Diode: Warum funktioniert das so und nicht *so* ?

[-schumi-]

Hallo zusammen :)

Ich hab eine Frage zur Diode (Also ganz stinknormaler PN-Übergang).

Unswar:

1. So sieht die Diode aus bevor sie zusammengebaut wird:
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(Die roten Punke: Stellvertretend für Elektronenmangel (Ich sag der Einfachheit halber mal Loch dazu), die blauen Punkte: die Elektronen)

2. So sieht sie aus wenn man sich bei Reichelt eine bestellt:
18770
Wie man sehen kann: In der Mitte haben sich die Elektronen und Löcher in der Mitte vermischt, weil sich ungleichnahmige Ladungen anziehen. Eine Raumladungszone ist entstanden.

3. Dann mal eine Batterie, Lampe und Schalter dran:
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Die Elektronen fühlen sich von den Löchern angezogen und andersherum und sie vermischen sich noch mal etwas. Aber das reicht noch nicht dass die Elektronen die Raumladungszone durchbrechen könnten.

4. Jetzt wird der Schalter geschlossen
18772
Jetzt schieben die Löcher auch noch nach rechts und endlich geht was. Die Löcher "fließen" zum Elektronenpool der Batterie und anderherum -> Die Lampe leuchtet

Soweit alles klar.

So, jetzt kommt der Teil an dem ich mich frage warum so und nicht *anders*

5. Laut meinem Ausbilder sieht das ganze so aus, wenn die Diode in Sperrrichtung drin ist (hab einfach die Batterie umgedreht)

18773
Die Raumladungszone wird noch größer weil sich Elektronen und Löcher anziehen -> Es fließt (fast) kein Strom und die Lampe ist aus.

(Einen Moment noch, ich darf nur 5 Bilder/Post benutzen -> Zweiter Post ;-) )

[-schumi-]

6. So, und warum zum Teufel vermischen sich die Elektronen und Löcher nicht da wo die Drähte an dem Silizium dran sind?!?!?
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Die Elektronen und Löcher vermischen sich miteinander weil sie so geil aufeinander sind und aus dem PN-Übergang wird 0815-Silizium mit einem bestimmten Widerstand -> Es fließt ein kleiner Strom -> Die Lampe (Ultra-mega-Low-Low-Current-LED ;-) ) leuchtet etwas

Das es so nicht sein kann zeigt die Praxis. Aber WARUM ist das so? Warum vermischen sich die Elektronen und Löcher nicht wenn die Diode in Sperrrichtung drin ist?

(Es müssten zumindest 2 Weitere Raumladungszonen an den Kontakten von Draht zu
Silizium entstehen)

Vielen Dank schonmal im Vorraus ;-)

Gruß
schumi

PS: Mein Ausbilder konnte mir nicht sagen warum sich die e- und löcher nicht vermischen^^

[Abnormal]

so richtig beantworten wie das in dem Silicium so vor sich gehtw erden dir das wohn nur wenige können. Hier ist vorstellungskraft gefragt, man fertigt sich "sein" Modell an mit dessen Hilfe man sich vorstellen kann wie es funktionieren könnte. Du scheinst ja ein funktionierendes Modell zu haben ;-) Also Deine Protonen werden jedenfalls als "Defektelektronen" bezeichnet, oder ( in meinem Modell) als Loch. Proton ist definitiv falsch!

Wenn die Diode in Sperrichtung gepolt ist liegt die P(dotierte)Schicht an negativer Spannung/Ladung, die N(dotierte)Schicht an positiver Spannung/Ladung, so wie in Deinem Bild 5.
Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an. Ich stelle mir das jetzt so vor, das die N(egativgeladene)Schicht nun von der positiven Ladung angezogen wird und umgekehrt. in der Mitte entsteht ein "freier RAum" oder "die Sperrschicht vergrößert sich (breitenmäßig) wodurch natürlich kein Stromfluss mehr zustandekommen kann (in beiden Fällen).

bei Richtiger Diodenpolung liegt Positive Ladung an P(ositiver)Schicht (und umgekehrt) und die Kraft die auf die Sperrschicht wirkt wird immer größer, drückt diese zusa,mmen udn durchbricht sie letztendlich - Strom fließt...

Bitte es wird keinesfalls tatsächlich ganz genauso sein. Aber es ist ein versuch sich das irgendwie begreifbar zu machen und die Funktion zu verstehen...

[.:Sebastian:.]

Moin

Also Kurzfassung :
Man kann Halbleiter N oder P dotieren.
Dann hat man ortsfeste Raumladungen, als Eigenschaft der Atome im Gitter.

Vereinfachte Langfassung :
Also in einem Halbleiter hast du zwei Sorten von Ladungsträgern :
Löcher sind Quasi fehlende Elektronen an den Halbleiter-Atomen.
Und Elektronen sind Elektronen die zu viel an einem Atom dran sind.
Normalerweise bilden sich in z.B. Si von Natur aus je nach Temperatur ein paar Löcher und ein paar Elektronen die fröhlich im Kristallgitter rumhüpfen und sich irgendwann treffen.
Dann gibts Rekombination und Loch und Elektron heben sich gegenseitig auf.
Wenn du da jetzt Strom drauf gibts, bewegen sich Elektronen und Löcher entsprechend ihrer Ladung und du hast einen Ladungsträger-Transport, so ähnlich wie in einem Leiter.

Jetzt kommt der Clou:
Baut man in das Kristallgitter eines Halbleiters z.b. Si andere Atome ein, kannst du mit denen negative oder positive Raumladungen erzeugen.
Weil wenn das Atom weniger Protonen hat als Si bekommt es vom Gitter trotzdem so viele (Valenz)Elektronen wie Si aufgezwungen. Dann ist das Atom negativ geladen.
Hat es mehr Protonen als Si muss es eins loswerden um ins Gitter zu passen. Dann ist das Atom positiv geladen.
Natürlich kann das Atom kurzfristig mal wieder ein Elektron haben, aber um ins Gitter zu passen muss es das schnell wieder abgeben.

http://de.wikipedia.org/wiki/Dotierung
Siehe die tollen Beispiele mit Al und P-Atomen bei Wikipedia.

Packst du jetzt ein N und ein P dottiertes Stück aneinander werden Sämtliche Löcher und Elektronen aus der Übergangszone abgesaugt.
Weil ja zwischen dem P und dem N Material ein elektrisches Feld aufgebaut wird.
Das ist wie wenn bei einer Party links in der Halle der DJ und rechts die Rockband spielt.

Wenn man jetzt eine Spannung in Feldrichtung anlegt, passiert nichts, weil man ja die Trennung noch verstärkt.
Dreht man aber die Spannung um, so das die Spannung das Feld aufhebt, hat man wieder ein Stück Si-Gitter in dem sich Löcher und Elektronen wie gewohnt bewegen können.
Um auf die Analogie zurück zu kommen : Der DJ und die Band machen Pause und auf beiden Seiten läuft neutrale Musik aus der Konserve.

Und weil die Ladungen quasi nicht von Elektronen oder von Löchern sondern vom Gitter selbst kommen und sich da nix bewegen kann, kann sich da nix mischen.
Außer du schmiltzt das Si, aber das sollte ja bei einer Diode nicht passieren.
Die kommen ja net weg.

So ich hoffe mal das war jetzt nicht zu chaotisch.
Alternativ kann man das auch ganz gut mit dem Bändermodell erklären.


Gruß
Sebastian

[-schumi-]

Also Deine Protonen werden jedenfalls als "Defektelektronen" bezeichnet, oder ( in meinem Modell) als Loch. Proton ist definitiv falsch!
Da hast du natürlich Recht. Das entstand irgendwie aus "Proton ist doch das Gegenteil vom Elektron" ^^. Habs mal durch "Löcher" ersetzt um der Verwirrung vorzubeugen.



Ich stelle mir das jetzt so vor, das die N(egativgeladene)Schicht nun von der positiven Ladung angezogen wird und umgekehrt.
Ganz genau. Aber warum sollte die Ladungen sich in Enthaltsamkeit üben wenn sie unendlich geil auf einander sind? Die sollten sich doch dann vermischen weil sie sich alle gegenseitig anziehen...

Es muss ja nicht sein dass sich gleich die ganzen beiden P/N-Schichten komplett neutralisieren, aber es müssten doch neue Raumladungszonen entstehen wenn Löcher von der Diode und Elektronen von der Batterie (und andersrum) sich treffen... ?

[.:Sebastian:.]

Es muss ja nicht sein dass sich gleich die ganzen beiden P/N-Schichten komplett neutralisieren, aber es müssten doch neue Raumladungszonen entstehen wenn Löcher von der Diode und Elektronen von der Batterie (und andersrum) sich treffen... ?
Siehe mein Post (den zu schreiben hat irgendwie ewig gedauert sonst hätte ich an Abnormal angeknüpft).
Eigentlich hast du noch andere 'Sorten' von negativen und positiven Ladungen als die Löcher und Elektronen.
Die können durch Elektronen und Löcher von der Batterie ausgeglichen werden, dann hast du die Durchlassrichtung, sonst verstärkst du mit der Batterie nur den Effekt dieser 'anderen' Ladungen.

Gruß
Sebastian (der seinen Physikunterricht vermisst)

[-schumi-]

@Sebastian:
Du hast schon sehr viel mehr Klarheit in die Sache gebracht, danke! :)


Und weil die Ladungen quasi nicht von Elektronen oder von Löchern sondern vom Gitter selbst kommen und sich da nix bewegen kann, kann sich da nix mischen. Aber was soll es denn sonst für Ladungen geben? Wenn Protonen fehlen oder zu viel sind wird doch versucht das mit Elektronen auszugleichen (Protonen bekommt man ja nicht aus dem Atomkern raus).

Ich hab mal mit den von dir Verlinkten Bildchen gebastelt, das ist jetzt eine Nachaufnahme von der P-Schicht an der der Draht (Das soll das graue Zeug da sein^^) zum -Pol der Batterie dran ist:
18775
Warum versuchen die Elektronen aus dem Draht nicht sich an die Alu-Atome ranzuschmeisen?

So ganz check ichs noch nicht...

[.:Sebastian:.]

Moin

Also es stimmt schon bei deinem Bild passiert genau das was du gemalt hast.
Die Elektronen werden die negativen Ladungen ausgleichen.
Du hast dir nämlich in diesem den Betrieb der Diode in Durchlassrichtung ausgesucht.
Der Landungsausgleich ist quasi gewollt.
Wenn du die Sperrrichtung willst, musst du die andere Seite der Diode nehmen.

Ich vermute was du eigentlich meinst ist wieso die Elektronen nicht einfach da bleiben und die positive Raumladung einfach dauerhaft ausgleichen.
Man kann es sich so vorstellen, dass das Al ins Si Gitter passen muss, also darf es nur 4 Valenzelektronen haben. Die 4 mit denen es mit dem Si gebunden ist.
Hat es mehr ist das kein stabiler , sprich dauerhafter Zustand.

Allerdings kommt jetzt vermutlich gleich die nächste Frage : Warum nicht ?
Der einfachste Versuch Erklärung von mir wäre der das es der energetisch niedrigste/günstigste Zustand ist.
Und auf Atom/Quatenebene strebt immer alles so einen 'tollen' Zustand an.
Für ein normales Al außerhalb vom Gitter ist dieser Zustand mit all seinen Elektronen erreicht.

Sprich das Elektron mag das Al, aber das Al im Gitter war ohne glücklicher.
Und wenn du aufhörst Elektronen in das Si rein zu lassen stellt sich deshalb irgendwann der alte Zustand wieder her.

Man kann auch so argumentieren : Das Al musste sein Elektron abgeben um überhaupt erst ins Gitter rein zu können.
Wieso soll es dann einfach so eines wieder aufnehmen dürfen ?
Allerdings ist das irgendwie etwas an Ursache und Wirkung vorbei.

Ich hoffe mal das war halbwegs glaubwürdig und nicht zu schwammig.

An die Physiker und Chemiker da drausen : Es ist schon spät und meine letzte Physikstunde ist etwas her, falls ich irgendwo komplett daneben liege, bitte nicht hauen.
Außerdem bin ich so langsam an dem Punkt wo ich a) erstmal ne Menge Zeug über Atome Elektronen und Orbitale erklären müsste um das noch 'genauer' zu begründen
b) dafür mal kurz meine alten Physikaufzeichnungen rauskramen müsste (ist schon wieder 2 Jahre her) und c) willst du das so genau gar nicht wissen (glaub mir !).

Gruß
Sebastian

[-schumi-]

Ah, jetzt wird die Sache klar!

Dann hat unser Ausbilder bei der Erklärung die Diode immer falsch rum reingesetzt. Hab noch mal geGimpt, stimmt das so?

1. Augenblick direkt nach dem Zusammenfügen der N- & P-Schicht
http://dl.dropbox.com/u/19005544/Dioden/Diode_grundaufbau.png
2. Daraufhin gleichen sich die Ladungen an dem Übergang selbst aus:
http://dl.dropbox.com/u/19005544/Dioden/Diode_grundaufbau_mit_RLZ.png
3. In Flussrichtung passiert dann das hier:
http://dl.dropbox.com/u/19005544/Dioden/Diode_Flussrichtung.png
4. Und in Sperrrichtung schaugts so aus:
http://dl.dropbox.com/u/19005544/Dioden/Diode_Sperrrichtung.png

Dann würde das ganze schon mehr Sinn ergeben.

Vielen, vielen Dank für deine Mühe! :)

Gruß
schumi

[.:Sebastian:.]

Moin

Ja im Prinzip stimmt das so.
Nur musst du halt noch bedenken das sich zwischen dem N und dem P ein elektrisches Feld aufbaut.
Also zusätzlich zu dem das sich da Ladungen ausgleichen.
Im Prinzip so wie im Kondensator.
Dadurch erreichst du, das alle beweglichen Landungsträger (Elektronen und Löcher) aus dem Übergangsbereich rausgezogen werden.
Weil das Feld ist eigentlich der ja eigentlich Trick mit dem der Übergang nur in eine Richtung leitet.

Gruß
Sebastian