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Durchlassvorspannung vs. Sperrvorspannung: Raumladungszone, Barriere, Strom, Kapazität und Einsatz

Eine PN-Diode verhält sich je nach Richtung der angelegten Spannung sehr unterschiedlich. Bei Durchlassvorspannung liegt die p-Seite auf positivem und die n-Seite auf negativem Potenzial. Die Potenzialbarriere des Übergangs sinkt, Majoritätsladungsträger werden über den Übergang auf die andere Seite injiziert, und der Strom steigt exponentiell mit der Spannung. Bei Sperrvorspannung liegt die p-Seite auf negativem und die n-Seite auf positivem Potenzial. Die Barriere steigt, die Raumladungszone wird breiter, und es fließt nur ein winziger Sperrstrom. Die Durchlassrichtung dient zum Gleichrichten und zur Lichterzeugung in LEDs, die Sperrrichtung zur Lichtdetektion, für spannungsabhängige Kapazitäten und, mit dem Durchbruch, zur Spannungsstabilisierung.

MerkmalDurchlassvorspannungSperrvorspannung
Polung der Spannungp-Seite (Anode) positiv, n-Seite (Kathode) negativp-Seite (Anode) negativ, n-Seite (Kathode) positiv
Weite der RaumladungszoneSchmaler; proportional zu √(Vbi − V), wobei Vbi die Diffusionsspannung istBreiter; proportional zu √(Vbi + VR). Ist VR viel größer als die Diffusionsspannung, ergibt die vierfache Spannung etwa die doppelte Weite
Höhe der PotenzialbarriereSinkt auf q(Vbi − V)Steigt auf q(Vbi + VR)
Strom und LadungsträgerbewegungMajoritätsladungsträger überwinden die Barriere, werden auf die andere Seite injiziert und diffundieren dort als Minoritätsladungsträger (Diffusionsstrom)Ein sehr kleiner Strom aus thermisch erzeugten Minoritätsladungsträgern, die in und nahe der Raumladungszone vom Feld abgesaugt werden
Strom-Spannungs-BeziehungI ≈ Is·exp(qV/nkT). Mit dem Idealitätsfaktor n = 1 steigt der Strom bei Raumtemperatur etwa alle 60 mV auf das 10-Fache. Silizium leitet typischerweise ab etwa 0,6 bis 0,7 V nennenswertEin kleiner, nahezu spannungsunabhängiger Strom (ideal −Is; in der Praxis kommt der Generationsstrom in der Raumladungszone hinzu). Er steigt mit der Temperatur stark an
Dominierende KapazitätDiffusionskapazität aus den gespeicherten injizierten Minoritätsladungsträgern; sie wächst etwa proportional zum Strom (Cd ≈ τI/(nkT/q))Sperrschichtkapazität (Verarmungskapazität), C = εA/W; sie sinkt mit steigender Sperrspannung
Zahlenbeispiel (abrupter Übergang, p-Seite 1×10¹⁹ cm⁻³, n-Seite 1×10¹⁶ cm⁻³, Raumtemperatur, Näherung der Raumladungszone)Diffusionsspannung etwa 0,89 V. Weite der Raumladungszone etwa 0,34 µm bei 0 V und etwa 0,23 µm bei 0,5 V DurchlassvorspannungWeite der Raumladungszone etwa 0,87 µm bei 5 V Sperrvorspannung und etwa 1,6 µm bei 20 V. Die Sperrschichtkapazität bei 5 V beträgt etwa das 0,39-Fache des Werts bei 0 V
DurchbruchTritt nicht auf; bei hohem Strom begrenzen Bahnwiderstand und Erwärmung den StromOberhalb einer bestimmten Spannung steigt der Strom durch Lawinen- oder Zener-Durchbruch steil an
Typischer EinsatzLeitende Richtung in Gleichrichterschaltungen, Lichtemission in LEDs und Laserdioden, Basis-Emitter-Übergang eines Bipolartransistors, TemperatursensorenFotodioden, Kapazitätsdioden (Varaktoren), Zener-Dioden (im Durchbruch betrieben), Lawinenfotodioden, Sperrschichtisolation zwischen Bauelementen

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Durchlassvorspannung
Der Betriebszustand, wenn Strom fließen soll: die leitende Halbwelle einer Gleichrichterdiode, eine leuchtende LED und der Basis-Emitter-Übergang eines Bipolartransistors. Die Durchlassspannung sinkt mit steigender Temperatur typischerweise um etwa 2 mV/°C und wird daher auch zur Temperaturmessung genutzt. Beim schnellen Schalten sind die Diffusionskapazität und die Sperrverzögerungszeit durch gespeicherte Minoritätsladungsträger zu beachten.
Sperrvorspannung
Der Betriebszustand, wenn Strom gesperrt oder die Raumladungszone selbst genutzt werden soll. Eine Fotodiode sammelt durch Licht erzeugte Ladungsträger mit dem Feld der Raumladungszone, und eine Kapazitätsdiode ändert ihre Kapazität, indem die Spannung die Weite der Raumladungszone ändert. Eine Zener-Diode wird nahe ihrer Durchbruchspannung betrieben, um eine feste Spannung zu halten. In integrierten Schaltungen werden Wannen- und Diffusionsübergänge in Sperrrichtung gehalten, um Bauelemente elektrisch voneinander zu trennen.

Häufige Fragen

Warum fließt auch bei Sperrvorspannung ein kleiner Strom?

Elektronen und Löcher, die in und nahe der Raumladungszone thermisch erzeugt werden, werden vom Feld der Raumladungszone auf die andere Seite gezogen. Die Menge hängt davon ab, wie viele Minoritätsladungsträger thermisch entstehen, daher steigt der Strom mit der Spannung kaum, mit der Temperatur aber stark. In Silizium ist er sehr klein, wird aber als Dunkelstrom in Fotodioden und als Leckstrom, der die Datenhaltezeit im DRAM begrenzt, zum Problem.

Verschwindet die Raumladungszone bei Durchlassvorspannung vollständig?

Nein. Ihre Weite schrumpft proportional zu √(Vbi − V), doch der Strom wird groß, bevor sich die Spannung der Diffusionsspannung nähert, und der Spannungsabfall am Bahnwiderstand wächst, sodass die Spannung am Übergang selbst unter der Diffusionsspannung bleibt. Bei einem einseitig abrupten Übergang mit 1×10¹⁶ cm⁻³ auf der n-Seite geht die Weite zum Beispiel von etwa 0,34 µm bei 0 V auf etwa 0,23 µm bei 0,5 V Durchlassvorspannung zurück (Schätzung mit der Näherung der Raumladungszone).

Warum dominiert in Durchlass- und Sperrrichtung jeweils eine andere Kapazität?

Die Ladung hinter der Kapazität ist eine andere. In Sperrrichtung ändert sich mit der Spannung die Ladung der ionisierten Dotieratome auf beiden Seiten der Raumladungszone, sodass die Sperrschichtkapazität dominiert, die wie ein Plattenkondensator wirkt. In Durchlassrichtung wächst mit dem Strom die Ladung der Minoritätsladungsträger, die über den Übergang injiziert und in den neutralen Gebieten gespeichert werden, sodass die Diffusionskapazität dominiert. Sie wird bei hohem Strom groß und verlangsamt das schnelle Schalten von Dioden und Bipolartransistoren.

Warum werden Fotodioden in Sperrrichtung betrieben?

Eine breitere Raumladungszone sammelt durch Licht erzeugte Elektronen und Löcher aus einem größeren Volumen, und das starke Feld trennt sie schnell in einen Strom. Außerdem sinkt die Sperrschichtkapazität, was die Antwort beschleunigt. Eine Solarzelle liefert dagegen ohne angelegte Vorspannung Leistung aus dem Licht, und eine LED sendet Licht aus, wenn in Durchlassrichtung injizierte Ladungsträger rekombinieren.

Verständnis prüfen

Wie wird die Spannung angelegt, um einen PN-Übergang in Durchlassrichtung vorzuspannen?

  1. Ap-Seite positiv, n-Seite negativ
  2. Bp-Seite negativ, n-Seite positiv
  3. Cp-Seite und n-Seite auf gleiches Potenzial
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Antwort: A. p-Seite positiv, n-Seite negativ

Wird die p-Seite (Anode) positiv und die n-Seite (Kathode) negativ gemacht, wirkt die äußere Spannung der Diffusionsspannung entgegen, die Potenzialbarriere sinkt, und Majoritätsträger werden über den Übergang in die Gegenseite injiziert. Das ist die Durchlassvorspannung, bei der der Strom exponentiell mit der Spannung steigt. Bei umgekehrtem Anschluss wird die Barriere höher, und es fließt nur ein sehr kleiner Strom aus thermisch erzeugten Minoritätsträgern. Bei gleichem Potenzial halten sich Diffusion und Drift die Waage, und der Strom ist 0.

Wie ändert sich die Breite der Raumladungszone, wenn die an den PN-Übergang angelegte Sperrspannung erhöht wird?

  1. ASie wird schmaler
  2. BSie ändert sich nicht
  3. CSie wird breiter
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Antwort: C. Sie wird breiter

Bei Sperrvorspannung wirkt die äußere Spannung in derselben Richtung wie die Diffusionsspannung, und die Ladungsträger werden noch weiter vom Übergang weggezogen, sodass sich die Raumladungszone ausdehnt. Die Breite ist etwa proportional zu √(Vbi + V); ist V deutlich größer als die Diffusionsspannung, verdoppelt sie sich beispielsweise bei vierfacher Spannung etwa. Mit breiterer Raumladungszone sinkt die Sperrschichtkapazität (C = εA/W), und diese Eigenschaft wird bei Kapazitätsdioden genutzt. Dass die das Feld tragende Breite wächst, trägt auch zur Sperrspannungsfestigkeit bei.

Welche Eigenschaft nutzen Kapazitätsdioden (Varaktoren)?

  1. ADas Leuchten bei Durchlassstrom
  2. BDie Änderung des Widerstands mit der Temperatur
  3. CDie Änderung der Sperrschichtkapazität mit der Sperrspannung
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Antwort: C. Die Änderung der Sperrschichtkapazität mit der Sperrspannung

Bei stärkerer Sperrvorspannung dehnt sich die Raumladungszone aus und die Sperrschichtkapazität sinkt. Wird diese Eigenschaft genutzt, um die Kapazität über die Spannung veränderbar zu machen, entsteht die Kapazitätsdiode (Varaktor). Bei hyperabrupten Übergängen mit steilem Dotierprofil ändert sich die Kapazität stark mit der Spannung, und der Abstimmbereich wird größer. Da sich die Resonanzfrequenz f = 1/(2π√(LC)) über die Spannung einstellen lässt, werden sie in Tunern, spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO) und PLLs eingesetzt.

  1. Wie werden Fotodioden zur Lichtdetektion allgemein betrieben?
  2. Welche Kapazität eines in Durchlassrichtung vorgespannten PN-Übergangs entsteht durch die Ansammlung injizierter Minoritätsträger?
  3. Welcher Mechanismus lässt eine LED leuchten?

Übungsfragen zu PN-Übergang und Diode

Wichtige Begriffe erklärt

Durchlassvorspannung (Vorwärtsspannung)
Anlegen von Plus an der p-Seite und Minus an der n-Seite. Die Barriere sinkt, und es fließt gut Strom. Bei umgekehrter Polung spricht man von Sperrvorspannung, und es fließt kaum Strom.
Raumladungszone (Verarmungszone)
Bereich nahe der Grenzfläche eines PN-Übergangs, in dem kaum Ladungsträger vorhanden sind. Sie wird bei Sperrspannung breiter.
Diffusionsspannung (eingebautes Potenzial)
Potenzialdifferenz, die in der Raumladungszone eines PN-Übergangs auch ohne äußere Spannung besteht. In Silizium etwa 0,6 bis 0,9 V; sie wirkt als Barriere gegen die Diffusion der Ladungsträger.
Sperrschichtkapazität (Verarmungskapazität)
Kapazität, die entsteht, weil die Raumladungszone eines pn-Übergangs wie ein Plattenkondensator wirkt. Bei steigender Sperrspannung weitet sich die Raumladungszone aus und die Kapazität sinkt. Kapazitätsdioden nutzen diese Eigenschaft.
Diffusionskapazität
Kapazität eines in Flussrichtung betriebenen PN-Übergangs, die durch in die neutrale Zone injizierte und dort gespeicherte Minoritätsladungsträger entsteht. Sie wächst proportional zum Durchlassstrom und begrenzt den Hochgeschwindigkeitsbetrieb.
Zener-Diode
Diode zur Spannungsstabilisierung, die ausnutzt, dass die Durchbruchspannung in Sperrrichtung nahezu konstant bleibt.
Fotodiode
Diode, die bei Lichteinfall Ladung (Strom) erzeugt. Sie dient als lichtempfindliches Element der Pixel von Bildsensoren.
Lawinendurchbruch
Phänomen, bei dem Ladungsträger im starken Sperrfeld beschleunigt werden, beim Stoß auf Atome neue Ladungsträger erzeugen und sich lawinenartig vermehren, sodass ein großer Strom fließt.

Verwandte Vergleiche