Der pn-Übergang bei Halbleiterdioden - einfach erklärt

Inhalt:
0:08 Verhalten der Diode in einem Schaltkreis
1:30 Atomare Struktur von Si, p- und n-Dotierung
4:50 p-n-Übergang, Entstehen der Kontaktzone
6:20 Begrenzung der Kontaktzone
7:15 Anschluss an Spannungsquelle (Minuspol an p-dotierten Bereich)

8:16 Anschluss an Spannungsquelle (Pluspol an p-dotierten Bereich)

9:45 vereinfachte Vorstellung zum Stromfluss durch die Diode



Was ist ein pn-Übergang?
Welche Vorgänge findet dort statt?
Warum sorgt er für das erstaunliche Verhalten von Dioden (Schlagwort: Sperr- und Durchlassrichtung)?
Hier gibt es einfach gehaltene Antworten auf Schulniveau mit Hilfe einer animierten und kommentierten Präsentation.

Zielgruppe: Schule, Sek. I und Sek. II

P.S. Eine Vertiefung durch einen "Viewer":

Frage von Johannes Weidenauer:
Warum hat die RLZ nur so eine geringe Ausdehnung? Die positive Raumladung im n-Gebiet zieht doch freie Elektronen rechts davon an! Diese müssten also ins positiv geladene Gebiet wandern, wodurch dort die positive Raumladung sinkt, dafür aber rechts davon steigt. Im Gleichgewicht müsste sich also die positive Raumladung auf das komplette n-Gebiet der Diode aufteilen?



Antwort auch von Johannes Weidenauer:
Rechts von der positiven Raumladung existiert KEIN E-Feld! Warum? Denken wir uns eine negative und eine positive Punktladung nebeneinander, in etwa so:
(-) (+) x
Eine negative Testladung x rechts von diesem Dipol wird von der positiven Punktladung angezogen und von der negativen Punktladung abgestoßen. Die positive Ladung ist aber näher, und da die elektrische Feldstärke mit dem Abstand von einer Punktladung quadratisch abnimmt, ist die anziehende Kraft stärker als die Abstoßende.
Denken wir uns jetzt eine negative und eine positive Linienladung nebeneinander, in etwa so:
(-) (+)
(-) (+)
(-) (+) x
(-) (+)
(-) (+)
Eine negative Testladung x rechts von dieser Anordnung wird ebenfalls von der positiven Linienladung angezogen und von der negativen Linienladung abgestoßen. Die elektrische Feldstärke nimmt mit dem Abstand von einer Linienladung nicht mehr quadratisch, sondern nur erster Ordnung ab. (Das lässt sich zeigen, indem man die Wirkung der Linienladung in einem Punkt aufintegriert.) Trotzdem ist noch immer die positive Ladung näher und es überwiegt die Anziehung. Denken wir uns jetzt eine negative und eine positive Flächenladung nebeneinander. Eine negative Testladung x rechts von dieser Anordnung wird wieder von der positiven Flächenladung angezogen und von der negativen Flächenladung abgestoßen. ABER: Die elektrische Feldstärke nimmt mit dem Abstand von einer Flächenladung NICHT ab! (Auch das lässt sich durch aufintegrieren zeigen. Man kann sich das aber auch so vorstellen: Bin ich nahe an einer Flächenladung, spüre ich ihre Wirkung, z.B. Anziehung. Entferne ich mich von der Fläche, nimmt zwar die Wirkung der Flächenladung ab, aber ich sehe mehr Fläche als vorher im gleichen Raumwinkel, es wirkt also mehr Flächenladung pro Raumwinkel auf mich ein. Bei einer Flächenladung kompensiert sich das genau.)
Deshalb ist in jedem Punkt außerhalb der Flächenladungen die elektrische Feldstärke von beiden Flächen gleich groß und hebt sich auf! Jetzt ist eine RLZ zwar keine Flächenladung, sondern wie der Name schon sagt eine Raumladung, aber auch hier gilt das Gleiche: Unterteilt man die Raumladung in viele dünne Scheiben mit einer aliquoten Flächenladung, gibt es zu jeder positiven Flächenladung eine gleich große negative. Der Raum links und rechts der RLZ ist also feldfrei, und keine Ladungsträger wandern nach.