Halbleiter – Energiebänder, Dotierung und pn-Übergang
PhysikElektrizität und StromkreiseAlter 17–18
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Vergleichen Sie die Energiebänderschemata eines Leiters (Kupfer), eines Halbleiters (Silicium, Bandlücke 1,12 eV) und eines Isolators (Diamant, 5,5 eV) und ändern Sie die Temperatur: Anzahl der Leitungselektronen und Leitfähigkeit von Silicium steigen steil an, die von Kupfer sinken. Der Bildschirm Dotierung fügt einem Siliciumgitter Phosphor (Donator, n-Typ) oder Bor (Akzeptor, p-Typ) hinzu: Ändern Sie Dotierung und Temperatur und lesen Sie die Elektronendichte n, die Löcherdichte p, das Produkt n·p = nᵢ², das Fermi-Niveau und die Leitfähigkeit ab. Der Bildschirm pn-Übergang zeigt, wie Diffusion die Sperrschicht und eine Potentialbarriere von etwa 0,7 V bildet, die in Durchlassrichtung schmaler und in Sperrrichtung breiter wird, verknüpft mit der I-U-Kennlinie der Diode.
Lektion: Bändermodell der Festkörper: Leiter, Halbleiter und Isolatoren; n- und p-Halbleiter und der pn-Übergang
Was sie zeigt
In einem Festkörper können Elektronen nur Energien in erlaubten Bändern haben. In einem Metall überlappen die Bänder, deshalb gibt es immer viele freie Elektronen. In Silicium trennt eine Bandlücke von 1,12 eV das volle Valenzband vom leeren Leitungsband; Wärme hebt einige Elektronen darüber und hinterlässt Löcher, daher steigt die Leitfähigkeit mit der Temperatur steil an. Phosphor liefert Elektronen (n-Typ), Bor hinterlässt Löcher (p-Typ), und n·p bleibt gleich nᵢ². Verbindet man p und n, entsteht eine Sperrschicht mit einer Barriere von etwa 0,7 V. Das Modell nimmt alle Dotieratome als ionisiert an.
So funktioniert es
Verschieben Sie unter Energiebänder die Temperatur T und vergleichen Sie Kupfer, Silicium und Diamant sowie das Leitfähigkeitsdiagramm. Wählen Sie unter Dotierung den Dotierstoff und die Dotierung und beobachten Sie Gitter, Bänderschema und das n-p-Diagramm; Messwert speichern fügt eine Zeile hinzu. Drücken Sie unter pn-Übergang auf p und n verbinden und verschieben Sie dann Spannung U zwischen Sperr- und Durchlassrichtung; lesen Sie Sperrschichtbreite, Barriere und Strom ab.
Einstellbare Parameter
- Bildschirm Energiebänder, Dotierung von Silicium, pn-Übergang
- Temperatur T 200–600 K
- Dotierstoff Keiner (rein), Phosphor (n-Typ), Bor (p-Typ)
- Dotierung (log₁₀ der Atome pro cm³) 13–18
- Spannung U (positiv: Durchlassrichtung) -5–0,7 V
Fragen zum Erkunden
- Warum sinkt der spezifische Widerstand von Silicium beim Erwärmen stark, während der von Kupfer steigt?
- Warum verringert mehr Phosphor im Silicium die Zahl der Löcher?
- Warum verbreitert Sperrrichtung die Sperrschicht und lässt fast keinen Strom fließen?
