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Eine '''Raumladungszone''' (RLZ), auch '''Verarmungszone''' oder '''Sperrschicht''' genannt, ist im Übergang zwischen unterschiedlich [[Dotierung|dotierten]] [[Halbleiter]]n ein Bereich, in dem sich [[Raumladung]]en mit Überschuss und Mangel an [[Ladungsträger (Physik)|Ladungsträgern]] gegenüberstehen, so dass diese Zone im Gleichgewichtsfall nach außen ladungsneutral erscheint. Je nach [[Polarität (Physik)|Polarität]] einer von außen angelegten [[elektrischeElektrische Spannung|elektrischen Spannung]], damit verknüpft ergeben sich unterschiedliche Konfigurationen an [[elektrischesElektrisches Feld|elektrischeelektrischen FeldkonfigurationenFeldern]] und dadurch im Bereich der Verarmungszone, isteine dieser Bereich im Halbleiter gutgute oder aber nur sehr schwachschwache elektrisch[[elektrische leitfähig.Leitfähigkeit]] (es "sperrt").
Dieser physikalische Effekt stellt die Grundlage für die [[Gleichrichter|gleichrichtende]] Funktion des Halbleiterbauelements einer[[Halbleiterbauelement]]s [[Diode]] dar. Neben DiodenDaneben spielen Raumladungszonen auch in anderen elektronischen Bauelementen wieeine grundlegende Rolle, z. B. in [[Bipolartransistor]]en oder in [[Sperrschicht-Feldeffekttransistor]]en eine grundlegende Rolle.
== Entstehung ==
[[Datei:Pn Junction Diffusion and Drift.svg|thumb|rightmini|Oben der p-n-Übergang vor dem Diffusionsprozess, darunter nach dem Diffusionsausgleich im Gleichgewicht und aufgebauten elektrischen Feld im Bereich der RLZ]]
[[Datei:PNjunction2.png|thumbmini|[[Banddiagramm]] eines p-n-Übergangs]]
Wenn zwei unterschiedlich dotierte HalbleitermaterialenHalbleitermaterialien, ein n- und ein p-dotierter Halbleiter, räumlich engin zusammengebrachtKontakt gebracht werden, entsteht ein sogenannter [[p-n-Übergang]]. In demIm n-Bereich liegt ein Überschuss an negativ geladenen [[Elektron]]en vor, im p-Bereich ein Überschuss an positiv geladenen [[Defektelektron]]en, auch als ''Löcher'' bezeichnete positiv geladene Störstellen im Halbkleiterkristall. Durch den [[Konzentrationsgefälle|KonzentrationsgradientStörstelle]] von Ladungsträgernn im Übergangsbereich zwischen n- und p-Bereich kommt es zu einer [[Diffusion]] von Ladungsträger: Elektronen aus dem n-Bereich wandern in den p-dotierenden Halbleiter, Defektelektronen diffundieren in den n-dotierten Halbleiter. Die Ladungsträger [[Rekombination (Physik)|rekombinieren]] dort mit dem jeweils anderen LadungsträgertypHalbleiterkristall.
Durch den [[Konzentrationsgefälle|Konzentrationsgradient]] von Ladungsträgern im Übergangsbereich zwischen n- und p-Zone kommt es zu einer [[Diffusion]] von Ladungsträgern: Elektronen aus dem n-Bereich wandern in den p-dotierten Halbleiter, Defektelektronen diffundieren in den n-dotierten Halbleiter ([[Diffusionsstrom]]). Die Ladungsträger [[Rekombination (Physik)|rekombinieren]] dort mit dem jeweils anderen Ladungsträgertyp. In Summe bildet sich damit im Übergangsbereich im p-Halbleiter ein Überschuss an negativer Raumladung, im n-Halbleiter ein Überschuss an positiver Raumladung; die so gebildete Raumladungszone verarmt in Folge der Rekombination freier (beweglicher) Ladungsträger.
In Summe bildet sich damit im Übergangsbereich im p-Halbleiter ein Überschuss an negativer Raumladungen, im n-Halbleiter ein Überschuss an positiven Raumladung, die so gebildete Raumladungszone verarmt zufolge der Rekombination an freien (beweglichen) Ladungsträgern. Das dadurch gebildete elektrische Feld in der Raumladungszone wirkt einer weiteren Diffusion von Ladungsträgern aus den beiden Zonen entgegen, da das Feld einen entgegengesetzten [[Drift]]strom erzeugt. Es bildet sich ein Gleichgewichtsfall in dem sich Diffusionsstrom und Driftstrom von Ladungsträgern das Gleichgewicht halten, wie in nebenstehender Abbildung an der räumlichen Verteilung und im Feldverlauf dargestellt. Da Diffusionsprozesse stark temperaturabhängig sind, verändert sich die Größe der Raumladungszone in Folge von Temperaturänderungen. ▼Von außen betrachtet ist die RLZ im Gleichgewicht feldfrei. Es gibt keinen Potentialgradienten der Ladungsträger über sie hinweg transportiert.
▲In Summe bildet sich damit im Übergangsbereich im p-Halbleiter ein Überschuss an negativer Raumladungen, im n-Halbleiter ein Überschuss an positiven Raumladung, die so gebildete Raumladungszone verarmt zufolge der Rekombination an freien (beweglichen) Ladungsträgern. Das dadurch gebildete [[elektrisches Feld|elektrische Feld ]] in der Raumladungszone wirkt einer weiteren Diffusion von Ladungsträgern aus den beiden Zonen entgegen ([[Antidiffusionsspannung]]), da das Feld einen entgegengesetzten [[Drift]]strom''Driftstrom'' erzeugt. Es bildet sich ein Gleichgewichtsfall , in dem sich Diffusionsstrom und Driftstrom von Ladungsträgern das Gleichgewicht halten, wie in nebenstehender Abbildung an der räumlichen Verteilung und im Feldverlauf dargestellt. DaVon Diffusionsprozesseaußen starkbetrachtet temperaturabhängigist sind,die RLZ verändertim sichGleichgewicht diefeldfrei; Größees gibt ''keinen'' Potentialgradienten, der RaumladungszoneLadungsträger inüber Folgesie vonhinweg Temperaturänderungentransportiert.
Wird an den beiden Halbleiterschichten von aussen eine elektrische Spannung angelegt, diese Spannung ergibt ein zusätzliches elektrisches Feld im Halbleiter welches dem elektrischen Feld der Raumladungszone im Gleichgewichtsfall überlagert ist, lassen sich zwei wesentlich Fälle unterscheiden, welche für die grundlegende Funktionen von elektronischen Bauelementen wie Dioden bestimmend sind: ▼
Da Diffusionsprozesse stark temperaturabhängig sind, verändert sich die Größe der Raumladungszone in Folge von Temperaturänderungen.
# Im Sperrfall, es wird der p-Halbleiter mit einer negativen Spannung gegenüber dem n-Halbleiter beaufschlagt, verstärkt sich die elektrische Feldstärke im Bereich der Raumladungszone. Die Raumladungszone nimmt in der Größe zu, der Driftstrom nimmt in Folge zu und der Diffusionsstrom nimmt ab bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt. Da die Dichte an freien Ladungsträgern in der Raumladungszone gering bleibt, ist die elektrische Leitfähigkeit gering und auf einen kleinen [[Sperrstrom]] beschränkt. Wird die externe Spannung weiter gesteigert kommt es, je nach Aufbau des Halbleiters, zu verschiedenen Durchbrüchen wie den [[Zener-Effekt]] und bei größeren Feldstärken zu dem [[Lawinendurchbruch]]. Diese Durchbruchseffekte können unkontrolliert zur Zerstörung des Halbleitermaterials führen oder auch gezielt angewendet werden, wie es bei den [[Zener-Diode]]n der Fall ist. ▼# Im Durchlassfall, es wird der p-Halbleiter mit einer positiven Spannung gegenüber dem n-Halbleiter beaufschlagt, verringert sich die Raumladungszone, da das durch die etxerne Spannung ausgelöste elektrische Feld dem elektrischen Feld der Raumladungszone entgegen wirkt. Ab einer vom Halbleitermaterial abhängigen [[Schwellenspannung]] verschwindet die Raumladungszone, der Diffusionsstrom nimmt exponentiell und stark steigend zu, der Driftstrom nimmt ab. Die Dichte an freien Ladungsträgern nimmt in der Übergangszone stark zu, der p-n-Übergang ist elektrisch gut leitfähig. Die mathematische Beschreibung erfolgt in diesem Fall durch die [[Shockley-Gleichung]]. ▼
== Verhalten beim Anlegen einer externen Spannung ==
Raumladungszonen bilden sich neben n- und und p-dotierenden Halbleiter auch an [[Metall-Halbleiter-Kontakt]]en aus und können zu gleichrichtenden Verhalten dieser Kontakte führen, dem sogenannten [[Schottky-Kontakt]] welcher in [[Schottky-Diode]]n Anwendung findet. Durch die hohe Anzahl von freien Elektronen im Metall beschränkt sich die Raumladungszone allerdings fast nur auf das entsprechende Halbleitergebiet. ▼▲Wird an den beiden Halbleiterschichten von aussenaußen eine elektrische Spannung angelegt, dieseso Spannungbewirkt ergibtdies zusätzlich zum Feld der Raumladungszone im Gleichgewichtsfall ein zusätzlichesweiteres elektrisches Feld im Halbleiter . welchesBeide demFelder elektrischenüberlagern Feldsich. derJe Raumladungszonenach imPolarität Gleichgewichtsfallder überlagertexternen ist,Spannung lassen sich zwei wesentlichwesentliche Fälle unterscheiden, welche für die grundlegendegrundlegenden Funktionen von elektronischen Bauelementen wie Dioden bestimmend sind:
▲# Im Sperrfall , es wird (der p-Halbleiter wird mit einer negativen Spannung gegenüber dem n-Halbleiter beaufschlagt ,) verstärkt sich die [[elektrische Feldstärke ]] im Bereich der Raumladungszone und führt zu einem erhöhten Driftstrom. Die Raumladungszone nimmt in der Größe zu, der Driftstrom nimmt in Folge zu und der Diffusionsstrom nimmt ab bis sich ein neues Gleichgewicht einstellt. Da die Dichte an freien Ladungsträgern in der Raumladungszone gering bleibt, ist die elektrische Leitfähigkeit gering und auf einen kleinen [[Sperrstrom]] beschränkt. <br />Wird die externe Spannung weiter gesteigert , kommt es, je nach Aufbau des Halbleiters, zu verschiedenen Durchbrüchen wie dendem [[Zener-Effekt]] und bei größeren Feldstärken zu demzum [[Lawinendurchbruch]]. Diese Durchbruchseffekte können unkontrolliert zur Zerstörung des Halbleitermaterials führen oder auch gezielt angewendet werden, wie es bei den [[ ZenerZ-Diode]]n dergezielt Fallangewendet istwerden.
▲# Im Durchlassfall , es wird (der p-Halbleiter wird mit einer positiven Spannung gegenüber dem n-Halbleiter beaufschlagt ,) verringert sich die Raumladungszone, da das durch die etxerneexterne Spannung ausgelöste elektrische Feld dem elektrischen Feld der Raumladungszone entgegen wirktentgegenwirkt. AbDer einer vom Halbleitermaterial abhängigen [[Schwellenspannung]] verschwindetdurch die Raumladungszone,RLZ derverursachte DiffusionsstromDriftstrom nimmt exponentiellab und stark steigend zu, der DriftstromDiffusionsstrom nimmt abdominiert. Die Dichte an freien Ladungsträgern in der Übergangszone nimmt inmit der Übergangszoneexternen Spannung stark zu, der p-n-Übergang ist elektrisch gut leitfähig. Die mathematische Beschreibung erfolgt in diesem Fall durch die [[Shockley-Gleichung]].
== Metall-Halbleiter-Kontakt ==
▲Raumladungszonen bilden sich neben n- und und p- dotierendendotierten HalbleiterHalbleitern auch an [[Metall-Halbleiter-Kontakt]]en aus und können zu gleichrichtendengleichrichtendem Verhalten dieser Kontakte führen, dem sogenannten [[Schottky-Kontakt]] , welcher in [[Schottky-Diode]]n Anwendungangewendet findetwird. Durch die hohe Anzahl von freienfreier Elektronen im Metall beschränkt sich die Raumladungszone allerdings fast nur auf das entsprechende Halbleitergebiet.
== Literatur ==
*{{Literatur
|Autor = Robert F. Pierret
|Titel = Semiconductor Device Fundamentals
|Auflage=2.
|Verlag = Addison Wesley | Auflage = 2. | Jahr = 1996 | ISBN = 978-0-20154393-3 }}
|Verlag=Addison-Wesley
|Datum=1996
|ISBN=978-0-201-54393-3}}
*{{Literatur
|Autor=Holger Göbel
|Titel=Einführung in die Halbleiter-Schaltungstechnik
|Auflage=2., bearb. und erw.
|Verlag=Springer
|Ort=Berlin/Heidelberg
|ISBN=3540340297
|Datum=2006}}
{{Normdaten|TYP=s|GND=4473468-2}}
== Weblinks ==
* [http://olli.informatik.uni-oldenburg.de/weTEiS/weteis/diode1.htm Java-Simulationen]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Kategorie:MikroelektronikHalbleiterelektronik]]
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