Raumladungszone

Raumladungszone

Eine Raumladungszone (RLZ), auch Verarmungszone oder Sperrschicht genannt, ist im Übergang zwischen unterschiedlich dotierten Halbleitern ein Bereich, in dem sich Raumladungen mit Überschuss und Mangel an Ladungsträgern gegenüberstehen, so dass diese Zone im Gleichgewichtsfall nach außen ladungsneutral erscheint. Je nach Polarität einer von außen angelegten elektrischen Spannung, ergeben sich unterschiedliche elektrische Feldkonfigurationen und dadurch im Bereich der Verarmungszone eine gute oder aber nur sehr schwache elektrische Leitfähigkeit. Dieser physikalische Effekt stellt die Grundlage für die gleichrichtende Funktion des Halbleiterbauelements Diode dar. Neben Dioden spielen Raumladungszonen auch in anderen elektronischen Bauelementen, wie Bipolartransistoren oder Sperrschicht-Feldeffekttransistoren eine grundlegende Rolle.

Entstehung

Oben der p-n-Übergang vor dem Diffusionsprozess, darunter nach dem Diffusionsausgleich im Gleichgewicht und aufgebauten elektrischen Feld im Bereich der RLZ
Banddiagramm eines p-n-Übergangs

Wenn zwei unterschiedlich dotierte Halbleitermaterialien, ein n- und ein p-dotierter Halbleiter, räumlich eng zusammengebracht werden, entsteht ein sogenannter p-n-Übergang. In dem n-Bereich liegt ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen vor, im p-Bereich ein Überschuss an positiv geladenen Defektelektronen, auch als Löcher bezeichnete positiv geladene Störstellen im Halbleiterkristall. Durch den Konzentrationsgradient von Ladungsträgern im Übergangsbereich zwischen n- und p-Bereich kommt es zu einer Diffusion von Ladungsträgern: Elektronen aus dem n-Bereich wandern in den p-dotierten Halbleiter, Defektelektronen diffundieren in den n-dotierten Halbleiter. Die Ladungsträger rekombinieren dort mit dem jeweils anderen Ladungsträgertyp.

In Summe bildet sich damit im Übergangsbereich im p-Halbleiter ein Überschuss negativer Raumladung, im n-Halbleiter ein Überschuss an positiver Raumladung; die so gebildete Raumladungszone verarmt in Folge der Rekombination freier (beweglicher) Ladungsträger. Das dadurch gebildete elektrische Feld in der Raumladungszone wirkt einer weiteren Diffusion von Ladungsträgern aus den beiden Zonen entgegen, da das Feld einen entgegengesetzten Driftstrom erzeugt. Es bildet sich ein Gleichgewichtsfall, in dem sich Diffusionsstrom und Driftstrom von Ladungsträgern das Gleichgewicht halten, wie in nebenstehender Abbildung an der räumlichen Verteilung und im Feldverlauf dargestellt. Da Diffusionsprozesse stark temperaturabhängig sind, verändert sich die Größe der Raumladungszone in Folge von Temperaturänderungen. Von außen betrachtet ist die RLZ im Gleichgewicht feldfrei. Es gibt keinen Potentialgradienten, der Ladungsträger über sie hinweg transportiert.

Verhalten beim Anlegen einer externen Spannung

Wird an den beiden Halbleiterschichten von außen eine elektrische Spannung angelegt, bewirkt diese Spannung ein zusätzliches elektrisches Feld im Halbleiter. Beide Felder, das durch die externe Spannung verursachte und das Feld der Raumladungszone im Gleichgewichtsfall, überlagern sich. Je nach Polarität der externen Spannung lassen sich zwei wesentliche Fälle unterscheiden, welche für die grundlegenden Funktionen von elektronischen Bauelementen wie Dioden bestimmend sind:

  1. Im Sperrfall, es wird der p-Halbleiter mit einer negativen Spannung gegenüber dem n-Halbleiter beaufschlagt, verstärkt sich die elektrische Feldstärke im Bereich der Raumladungszone und führt zu einem erhöhten Driftstrom. Die Raumladungszone nimmt in der Größe zu, bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt. Da die Dichte an freien Ladungsträgern in der Raumladungszone gering bleibt, ist die elektrische Leitfähigkeit gering und auf einen kleinen Sperrstrom beschränkt. Wird die externe Spannung weiter gesteigert, kommt es, je nach Aufbau des Halbleiters, zu verschiedenen Durchbrüchen wie dem Zener-Effekt und bei größeren Feldstärken zum Lawinendurchbruch. Diese Durchbruchseffekte können unkontrolliert zur Zerstörung des Halbleitermaterials führen oder auch gezielt angewendet werden, wie es bei den Zener-Dioden der Fall ist.
  2. Im Durchlassfall, es wird der p-Halbleiter mit einer positiven Spannung gegenüber dem n-Halbleiter beaufschlagt, verringert sich die Raumladungszone, da das durch die externe Spannung ausgelöste elektrische Feld dem elektrischen Feld der Raumladungszone entgegenwirkt. Der durch die RLZ verursachte Driftstrom nimmt ab und der Diffusionsstrom dominiert. Die Dichte an freien Ladungsträgern in der Übergangszone nimmt mit der externen Spannung stark zu, der p-n-Übergang ist elektrisch gut leitfähig. Die mathematische Beschreibung erfolgt in diesem Fall durch die Shockley-Gleichung.

Metall-Halbleiter-Kontakt

Raumladungszonen bilden sich neben n- und p-dotierten Halbleitern auch an Metall-Halbleiter-Kontakten aus und können zu gleichrichtendem Verhalten dieser Kontakte führen, dem sogenannten Schottky-Kontakt, welcher in Schottky-Dioden Anwendung findet. Durch die hohe Anzahl von freien Elektronen im Metall beschränkt sich die Raumladungszone allerdings fast nur auf das entsprechende Halbleitergebiet.

Literatur

  • Robert F. Pierret: Semiconductor Device Fundamentals. 2. Auflage. Addison Wesley, 1996, ISBN 978-0-201-54393-3.
  • Holger Göbel: Einführung in die Halbleiter-Schaltungstechnik. 2., bearb. und erw. Auflage. Springer, Berlin/Heidelberg 2006.

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