5.1 LED's bestehen aus Halbleitern
Bei Halbleitern sind im Grunde alle Elektronen damit beschäftigt, sich mit einem Nachbaratom zu binden. Allerdings kann manchmal ein einzelnes Elektron aus diesem Gitter herausgeschlagen werden, durch Licht oder Spannung. Dann bleibt ein Loch, das von einem Nachbaratom gefüllt werden kann. Das hinterlässt dann wieder ein Loch und so weiter ... . Und so können auch Halbleiter ein wenig Strom leiten. In einer zweidimensionalen Darstellung könnte das so aussehen:
Dreidimensional sieht so ein Kristall natürlich viel komplizierter aus: Die Elektronenbindungen sind in dem folgenden Bild als graue Stangen dargestellt:
Dotierte Halbleiter
Der Halbleiter Silizium hat 4 Valenzelektronen, d.h. 4 Elektronen, mit denen er sich mit seinen jeweils 4 Nachbaratomen verbindet.
Bei einem p-dotierten Halbleiter ist so ein Kristall bewusst mit Fremdatome "verschmutzt" worden, die nur drei Valenzelektronen haben. Hier bleibt also bei einem Siliziumarom in der Nachbarschaft ein Elektron ohne einen Bindungspartner, hier ist so etwas wie ein "Loch". Solche Löcher können wie Teilchen betrachtet werden. Ein benachbartes Elektron kann in diese Loch springen und dann ist das Loch ein Atom weiter gewandert. in p-dotierten halbleitern gibt es daher so etwas wie "Löcherleitung".
Bei einem n-dotierten Halbleiter ist so ein Kristall bewusst mit Fremdatome "verschmutzt" worden, die fünf Valenzelektronen haben. Hier bleibt also ein Elektron des Frendatoms ohne Bindung mit einem Siliziumatom. Dieses Elektron kann sich daher relativ frei im Halbleiterkristall bewegen.
Beide Dotierungsarten führen dazu, dass die Halbleiter etwas leitfähiger werden. Etwas Besonderes entsteht aber dann, wenn man unterschiedlich dotierte Halbleiter miteinander verbindet:
Der p-n-Übergang
Wenn man zwei solche Materialien zusammenbringt, dann wandern die leicht gebundenen Elektronen des n-dotierten Halbleiters in die "Löcher" auf der p-dotierten Seite. Dadurch entsteht auf der p-dotierten Seite ein Elektronenüberschuss, also negative Ladung und auf der anderen Seite ein Elektronenmangel - eine positive Ladung:
Dadurch entsteht in so einem p-n-Übergang eine Grenzschicht aus positiven und negativen Ladungen. Diese Grenzschicht zeichnet sich dadurch aus, dass sie keine "überzähligen" Elektronen hat und auch keine "Löcher". Daher leitet diese Grenzschicht nur sehr schlecht elektrischen Strom.
Backlinks:
2 Physikbücher:BGPhysik13-1:5 Funktionsweise einer LED
2 Physikbücher:BGPhysik13-1:5 Funktionsweise einer LED:5.2 LED's sind Dioden