Der Grundstoff unserer modernen Welt sind Halbleiternaterialien. Grund genug, sich damit ein wenig eingehender zu beschäftigen. Halbleiter haben eine Kristallgitterstruktur, das heißt, ihre Atome sind periodisch angeordnet.
Allen Halbleitermaterialien haben zwei Eigenschaften gemeinsam:
Es existiert eine Energiebandlücke, die eine Folge der periodischen Struktur ist. Das bedeutet, dass Elektronen im Kristall bestimmte Energien nicht einnehmen können. Die höchste Energie, die an Atome gebundene Elektronen haben, nennen wir Valenzbandenergie. Da die Elektronen aber alle an Gitteratome gebunden sind, können sie nicht zum Stromfluss beitragen. Es gibt noch weitere Energiezustände, die die Elektronen erreichen können -- sie liegen im Leitungsband, das um den Betrag der Bandlücke oberhalb der Valenzbandkante liegt. Elektronen im Leitungsband können zum Stromfluss beitragen, wenn wir eine Spannung an die Halbleiterprobe anlegen. Sie brauchen dazu eine Energie, die größer ist als die Energiebandlücke. Diese Energie können sie in Form von thermischer Energie aufnehmen, weshalb hochreine Halbleiter bei niedrigen Temperaturen sehr gute Isolatoren sind.
Die Bandlückenenergie wird durch die chemische Zusammensetzung des Halbleiters bestimmt. Verglichen mit Si hat Ge eine deutlich kleinere, GaAs und InP eine etwas größere und GaN eine viel größere Bandlückenenergie.
Silizium (Si) und Germanium (Ge) sind Elementhalbleiter (wie übrigens auch Diamant, der kristalliner Kohlenstoff ist. Es gibt aber auch chemische Verbindungen, die Halbleiter sind (Verbindungshalbleiter), wie Gallium-Arsenid (GaAs),Indium-Phosphid (InP) oder auch Gallium-Nitrid (GaN).
Materialien mit Energiebandlücke werden nur dann als Halbleiter bezeichnet, wenn sie zusätzlich dotierbar sind. Ihre Leitfähikeit kann durch gezielte Verunreinigung des hochreinen Hableitermaterials in weiten Grenzen verändert werden. So hat Arsen (As), verglichen mit den Elementhalbleitern, ein Elektron mehr in der äußeren Elektronenschale. Dieses Elektron kann sehr einfach und mit wenig Energie zu einem freien Elekron im Leitungsband werden. So eine Dotierung nennen wir n-Dotierung.
Was aber passiert, wenn wir den Halbleiter mit einem Material verunreinigen, das in der äußeren Elektronenschale ein Elekron zu wenig hat? Eine solche Elektronenfehlstelle nennen wir ein Loch. Da das Atom vorher neutral war, hat die Elektronenfehlstelle eine positive Ladung. Die Löcher können sich ebenfalls im Kristall bewegen und zu einem Stromfluss beitragen. So eine Dotierung nennen wir p-Dotierung.
Zusammenfassend können wir feststellen:
Kombiniert man in einem Kristall, aber räumlich getrennt, p-dotierte und n-dotierte Zonnen, so findet in der Kontaktebene ein Ladungsträger-Austausch statt: Elektronen bewegen sich aus dem n-dotierten Gebiet in Richtung p-dotiertes Gebiet, Löcher bewegen sind aus dem p-dotierten Gebiet in Richtung n-dotiertes Gebiet. Diese Ladungsträgerbewegung, die durch die Dichteunterschiede von Elektronen und Löchern hervorgerufen wird, nennen wir Diffusionsstrom.
Diese Ladungstrennung erzeugt andererseits ein elektrisches Feld mit entgegengesetzter Wirkung, das zu einem Feldstrom führt. Im Gleichgewicht (ohne von außen angelegte Spannung) halten sich die Wirkungen von Diffusion und elektrischem Feld gerade die Waage. Zwischen den p- und n-Zonen entsteht ein Gebiet ohne freie Ladungsträger, die man als Verarmungszone oder Sperrschicht bezeichnet. Eine solche Struktur stellt eine pn-Diode dar.
Jetzt legen wir von außen eine Spannung an, die an dem p-Gebiet (Anode) positiver ist als am n-Gebiet (Kathode). Die positive Elektrode zieht über die Verarmungszone hinweg Elektronen an und die negative Elektrode Löcher. Die Verarmungszone wird abgebaut, es kommt zu einem Stromfluss. Dies stellt den Betrieb in Durchlassrichtung dar.
Drehen wir die Spannung nun um, weitet sich die Verarmungszone aus, der Stromfluss kommt zum Erliegen. Dies ist der Sperrbetrieb der Diode.
