Frage von Blutdiamanten, 131

Warum sperrt ein Halbleiter?

Ein Halbleiter bzw. eine Diode besteht aus einer p-Schicht und einer n-Schicht, die beide aneinandergrenzen. Bereits ohne jegliche Spannung entsteht eine sogenannte Sperrschicht zwischen den beiden Schichten, was daran liegt, dass Elektronen aus der n-Schicht die freien Löcher in der p-Schicht auffüllt.

Wenn jetzt jedoch Spannung angelegt wird, und zwar so, dass der Minuspol an der p-Schicht liegt und der Pluspol an der n-Schicht, dann vergrößert sich die Sperrschicht (siehe Bild). Man sagt dann auch die Diode sperrt.

Warum ist das so? Eigentlich müsste die Diode doch Strom durchlassen, denn die Elektronen, die sich links am Pluspol gesammelt haben, müssten doch durch ihn aufgenommen und abgeführt werden. Auf der anderen Seite, am Minuspol, müssten wieder Elektronen nachkommen, die die Löcher auffüllen, die sich direkt am Minuspol befinden. Somit würde dann ein Elektronenfluss vom Minuspol zum Pluspol möglich sein.

Was ist falsch an meinem Denkansatz?

Vielen Dank im Vorraus

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von GTA5USER, 59

Warum sollte die Diode in deinem Bild leiten? Die Löcher wollen zum Minus, die Elektronen zum Plus. Und dazwischen wäre dann WAS damit Strom fließt? Nix, nur ein elektrisches Feld dass gerade so groß ist um das Feld der Spannungsquelle zu kompensieren.

Durch diese Trennung gibts in der Mitte keine freien Ladungsträger, also auch keinen Stromfluss.

Verpolst du die Diode verschwindet die Sperrschicht. Es gibt dann freie Ladungsträger die zum Stromfluss verwendet werden können.

Ventil mit Rückschlagschutz:

Linksrum öffnet die Klappe und überall ist Wasser im Ventil --> Stromfluss möglich! Rechtsrum schließt die Klappe. An der Klappe steht auf der rechten Seite das Wasser, an der linken Seite entsteht Unterdruck der den Wasserstromfluss unterbricht. Die "Wasserdiode" schließt.

Kommentar von Blutdiamanten ,

In der Mitte befinden sich keine freien Ladungsträger. Sollten nicht aus dem Minuspol Elektronen nachfließen, die sowohl die Löcher dort auffüllen als auch in die Mitte fließen?

Kommentar von GTA5USER ,

Wie denn? Die P-Schicht ist negativ geladen, die stößt Elektronen ab!


https://www.youtube.com/watch?v=cGSck0nzlsE

Antwort
von lks72, 22

Das Problem an der Diode ist, wenn man ihre Funktionsweise komplett mit den Mitteln der Elektrizitätslehre allein verstehen will, dies ist aber nicht möglich. Der Antrieb für den Strom bzw. das Entstehen einer Spannung ist ein Resultat des elektrochemischen Potentials. Warum werden eigentlich überhaupt Elektronen und Defektelektronen (Löcher) erzeugt? Warum fließen sie nicht wieder nach innen und rekombinieren? Der Grund ist das chemische Potential in der Diode, und zwar bei der Reaktion von Photonen und Phonen zu Elektronen und Defektelektronen, dieses treibt die beiden dann auseinander. Dadurch entsteht aber ein elektrisches Feld, welches diesem Effekt dann die Waage hält, dies nennt man dann zusammengefasst das elektrochemische Potential. Wenn die Diode in Durchlassrichtung gepolt ist, dann fließen Defektelektronen und Elektronen zur Mitte und reagieren dort, und zwar zu Photonen und Phononen (je nach Bauart der Diode mehr das eine oder mehr das andere). Ist die Diode in Sperrichtung gepolt, dann fließen Elektronen und Defektelektronen nach außen, und hier gibt es das Problem, dass in der Mitte keine neuen Elektronen und Effektelektronen mehr entstehen, die Diode sperrt. Abhilfe würde hier zum Beispiel Licht schaffen (in der Leuchtdiode), denn dann hätte man wieder die Reaktion Photonen -> Elektron + Defektelektron.

(Durch die Umgebungstemperatur, die ja über dem absoluten Nullpunkt liegt, gibt es immer Reaktionen in der Diode in kleinem Umfang, dies bildet den Sperrstrom).

Antwort
von Remmelken, 25

Du hast in deiner Frage sehr gut erklärt wie eine Diode funktioniert und dir damit die Antwort schon selbst gegeben.

Wenn du den negativen Pol an die P-Schicht anlegst füllst du die dort vorhandenen Löcher mit Elektronen auf und es sind keine Ladungsträger für den Ladungstransport mehr vorhanden. Ebenso in der N-Schicht aus der du die Elektronen entfernst. Keine Ladungsträger, kein Strom. 

Wenn du den positiven Pol an die P-Schicht anlegst dann ziehst du dort die Elektronen heraus und erzeugst Löcher die durch den Kristall wandern können. Ebenso drückst du am negativen Pol Elektronen in die N-Schicht hinein. An der Sperrschicht können nun Elektronen und Löcher rekombinieren es fließt Strom.

Antwort
von Loydi, 38

Ich verstehe seinen Denkansatz nicht richtig. Es ist doch klar, dass die Elektronen zu dem Pluspol angezogen werden, und die Protonen an Minus. In der Mitte ist dann nichts. Ich hatte das Thema vor etwas längerer Zeit, deswegen bin ich mir nicht mehr sicher ob das richtig ist.

Kommentar von Blutdiamanten ,

Ja das ist klar, aber die Frage ist, warum kein Strom fließt.

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