Anwendung der np junction:Wichtige Halbleiterbauelemente

Inhalt

• Photodiode

• Halbleiterzähler

• Leuchtdiode

• Peltier-Effekt

Die Photodiode

PhotoU

h

Photoeffekt an der np Junction

n leitend p leitend

• Energiezufuhr erzeugt Ladungsträger, indem sie vom Valenz- ins Leitungsband gehoben werden („Innerer Photoeffekt“)

• Die Ladungsträger werden von der Feldstärke an der np junction in die ihnen entsprechenden Bereiche gezogen

Stromfluss an der Photodiode

n leitend p leitend

• Der Stromfluss der Photodiode entspricht dem Strom an der np junction in Sperr-Richtung

• Anwendung: Solarzellen – Hochreines Si vermeidet Rekombination der Ladungsträger auf

ihrem Weg zur Anode bzw. Kathode durch Kollision mit „Störstellen“

Versuch

• Spannung an einer „Solarzelle“ bei Beleuchtung

Halbleiterzähler

Verstärker

h

Stromfluss im Halbleiterzähler

n leitend p leitend

• Polung in Sperr-Richtung: Zunahme des Stroms in Sperrichtung (Abnahme des Widerstands) bei Ankunft eines Quants

─+

Versuch

• Halbleiterzähler

Zusammenfassung Photodiode und Halbleiterzähler

• Wird eine n-p junction mit sichtbarem Licht bestrahlt, dann erhöht sich die Anzahl der freien Ladungsträger, weil sie vom Valenz- ins Leitungsband gehoben werden– „Innerer Photoeffekt“ - im Gegensatz zum äußeren mit

Elektronen Abgabe ins Vakuum

• Das Feld in der Grenzschicht zieht Elektronen in das n-leitende Gebiet, die Löcher in das p-leitende

• Photostrom fließt in Sperr Richtung - das Element liefert eine der Intensität entsprechende Spannung

• Halbleiterzähler: Bei Anschluss einer Spannung in Sperr-Richtung bewirkt der Photoeffekt eine Zunahme des Stroms (Abnahme des Widerstands) bei Ankunft eines Quants

Versuch

• Leuchtdiode

Halbleiter als Leuchtdiode

hWiderstand (~300 )

Leuchtdiode

• Spannung liegt in Flussrichtung – Elektronen wandern in die p-Schicht und

rekombinieren mit den Löchern

• Bei manchen Halbleitern wird die dabei frei werdende Energie in Form von sichtbarem Licht abgestrahlt

• Strombegrenzung durch einen Widerstand in Reihe

n leitend p leitend

Stromfluss in der Leuchtdiode

+─

• Die Leuchtdiode wird in Flussrichtung gepolt• Bei der Rekombination von Elektronen und

Defekelektronen wird Energie frei, dabei entsteht in manchen Halbleitern sichtbares Licht

Der Peltier-Effekt

1T 2T

Peltier-Effekt im Halbleiter

• Elektronen, die in einer Diode aus dem Leitungsband in Flussrichtung fließen, rekombinieren mit den energetisch tiefer liegenden Defektelektronen des Valenzbands: – Die Elektronen geben Energie an das Gitter ab, die

Kontaktfläche erwärmt sich • In Sperrrichtung umgekehrt: Die Elektronen nehmen

Energie aus dem mechanischen Schwingungsspektrum (den Phononen) auf, der Kontakt kühlt sich ab

• Mit speziell dotierten Halbleitern (z. B. Selen dotiertes Wismut-Tellurid) werden Temperaturdifferenzen bis zu 50°C erreicht

Versuch

• Peltier Effekt

Zusammenfassung Photodiode und Peltier-Effekt

• Stromfluss in Flussrichtung führt zur Rekombination der Ladungsträger in Nähe der np junction– Die dabei freiwerdende Energie erscheint als Wärme

und in Photodioden als Licht– Die np junction erwärmt sich

• Bei Stromfluss in Sperrichtung nehmen Elektronen Energie aus dem „Wärmebad der Gitterschwingungen“ auf, – np junction kühlt sich ab – Anwendung im Peltier-Element

• Z. B. zur Kühlung in Kühltaschen für den Anschluss an die Steckdosen im Auto

n leitend p leitend

Stromfluss in der Leuchtdiode

+─

• Die Leuchtdiode wird in Flussrichtung gepolt• Bei der Rekombination von Elektronen und

Defekelektronen wird Energie frei, dabei entsteht in manchen Halbleitern sichtbares Licht

Aggregatzustand, Ladungsträger und Leitfähigkeit

Gas Flüssig Fest

Elektronen Ionen Elektronen

IsolatorSpontaner Durchbuch, z. B. Blitz

Elektro-lytische Leitung

Metall

Halbleiter

In Grenzen:Nach

Aktivierung:

Ohmsche Leitung, U=R.I