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Elektronik 1



1   Grenzschicht
2p-dotierte Schicht
3n-dotierte Schicht
4Schaltzeichen

Begibt man sich auf die Suche nach dem Beginn oder Kern der Elektronik, dann ist da gar keine weite Reise nötig. Sehr rasch wird man fündig, nämlich ganz konkret in Bauteilen, die einen pn- oder np-Übergang aufweisen. Alles bis dahin, z.B. Widerstände, Kondensatoren und Induktoren ist dagegen eher als Teil der Elektrik zu bezeichnen.

Das beginnt zwar mit dem Wissen über Dioden, hört aber keineswegs damit auf. Ist da überhaupt ein Ende abzusehen bei dem Weg über Transistoren, deren Verwandten und Bauformen z.B. in vollintegrierter Form und damit in eine Art Unterwelt der Millionen von Schaltungen auf der Fläche eines Fingernagels bis hin zur Quantentechnologie?

Von den Anfängen her muss man die Welt wohl eher als eine ohne Elektrizität annehmen. Erst wenn den Atomen Energie zugeführt wird, entstehen Ionen. Enthalten sie danach mehr Elektronen als Protonen, sind sie negativ geladen, bei weniger positiv. Verrückt, dass wir die von Elektronen verlassenen Stellen als 'Löcher' bezeichnen. Wesentlich aussagekräftiger wäre der Begriff 'Defektelektroden'.

Und genau wie die Elektronen lässt man die auch noch wandern, sich vermehren bzw. verringern. So werden Bereiche von mehr Löchern als 'p-Typ' und solche mit mehr Elektronen als 'n-Typ' bezeichnet. Eine 'Diode' entsteht, wenn zwei unterschiedliche Bereiche miteinander in Kontakt kommen. Am besten stellt man sich vor, dass p-Material direkt an n-Material stößt. Genau dieser Bereich soll uns jetzt besonders interessieren.

Wir nennen die beiden Bereiche ab jetzt n- und p-dotiert. Letzteres heißt z.B. so viel wie das Einbringen von Fremdatomen. Bringt man z.B. 3-wertiges Bor in die metalltypische Gitterstruktur ein, so fehlt hier ein Elektron auf der äußersten Schale, was eine p-Dotierung ergibt. Umgekehrt ist es z.B. bei 5-wertigem Phosphor mit einem Elektron zu viel gegenüber dem Silizium, was zu einer n-Dotierung führt.

Man spricht von einer gezielten Verunreinigung des Siliziums. Dazu kann man statt Bor auch Aluminium, Indium oder Gallium und statt Phosphor auch Antimon oder Arsen nehmen. So eng nebeneinander wandern Elektronen des p- in den n- Halbleiter und umgekehrt die von Elektronen verlassenen Stellen, deshalb Löcher oder Defektelektronen genannt, in den p-Halbleiter. Man spricht auch von Diffusion, was so viel wie Eindringen heißt.


Die einstmals neutrale Grenzschicht vergrößert sich und wird jetzt auch als 'Raumladungszone' bezeichnet. Allerdings befindet sich die vom n-Bereich aus durchdrungene nicht direkt neben dieser, sondern aus Gründen der Anziehungskraft unterschiedlicher Pole neben der p-Zone. Gleiches gilt auch für den überwiegend positiv gewordenen Teil der Raumladungszone, der sich jetzt nahe dem n-Bereich wiederfindet.

Es entsteht eine Art Bollwerk, die berühmte einer klassischen Diode nachgesagte Sperrzone, die umso größer wird, je mehr Ladungsträger für den 'Rekombination' genannten Vorgang des Aufbaus einer Grenzschicht zur Verfügung stehen. Allerdings wird auch deren Sperrwirkung dann größer, was die weitere Wanderung von (Defekt-) Elektronen verhindert. Man spricht dann von einer Art Gleichgewichtszustand.

Der stellt sich bei geringer dotierten Materialien eher früher und bei stärker dotierten später ein. Klar, wenn man sich ins Gedächtnis zurückruft, dass n-Dotieren das Aufbringen von Fremdatomen beziehungsweise p- Dotieren die Herbeiführung von deren Mangel ist. Einerseits hängt von deren Intensität also die Größe der Sperrschicht und andererseits die durch die Raumladungen entstehende Spannung ab, auch 'Diffusionsspannung' genannt.

Diese kann durch eine Gleichspannung beeinflusst werden. Legt man Plus an die p- und Minus an die n-Seite, so mindert man durch das entstehende elektrische Feld diese Diffusionsspannung. Die Sperrschicht wird mit steigender Spannung kleiner. Bei den früher verwendeten Germanium-Dioden ist die Sperrwirkung schon bei ca. 0,4 V, bei den heute nur noch verwendeten aus Silizium bei ca. 0,7 V aufgehoben.

Bleibt noch das Umpolen, das übrigens bei hoher Spannung ohne Widerstand betrieben, eine normale Diode zerstört. Erhöht man die Spannung langsam, lernt man den Sperrbereich kennen, der sich z.B. bis 250 V ausdehnt. Für den Sperrbereich sind sogenannte Z-Dioden besser geeignet, die trotz ähnlichem Verhalten in Durchlassrichtung ausschließlich in Sperrrichtung betrieben werden und deren Sperrstrom dann bei bestimmten Spannungen sehr rasch ansteigt.

Zener-Dioden werden eher z.B. als Spannungsregler betrieben, normale Dioden als Gleichrichter. Daher kommt auch ihr Name, wobei das 'Di' von der 'Zwei' im Lateinischen und das 'ode' wohl von 'Elektrode' stammt. Der Pfeil kennzeichnet die Durchlassrichtung, in der sie als zusätzlicher Vorteil nur einen sehr geringen Widerstand aufweisen.








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