Die Halbleiterdiode.

(1) Erscheinungsform und Schaltzeichen.

So wie ein Luftventil z.B. bei einem Fahrrad die Luft zwar in den Reifen hinein- aber nicht mehr herausläßt, ist die Diode ebenfalls ein "Ventil", eine "Einbahnstraße" - allerdings für den elektrischen Stromfluß.

Daher ist bei einer Diode immer eine Seite besonders bezeichnet (meist mit einem Ring). Im Schaltzeichen entspricht dies dem "Balken", die andere Seite dem "Pfeil".

(2) Schaltzeichen und Grundfunktion der Halbleiterdiode.

Bei der Überlegung, ob eine Halbleiterdiode leitet oder nicht, geht man von der etwas ungewöhnlichen technischen Stromrichtung aus.

Sie ist also gerade umgekehrt orientiert wie die Bewegungsrichtung der Elektronen.

Durchlassrichtung ("Einbahnstraße").

Ist der "Pfeil" an den Pluspol der Quelle angeschlossen, so leitet die Diode.
Der Pfeil im Diodensymbol und der "Einbahnstraßen-Pfeil" deuten hier in dieselbe Richtung - in die Richtung der technischen Stromstärke.

Da Du diese Seite im WWW gefunden hast, kannst Du Dir auch die 'PPP-Regel' leicht merken:

Sperrrichtung ("keine Einfahrt").

Ist die Diode umgekehrt gepolt, trifft man in der technischen Stromrichtung betrachtet zunächst auf den "Balken" im Schaltsymbol der Diode.

Dieser Balken erinnert an den Balken im Verkehrszeichen "keine Einfahrt".

In dieser Polung sperrt die Diode.

(3) Aufbau einer Halbleiterdiode - das Dotieren.

Das Ausgangsmaterial für die Halbleiterherstellung muß extrem rein sein. Ein reines Halbleitermaterial verhält sich bei tiefen Temperaturen wie ein Isolator, erst bei höheren Temperaturen wird ein Halbleiter durch Eigenleitung etwas leitend.(vgl. ->Seite zur Eigenleitung eines Halbleiters).

Durch gezieltes Hinzugeben von Atomen der 3. bzw. 5. Hauptgruppe kann man das Leitungsverhalten eines Halbleiters beeinflussen.

Diesen Vorgang nennt man Dotieren. (lat. dos, dotis - das Geschenk)

Die Zahl der hinzugegebenen Fremdatome ist übrigens sehr gering.
Auf 1 Million oder mehr Silizium-Atome kommt 1 Fremdatom !

Die folgenden Modelldarstellungen sind also maßlos übertrieben!

n-Dotierung:

Fremdatome der 5. Hauptgruppe (z.B. Arsen As) werden hinzugefügt.

Diese haben 5 Außenelektronen, eines ist nicht an der Bindung beteiligt und daher leicht beweglich.

Da ein Überschuß an negativer Ladung (Elektronen) besteht, spricht man von einem n-Halbleiter.

p-Dotierung:

Fremdatome der 3. Hauptgruppe (z.B. Aluminium Al) werden hinzugefügt.

Diese haben 3 Außenelektronen. In einer der Bindungen entsteht eine Fehlstelle, ein "Loch".

Da ein Elektron fehlt, ergibt sich ein Überschuß an positiver Ladung, man spricht von einem p-Halbleiter.

Benachbarte Bindungselektronen können sich in das Loch bewegen. Die Bindungselektronen wanden im Beispiel nach links, das Loch dadurch nach rechts, wo es wieder zu einer vollständigen Bindung kommt.

Es sieht also so aus, als bewegen sich die (positiven) "Löcher", man nennt dies daher "Löcherleitung".(vgl. Animation oben)

(4) Ein p-Halbleiter und ein n-Halbleiter - fertig ist die Diode.

Fügt man einen p-Kristall und einen n-Kristall zusammen, erhält man eine Diode mit pn-Übergang.

Ist keine Spannung angelegt, besetzen Überschußeklektronen aus dem n-Kristall Löcherstellen im p-Kristall. Dadurch "verschwindet" sowohl das Überschußelekton als auch das Loch. Man nennt dies "Rekombination".
Zumindest in der Kristallmitte entstehen in einer "Sperrzone" wieder feste Bindungen, so dass dort die Verhältnisse wieder wie bei einem reinen Halbleiter sind.

Nun wird eine Spannungsquelle angelegt.
Der n-Kristall ist mit dem positiven Pol einer Quelle verbunden, der p-Kristall mit dem negativen Pol der Quelle.

Im n-Kristall wirken nun auf die freien Elektronen elektrische Feldkräfte nach rechts. Statt in den Löchern des p-Kristalls zu rekombinieren, werden sie nun nach rechts zum positiven Pol der Quelle hin "abgesaugt".

Umgekehrt kommen Elektronen vom negativen Pol der Quelle und besetzen die "Löcher" im p-Kristall. Alle Bindungen sind nun wieder besetzt. Im n-Kristall gibt es aber keine freien Löcher, die weitere Elektronen besetzen könnten.

Der pn-Übergang sperrt.

Diesmal ist der n-Kristall mit dem negativen Pol der Quelle verbunden und der p-Kristall mit dem positiven Pol.

Die freien Elektronen im n-Kristall werden durch die elektrischen Feldkräfte in Richtung der Löcher im p-Kristall - oder auch weiter zum positiven Pol der Quelle - gezogen.

Durch die elektrischen Feldkräfte werden auch weitere Löcher im p-Kristall dadurch erzeugt, dass Bindungen aufreißen und die Bindungselektronen nach links zum positiven Pol abgesaugt werden. Weitere Elektronen, die vom negativen Pol der Quelle über den n Kristall kommen, können diese besetzen.

Insgesamt wandern Elektronen von rechts nach links (vom negativen zum positiven Pol der Quelle) und Löcher in umgekehrter Richtung (vom positiven Pol zum negativen Pol).

Der pn-Übergang leitet.

(5) eine einfache Merkregel - die Regel von den vier 'p':

Der p-Halbleiter entspricht im Schaltzeichen dem Pfeil, wenn er am positiven Pol der Quelle liegt bedeutet dies für den Stromfluß : passieren!