Das Bändermodell 2

Das einfachste Bauteil aus dotiertem Halbleitermaterial ist die Planardiode (Kristallflächendiode). Sie besteht aus einem Germanium oder Siliziumkristall, dessen eine Seite p-dotiert und andere Seite n-dotiert wurde. Wie schon erwähnt, erzielt man dies mit der Impfung durch entsprechende Fremdatome. Durch die thermische Eigenbewegung lösen sich nun negative Elektronen und positive Defektelektronen (Löcher) aus den Valenzbändern und diffundieren gegeneinander, so dass sie an der Berührungsstelle (p-n Übergang) in der Mitte des Kristalls rekombinieren und so eine elektrisch neutrale Schicht von zunächst nur sehr geringer Dicke (ca. 1 m ) ausbilden, die keine beweglichen Ladungsträger mehr enthält. Ab einer gewissen Grenzschichtdicke stoppt auch die Rekombination, da durch das sich ausbildende elektrische Feld keine weiteren Ladungsträger aus den p- und n-dotierten Kristallbereichen mehr einwandern können.

Die jeweils im rechten (p) und linken (n) Gitterbereich zurückbleibenden, ortsgebundenen Fremdatome sind damit zu KATIONEN und ANIONEN geworden. Diese Benennung geht übrigens darauf zurück, dass bewegliche positive Ionen ( = Kationen) in einem Elektrolyten oder sonstigem leitenden Medium beim Anlegen einer Gleichspannung stets zur negativen Elektrode ( = Kathode) wandern, wogegen die negativen Ionen ( = Anionen) die positive Elektrode ( = Anode) aufsuchen. Zugegeben: Eine etwas verwirrende Wort- und Farbenspielerei.-In den nachfolgenden Grafiken wird es zum Trost dafür aber wieder etwas übersichtlicher.

Bildung eines p-n Überganges in einer Germaniumdiode

In den nächsten beider Grafiken ist anschaulich die Reaktion der Diodensperrschicht auf das Anlegen von Gleichspannungen verschiedener Polarität dargestellt. Im linken Bild sperrt die Diode durch Verbreiterung der Sperrschicht, es fließt kaum Strom.-Im rechten Bild dagegen verringert sich die Sperrschicht aufgrund der angelegten Gleichspannung und die Diode wird leitend.-Es fließt ein hoher Strom. Durch den Lastwiderstand RL. Die Diode wirkt also als eine Art Stromventil.-Da sie nur Strom in einer Richtung leitet, kann sie auch Wechselspannungen gleichrichten wie eine Röhrendiode, indem sie einfach je nach Polung nur die positive oder die negative Halbwelle einer Schwingung passieren lässt.

Planare Diode in Sperrichtung	Planare Diode in Durchlassrichtung

Trennt man jeweils 2 p-dotierte Schichten mit einer n-dotierten Schicht oder umgekehrt, erhält man eine Art steuerbare Kristalldiode, auch Kristalltriode oder Transistor genannt.-Dieser hat ähnliche Eigenschaften wie der schon besprochene pnp-Germanium-Spitzentransistor, kann aber aber aufgrund seines planaren Aufbaus wesentlich mehr leisten. Die nachfolgenden Bilder veranschaulichen die Grundschaltungen jeweils am Beispiel eines PNP- und eines NPN- Transistors

PNP - Transistor	NPN - Transistor

Wie deutlich zu sehen ist, bilden sich jeweils recht und links von der jeweiligen Mittelschicht (p- oder n-) eigene Grenzschichten (G1 und G2 ) aus. Damit ergeben sich im stromlosen Transistor durch Rekombination eigentlich auch zwei getrennte Sperrschichten. Die Gesamtdicke der Mittelschicht wurde aber mit Bedacht so gering gewählt, dass alle Reaktionen der Grenzschicht G1 automatisch auch auf G2 übergreifen und umgekehrt.-Durch eine weitere Elektrode im Zentum der Mittelschicht kann nun die Breite der sich ergebenden Doppelgrenzschicht so gesteuert werden, dass sie sich wie eine einzige, variable Sperrschicht zwischen den beiden anderen Aussenschichten verhält.-Legt man an U2 eine Betriebsspannung von einigen Volt und an U1 eine sog. Basisvorspannung von nur sehr geringer Größe an, so führen schon kleinste Änderungen der Basisvorspannung (etwa durch eine überlagerte Wechselspannung ~ wie in der Grafik ) zu einer praktisch trägheitslosen Steuerung des durch den Lastwiderstand RL fließenden Stromes aus U2 im Takt der Wechselspannung.- Eine Aufgabe, die bisher nur Elektronenröhren bewältigen konnten. In der Praxis verwendet man statt der zwei getrennten Spannungsquellen natürlich Spannungsteilerschaltungen mit ohmschen Widerständen, und kann so auch Schaltungen mit vielen Transistoren mit nur einer einzigen Versorgungsspannung betreiben.

Eine Sonderstellung nehmen Licht- und wärmeempfindliche Transistoren und Dioden (Thermodioden und Thermotransistoren)ein. Wie schon erwähnt, reagieren reine Halbleiterkristalle auf Zufuhr von Licht oder Wärme mit dem Emmitieren von Elektronen ins Leitungsband.-Dieser Effekt steigert sich bei dotierten Halbleitern um Zehnerpotenzen und ist im allgemeinen unerwünscht.-Zur Abschaltung dieser Effekte, insbesondere des Photoeffektes baut man Transistoren und Dioden daher in der Regel in lichtundurchlässige und teilweise thermisch isolierte Gehäuse ein.Viele Schaltungen benutzen auch zusätzliche Bauelemente nur um die unerwünschte Temperaturdrift der Transistoren zu kompensieren. Aber es gibt auch spezielle Bauformen, bei denen gerade ein solcher Effekt erwünscht ist und gefördert wird. So kann man jede beliebige Siliziumdiode und auch jeden Transistor (bevorzugt mit Metallgehäuse) sowohl als sehr genauen Temperaturfühler, als auch umgekehrt als "Heizofen" zum Beispiel zum Temperieren von Schwingquarzen in hochgenauen Frequenzzählern oder Messempfängern benutzen.

Zur Nutzung des Photoeffektes stehen spezielle Transistoren und Dioden (Photodioden und Phototransistoren) mit einer winzigen Sammellinse an der Gehäuseoberseite zur Verfügung, welche das einfallende Licht auf den Halbleiterkristall im inneren des Gehäuses konzentriert. - Auch hier gibt es eine praktische Nutzung des umgekehrten Effektes: Leuchtdioden reagieren auf das anlegen einer Gleichspannung von ca. 1,5 Volt mit der Aussendung von Licht einer bestimmten Frequenz. Diese kommt dadurch zustande, dass Elektronen aus dem Leitungsband durch Anlegen einer Spannung zurück ins Valenzband gedrängt werden und dabei Energie in Form eines Lichtblitzes abstrahlen.-Es gibt auch spezielle Bauformen, die nur im Infrarotbereich senden und empfangen können. Eine interessante Weiterentwicklung stellen die Laserdioden dar, ohne die moderne Datenspeicherung auf optischen Trägern (CD und DVD) undenkbar wäre.

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