Das verstehe ich noch nicht. Leider :( > Die viel interessantere Frage ist eigentlich, wieso der > Strom FLIESST, wenn man die Spannung entsprechend polt. Soweit ich das verstehe, fließt der Strom als Löcher-Strom durch das p-Gebiet zum Übergang. Danach nimmt die Dichte an Löchern im n-Gebiet ab, wobei der Strom dort von den Löchern an die Elektronen übergeben wird. Danach geht es als Elektronen-Strom im n-Gebiet weiter. Bei der Übergabe rekombinieren Löcher mit Elektronen.
Hallo Mikrofun, Habe mal eine Zeichnung gemacht (eigentlich mehr für mich, ob ich's noch zusammen bekomme / hat glaube ich funktioniert), siehe Anhang. Folgende Erklärungen dazu: - Vor Kontakt sind die Bandkanten auf gleichem Niveau, danach das Fermi-Niveau (Strich-Punkt-Linie) - Elektronen relaxieren in das niedrigste Niveau (also an die Leitband-Unterkante) und sammeln sich folglich im n-Gebiet nahe des Kontaktes - bei "Löchern" (= Fehl-Elektronen) ist es umgekehrt. - das gibt die Verarmungszone am Kontakt - Legst Du eine Spannung an, fällt die vor allem über dem größten Widerstand ab, also der Verarmungszone. - Hast Du Minus am n-Gebiet werden die durch den Kontakt verbogenen Bänder solange gerade gebogen, bis ein Strom einsetzen kann (bei Si-Dioden die berühmten 0,7V). Gerade der Zustand ist rechts oben gezeichnet. Danach hängt der Strom von der Spannung an => Diodenkennlinie in Durchlassrichtung. - Hast Du Plus am n-Gebiet werden die Bänder immer weiter verbogen, aber wg. des hohen Widerstandes eben vor allem in der Verarmungszone. D.h. es fließt kein Strom. Irgendwann sind die Bänder in der Verarmungszone so schräg, dass ein direktes Tunneln von Elektronen aus dem Leitband des n-Gebietes in das Valenzband des p-Gebietes einsetzt. Das passiert plötzlich und wenn nix anderes den Strom begrenzt ist die Diode danach kaputt => Diodenkennlinie in Sperrrichtung Mikrofun R. schrieb: > Wieso sperrt also die Diode? Im Netz liest man manchmal, es läge daran, > dass die Verarmungszone breiter wird, welche selbst kaum Ladungsträger > hat. Jedoch bin ich der Meinung, dass dieses Argument nicht zählt, weil > die Ladungsträger ja "mitgebracht" werden, also eingespeist werden. Wenn die Diode sperrt kannst du nix einspeisen. > Bei > einer Solarzelle (die ebenso sperrt) rekombinieren die Elektronen auch > nicht signifikant auf dem Weg zum pn-Übergang, also zählt auch das > Argument der Rekombination nicht. Da speist Du ja auch keine Ladungsträger ein, sondern diese werden durch Photonen-Absorption erzeugt und innerhalb des pn-Übergangs getrennt => Photostrom => Solarzelle > Meine Vermutung ist, dass der Sperreffekt eigentlich am Metallkontakt > zur p-Seite zustande kommt, weil sich z. B. beim Kontakt zu Aluminium > oder Silber die Bänder nach unten biegen und die Elektronen "bergauf" > laufen müssten um vom Metall ins Leitungsband zu gelangen. Nein, nix Schottky-Kontakt an den Kontaktierungen. Da hat die Halbleiter-Industrie viel Arbeit reingesteckt, um ohmsche Kontakte hinzubekommen. Sonst würde man ja bei jeder Kontaktierung eine ungewollte Diode bekommen. Gruß, PatHoff
Bei Polung in Sperrrichtung fließen die Elektronen / Löcher jeweils weg von der Raumladungszone. Der kleine Sperrstrom kommt dadurch zustande, das bei noch weniger beweglichen Ladungsträgern als im Gleichgewicht dort zusätzliche Ladungsträger erzeugt werden. Die rate ist aber eher klein, weil schon in Gleichgewicht nur sehr wenige Ladungsträger da sind. In Flussrichtung wird die RLZ von beiden Seiten mit zusätzlichen Elektronen und Löchern versorgt. Dabei können dann auch die Elektronen noch weiter in den P-Bereich diffundieren. Wie viel Strom fließen kann wird u.A. dadurch bestimmt wie schnell die Ladungsträger in der RLZ und den angrenzenden Bereichen rekombinieren. Die etwas üblichere Erklärung vernachlässigt die Rekombination in der RLZ und betrachtet nur die Diffusion der Ladungsträger in das gegenüber liegende Gebiet. Die Diffusion wird getrieben vom Gradienten in der Konzentration, der durch die Rekombination erzeugt wird. Die beiden Sichtweisen widersprechen sich also nicht, sondern sind nur leicht andere Schwerpunkte, ein anderer Punkt an dem gezählt wird. Die Dichte der Ladungsträger in der RLZ und dem umgebenden Bereich kann man halt viel besser Vergrößeren als verkleinern. Weniger geht halt nur so viel wie da war - vergrößern kann man die Ladungsträgerdichte dagegen um viele Größenordungen. Die Dichte der Ladungsträger vergrößert sich dabei mit der Spannung exponentiell mit den bekannten exp(e*U/(kT)).
Das Problem ist das du in bewegenden Elektronen denkst. Du injezierst keine Elektronen, du legst ein el.Feld an. Zum Zeitpunkt 0 habe ich im N-Bereich einen Überschuss an Elektronen, im P-Bereich einen Mangel. Sobald der N und N übergang zusammen kommen diffundieren die Elektronen zu den Löchern und füllen diese. Übrig bleiben dann Positiv geladene Ionen im N-Hl und Negativ geladenen Ionen im P-Hl. Zwischen diesen beiden liegt dann ein el. Feld an. Im Fall von SI sind das 0,7V. Es kann kann kein weiterer Strom mehr fließen, weil die Neg. ionen im P-Hl die Elektronen aus dem N-Hl abstoßen. Die Raumladungzone enthält keine freien Ladeungsträger mehr und sperrt. Wenn ich nun ein El Feld in entgegengesetzer Richtung anlege Bewegen sich die El. Zurück in den N-HL. Wenn das El Feld genauso groß ist wie die Flussspannung sind alle El.-Löcher-paare wieder getrennt und es stehen auf beiden Seiten des PN-Übergangs Ladungsträger zur verfügung. Wenn nun das El. Feld weiter steigt fließen die fließen die freien Ladungträger durch den Kristall ->Stromfluss. Wenn ich umgekehrt ein El. Feld in der gleichen Richtung wie die Diffusionsspannung anlege, fließen noch mehr Elektronen in den P-Teil und die Zone ohne freie Ladungsträger wird noch größer. Kurzzeitig fließt da Strom, aber nur so lange bis alle Löcher mit Elektronen gefüllt sind (Sperrschichtkapazität). Kann es sein, dass du technische Stromrichtung und physikalische Stromrichtung durcheinander würfelst? Im Falle des NPN-Transistors injezierst du hingegen an der Basis durchaus Ladungsträger und baust die Sperrschicht an einer der beiden NP-Dioden ab. Die andere Diode ist eh in Flussrichtung und es fließt ein Strom abhänig davon wie viele Ladungsträger über die Basis kommen.
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Patrick H. schrieb: > Wenn die Diode sperrt kannst du nix einspeisen. Dieser Satz hat mir zu denken gegeben. Ich versuche diesen Gedanken mal etwas auszuformulieren, um es selbst besser zu verstehen, wobei ich mal hypothetisch annehme, dass der Metallkontakt wirklich ohmsch ist: Schaltungstechnisch ist das logisch (Reihenschaltung kleiner Widerstand - großer Widerstand - kleiner Widerstand). Ein anfangs vorhandenes el. Feld im p-Gebiet würde abgebaut durch Verschiebung der Löcher vom pn-Übergang weg. Diese rekombinieren am ohmschen Kontakt mit freien Elektronen des Metalls. Am pn-Übergang vergrößert sich die Raumladungszone weil dort Löcher weggeflossen sind. Dies geht so lange, bis die gesamte externe Spannung fast nur noch dort abfällt. Dann würde also so gut wie kein Spannungsabfall am ohmschen Kontakt übrig bleiben und eben keine Elektronen mehr eingespeist werden können. Jetzt noch zu der Frage, warum dann im npn-Transistor ein großer Strom in Sperr-Richtung fließen kann: Hier sorgt die fest eingestellte Spannung zwischen B und E für die Einspeisung von Elektronen. Im Gegenteil zur Diode mit ohmschen Kontakten bleibt der Spannungsabfall am "Eingang" des p-Gebietes also fixiert und deshalb kann die Einspeisung nicht unterbunden werden. >> Bei >> einer Solarzelle (die ebenso sperrt) rekombinieren die Elektronen auch >> nicht signifikant auf dem Weg zum pn-Übergang, also zählt auch das >> Argument der Rekombination nicht. > Da speist Du ja auch keine Ladungsträger ein, sondern diese werden durch > Photonen-Absorption erzeugt und innerhalb des pn-Übergangs getrennt => > Photostrom => Solarzelle Nur kurz dazu: Ich meinte eine unbeleuchtete Solarzelle in Sperr-Richtung. :) Nochmals danke für die rege Beteiligung an dieser Diskussion! Falls es noch weitere Kommentare gibt, bin ich neugierig. Ich glaube, ich habe es ein kleines bischen besser verstanden.
Sei froh, wenn du hier eine Erklärung zur Diode kriegst. Der Transistor ist ein weiteres Gebiet. MOS ist ein weiteres Gebiet. Solar ist ein weiteres Gebiet. Warum vermischst du das? Allein den PN-Übergang habe ich damals über mehrere Wochen gelehrt bekommen. Man kann das hier nicht mit wenigen Worten erklären. Und 99.9% der Leute hier werden das auch nicht begreifen. Ich habe es eigentlich auch vergessen :-( . Müßte nachschlagen, bin aber zu faul dazu.
Und noch zur Erweiterung des Universums: Transistoren sind keine Dioden. Wer zwei Dioden miteinander verschaltet, um NPN oder PNP zu erhalten wird keinen Erfolg haben. Es ist schon wichtig, die dotierten Bereiche zusammenzubringen. Lurchi schrieb: > Bei Polung in Sperrrichtung fließen die Elektronen / Löcher jeweils weg > von der Raumladungszone. So wird ein Schuh draus. Und man sollte sich auch keine Erbsen vorstellen, die man in Knetmasse drückt. So funktioniert Teilchenphysik (leider) nicht.
michael_ schrieb: > Sei froh, wenn du hier eine Erklärung zur Diode kriegst. > > Der Transistor ist ein weiteres Gebiet. > MOS ist ein weiteres Gebiet. > Solar ist ein weiteres Gebiet. > > Warum vermischst du das? > > Allein den PN-Übergang habe ich damals über mehrere Wochen gelehrt > bekommen. > Man kann das hier nicht mit wenigen Worten erklären. > Und 99.9% der Leute hier werden das auch nicht begreifen. > Ich habe es eigentlich auch vergessen :-( . > Müßte nachschlagen, bin aber zu faul dazu. Genau so, wie in dem Beitrag angemerkt, sehe ich die Angelegenheit auch. Ich habe das auch gelehrt bekommen und bin zwischenzeitlich froh, darüber nichts mehr hören zu müssen. Es reicht die mathematische Beschreibung, sollten mal Fragen auf dem Gebiet aufkommen. Eine sehr ausführliche Darlegung derartiger Vorgänge, findet man im Buch: Dioden und Transistoren vom Vieweg-Verlag, darüber hinaus ausführlich die Mathematik dazu. Wenn sich TO das Buch anschafft, ist er gut damit bedient. Ich habe es auch. Es ist auch sehr nützlich für den Einstieg in die Vierpoltheorie. Bei solchem tiefgreifenden Interesse sollten die paar Euro wohl nicht die Rolle spielen!! Schade um die Zeit für die Internetrecherche bisher.
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