Raumladungszone
Eine Raumladungszone (RLZ), auch Verarmungszone oder Sperrschicht genannt, ist in Halbleitern ein Bereich, in dem sich Raumladungen mit Überschuss und Mangel an Ladungsträgern gegenüberstehen, so dass diese Zone nach außen ladungsneutral erscheint.
Entstehung
Die RLZ entsteht durch Diffusion der Ladungsträger in das jeweilig anders dotierte Gebiet (siehe p-n-Übergang), Ursache ist der durch die unterschiedliche Dotierung vorhandene Konzentrationsgradient von Ladungsträgern. Dadurch bildet sich zwischen diesen Raumladungen im Inneren des Kristalls ein elektrisches Gegenfeld aus, das der weiteren Diffusion von beweglichen Ladungsträgern entgegen wirkt, da es einen entgegengesetzten Driftstrom erzeugt.
Die Breite der RLZ ist temperaturabhängig und lässt sich zusätzlich über eine von außen angelegte Spannung gezielt verändern. Wird eine vom n-Gebiet zum p-Gebiet gerichtete Spannung angelegt (höheres elektrisches Potential am n-Gebiet), so wird die RLZ mit zunehmender Spannung breiter. Wird hingegen eine dazu entgegengerichtete Spannung angelegt, wirkt diese der Diffusionsspannung entgegen und das elektrische Gegenfeld wird abgebaut. Die RLZ wird mit zunehmender Spannung schmaler, bis der p-n-Übergang leitfähig wird.
Raumladungszonen bilden sich ebenfalls an Metall-Halbleiter-Kontakten aus und können zu gleichrichtenden Verhalten dieser Kontakte führen (Schottky-Kontakt). Durch die hohe Anzahl von Elektronen im Metall beschränkt sich die RLZ allerdings fast nur auf das entsprechende Halbleitergebiet.
Berechnung der Weite der RLZ
- $ w_{\mathrm {RLZ} }=x_{\mathrm {n} }+x_{\mathrm {p} }={\sqrt {{\frac {2\epsilon }{q}}\cdot {\frac {N_{\mathrm {A} }+N_{\mathrm {D} }}{N_{\mathrm {A} }N_{\mathrm {D} }}}\cdot (U_{\mathrm {D} }-U)}} $
- $ x_{\mathrm {p} }={\sqrt {{\frac {2\epsilon }{q}}\cdot {\frac {N_{\mathrm {D} }}{N_{\mathrm {A} }}}\cdot {\frac {1}{N_{\mathrm {A} }+N_{\mathrm {D} }}}\cdot (U_{\mathrm {D} }-U)}} $
- $ x_{\mathrm {n} }={\sqrt {{\frac {2\epsilon }{q}}\cdot {\frac {N_{\mathrm {A} }}{N_{\mathrm {D} }}}\cdot {\frac {1}{N_{\mathrm {A} }+N_{\mathrm {D} }}}\cdot (U_{\mathrm {D} }-U)}} $
mit:
- $ U $ der angelegten Spannung
- $ U_{\mathrm {D} } $ die Diffusionsspannung, manchmal auch als „built-in“-Spannung $ U_{\mathrm {bi} } $ bezeichnet
- $ w_{\mathrm {RLZ} } $ der Weite der Raumladungszone
- $ x_{\mathrm {n} } $ der Rand der Raumladungszone im n-dotierten Gebiet
- $ x_{\mathrm {p} } $ der Rand der Raumladungszone im p-dotierten Gebiet
- $ N_{\mathrm {A} } $ der Akzeptorkonzentration im p-dotierten Gebiet
- $ N_{\mathrm {D} } $ der Donatorkonzentration im n-dotierten Gebiet
- $ \epsilon $ der Dielektrizitätskonstante
- $ q $ der elektrischen Ladung