Den umgekehrten Vorgang der Paarbildung, d.h. die Vereinigung eines Elektrons mit einem Loch, nennt man Regeneration oder Rekombination.

Die Temperaturabhängigkeit der Intrinsic-Dichte - bei Dioden, Thyristoren und Transistoren eine unerwünschte Nebenerscheinung - erlaubt den Bau temperaturabhängiger Widerstände (Heißleiter), die im Gegensatz zu metallischen Widerständen einen negativen Temperaturkoeffizientenaufweisen.

Außer durch Wärmeenergie kann ein Valenzelektron auch durch Zufuhr von Strahlungsenergie in das Leitungsband gehoben werden. Diese Erscheinung nennt man inneren fotoelektrischen Effekt und findet in Fotowiderständen, Fotodioden, Fotothyristoren und Fototransistoren vielfältige technische Anwendung.

Bei Zimmertemperatur treten also in einem reinen Halbleiter bereits im Leitungsband freie Elektronen auf, die sich bei vorhandener elektrischer Feldstärke in Richtung des positiven Potentials durch das Kristallgitter bewegen. Es entsteht ein Elektronenstrom mit der Beweglichkeit µ_n .Die Beweglichkeit µ gibt an, welchen Weg die Träger in einer Sekunde zurücklegen würden, wenn sie sich in einem elektrischen Feld der Stärke 1 V/cm befänden. Im Valenzband kann aus einer Nachbarbindung zum Loch ein Elektron herausspringen, hinterläßt dort ein Loch und regeneriert mit dem ursprünglichen Defektelektron. Tritt dieser Vorgang mehrfach hintereinander auf, natürlich ebenfalls in der Art, daß die Einzelelektronenbewegungen in Richtung des positiven Potentials gerichtet sind, dann springt zwar jedes an der Bewegung beteiligte Elektron nur einmal aus einer in eine andere Bindung; es scheint aber ein Loch in Richtung des negativen Potentials zu wandern: Es entsteht also auch ein Löcherstrom, und zwar mit einer Beweglichkeit µ_p< µ_n was aus dem angedeutetem Bewegungsmechanismus wohl einleuchtend hervorgeht.

Die Elektronenbeweglichkeit in Germanium ist fast 80mal größer als bei Kupfer. Das resultiert daraus, daß sich die Ladungsträger bei Kupfer, bedingt durch ihre hohe Dichte, in ihrer Beweglichkeit stark behindern.

Störstellenleitung

Aus der Halbleitertechnik ist bekannt, daß Dioden, Transistoren, Thyristoren usw. relativ hohe Ströme führen können, z.B. Leistungsdioden und Thyristoren bis über 1000 A. Dazu muß der Halbleiter jedoch leitfähig sein, was er von Natur aus nicht ist.

Eine von mehreren Möglichkeiten, die Leitfähigkeit zu vergrößern, besteht in gewollten geringfügigen Verunreinigungen des Halbleiters mit Stoffen höherer oder niedrigerer Wertigkeit als die des Ausgangsmaterials. Man nennt diesen Vorgang Dotieren, wobei die Fremdatome dann Gitterplätze anstelle der Halbleiteratome einnehmen.

Ersetzt man einige Atome in einem reinen Germanium- bzw. Silizium-Kristall durch Atome mit fünf Valenzelektronen (z. B. Arsen, Antimon), dann gehen vier Elektronen Valenzbindungen mit den benachbarten Halbleiteratomen ein, während das fünfte ungebunden und sehr leicht von seinem Atom abzutrennen ist (Abbildung 5). Dabei läßt es nicht ein bewegliches positives Defektelektron, sondern ein unbewegliches positiv geladenes (ionisiertes) Atom zurück. Es wird im Gegensatz zur thermischen Ladungsträgerpaarerzeugung nur ein Leitungselektron erzeugt. In einem mit fünfwertigen Atomen oder „Donatoren“ versetzten Germanium bzw. Silizium existieren daher neben den Leitungs- und Defektelektronen thermischen Ursprungs zusätzlich Leitungselektronen von Donatoren. Man spricht von einem N-Halbleiter, weil die Anzahl der negativen beweglichen Ladungsträger n größer ist als die der positiven beweglichen Ladungsträger p. Einige der von den Donatoren stammenden Leitungselektronen rekombinieren mit den thermisch erzeugten Löchern, d.h., wenn n steigt, sinkt p.

Baut man umgekehrt dreiwertige Atome oder „Akzeptoren“ (z.B. Gallium, Indium) in den Halbleiterkristall (Abbildung 6) ein, steigt die Zahl der Defektelektronen, denn Atome dreiwertiger Elemente bringen ein Valenzelektron zu wenig mit, um die vier Valenzen der Nachbaratome abzusättigen. Sie ziehen daher Valenzelektronen aus ihrer Nachbarschaft an, die dann ein Loch in einem Ge- bzw. Si-Atom hinterlassen. Einen Halbleiter, in dem die positiven beweglichen Ladungsträger dominieren, nennt man P-Halbleiter.

In der folgenden Tabelle ist die Herkunft der einzelnen Ladungsträger bei einem N- bzw. einem P-Halbleiter gegenübergestellt.

Die in der Praxis brauchbaren Fremdzusätze sind sehr gering: Auf 10⁴ bis 10⁸ Germanium bzw. Silizium-Atome kommt nur ein Fremdatom. Die Anforderungen an die Reinheit des Ausgangsmaterials sind dementsprechend hoch.

Tabelle : Ladungsträger bei einem N- und einem P-Halbleiter

	Majoritätsträger	Minoritätsträger
N-Halbleiter	Leitungs elektronen : a) von Donatoren b) thermischen Ursprungs	Defekt elektronen : thermischen Ursprungs
P-Halb leiter	Defekt elektronen : a) von Akzeptoren b) thermischen Ursprungs	Leitungs elektronen : thermischen Ursprungs

Das Energieniveau W_D das dem überzähligen Valenzelektron eines Donatoratoms im Kristallverband zukommt, liegt knapp unterhalb des Leitungsbandes (Abbildung 7), da dieses Elektron mit geringstem Energieaufwand vom Donator abgetrennt und in das Leitungsband gehoben werden kann . Bei 300 K sind daher praktisch alle Donatoren ionisiert. In analoger Weise läßt sich auch einem Elektron, welches als viertes Valenzelektron eines Akzeptoratoms im Gitterverband fungiert, ein Energieniveau W_A zuordnen (Abbildung 8). Ein Germanium- bzw. Silizium-Valenzelektron kann mit geringem Energieaufwand das fehlende Valenzelektron im Akzeptoratom ersetzen und dabei ein Loch im Valenzband hinterlassen. W_A liegt deshalb knapp über dem Valenzband.

Bei Zimmertemperatur sind praktisch alle Akzeptoren ionisiert. Die Störstellenleitfähigkeit mit Fremdatomen durchsetzten Halbleiter liegt um Größenordnungen über der Eigenleitfähigkeit und erreicht Werte, die mit denen von Metallen vergleichbar sind.

Elektronentheoretische Deutung des Stromes in Metallen und Halbleitern

Die freien Elektronen im Leitungsband verhalten sich ähnlich wie Gasmoleküle, indem sie sich ungeordnet durch die Maschen des Gitters des Elementes bewegt. Sie führen eine thermische Schwirrbewegung aus. Da die Elektronen bei ihrer Bewegung auch untereinander zusammenstoßen und nach dem Stoß mit veränderter Geschwindigkeit und Richtung auseinanderfliegen, ändern die einzelnen Elektronen dauernd ihre Geschwindigkeit.

Es ist einzusehen, daß durch die Temperaturbewegung allein kein Strom entstehen kann, denn die Schwirrbewegungen der Elektronen sind, statistisch über eine bestimmte Zeit betrachtet, als Kreisprozeß anzusehen (Abbildung 9a).

Tritt nun im betrachteten Element zusätzlich eine elektrische Feldstärke E auf, so wird die Temperaturbewegung der Elektronen zum positiven Potential hin gerichtet sein. In Abbildung 9b ist angedeutet, daß entgegen der Feldrichtung eine Geschwindigkeit auftritt, die proportional der Feldstärke ist. Man nennt sie Driftgeschwindigkeit.

Der elektrische Strom ist also auf die Driftbewegung von freien Elektronen, welche unter der Wirkung eines elektrischen Feldes erfolgt, zurückzuführen.

Definitionsgemäß tritt bei einer Bewegung von Elektronen ein elektrischer Strom auf, der der Bewegungsrichtung der Elektronen entgegengesetzt ist Anders ist es bei einem Defektelektron-Teilchenstrom, wie er in Halbleitern vorkommt.  Unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes fließen die Defektelektronen aufgrund der unterschiedlichen Ladung in Richtung des elektrischen Feldes, während die Elektronen ja entgegen der Feldrichtung fließen. In Halbleitern sind Elektronen und Defektelektronen gleichzeitig vorhanden.  Die Strombeiträge der Elektronen und Defektelektronen addieren sich immer.  Man nennt die beiden Ströme Feldströme, da sie unter der Wirkung eines elektrischen Feldes zustande kommen.

In Halbleiterbauelementen tritt häufig ein Ladungsträger-Dichtegefälle auf.  Es kann nun eine gerichtete Ladungsträgerbewegung, d. h. ein elektrischer Strom, dadurch entstehen, daß die Teilchen versuchen, das Dichtegefälle durch Diffusion auszugleichen.

In Abbildung 10 ist ein Ladungsträger-Dichtegefälle in einem Halbleiter schematisch dargestellt. m bedeutet die Teilchendichte und x den Weg.

Der Teilchen-Diffusionsstrom ist dem Konzentrationsgefälle proportional.

Bei gleichgerichtetem Konzentrationsgefälle sind die elektrischen Stromanteile der Elektronen und Defektelektronen einander entgegengesetzt gerichtet.

PN-Übergang

Die Halbleiterdiode besteht im Prinzip aus einem Halbleiterkristall, der auf der einen Seite P- und auf der anderen Seite N-dotiert ist. In Abbildung 11 ist in ein aus einem Einkristall herausgeschnittenen Germaniumscheibchen von der linken Seite her Indium (Akzeptor) und von der rechten Seite her Antimon (Donator) eindiffundiert worden.  Als Grenze zwischen den so entstandenen P- und N-dotierten Zonen bildet sich ein sogenannter PN-Übergang aus.  Im P-dotierten Gebiet stehen freie positive Ladungsträger und im N-dotierten freie negative Ladungsträger für den elektrischen Strom zur Verfügung.  In der Nähe der Grenzschicht diffundieren infolge des Konzentrationsunterschiedes P-leitende Löcher in das N-leitende Gebiet und genauso N-leitende Elektronen in das P-leitende Gebiet.

Während sich in der Grenzschicht die Majoritätsladungsträger weitgehend neutralisieren, bleiben die in das Kristallgitter eingebauten Störstellen, die ja unbewegliche Ladungsträger sind, zu beiden Seiten der Grenze zurück (Abbildung 11a).  Aus der Trennfläche wird eine dünne elektrische Doppelschicht mit positiver Ladungsbelegung auf der N-Seite und negativer Ladungsbelegung auf der P-Seite.  Das auf diese Weise am PN-Übergang entstehende elektrische Feld zieht alle beweglichen Ladungsträger aus der Trennfläche heraus und schafft hiermit eine Übergangsschicht stark reduzierter Leitfähigkeit.  Die Feldstärke E, bzw. die Spannung U, zwischen P- und N-Halbleiter ist so gerichtet, daß sie den Übergang von weiteren Majoritätsladungsträgern erschwert.  Sobald aber ein Minoritätsladungsträger in den Wirkungsbereich der Doppelschicht gerät, wird er vom elektrischen Feld erfaßt und auf die andere Seite gezogen.  Im Gleichgewichtszustand wird daher der Diffusionsstrom kompensiert durch einen in entgegengesetzter Richtung fließenden Strom, der aus Minoritätsladungsträgern besteht (Feldstrom).

Wird nun von außen an das P-dotierte Gebiet eine gegenüber dem N-dotierten Gebiet negative Spannnung angelegt (Abbildung 11b), so wird die Diffusionsspannung unterstützt. Die beweglichen Ladungsträger werden daher aus dem Grenzgebiet herausgesaugt. Die Raumladungszonen dehnen sich aus, bis der durch sie erzeugte Potentialunterschied im wesentlichen gleich der angelegten Spannung ist. Da innerhalb der Raumladungszone praktisch keine beweglichen Ladungsträger

vorhanden sind, ist der Widerstand groß, und es kann kein Strom fließen: der PN-Übergang sperrt.

Bei umgekehrter Polarität der angelegten Spannung (Abbildung 11c) werden die beweglichen Ladungsträger durch das elektrische Feld in die Raumladungszone geschwemmt, wodurch die Trägerverarmung am PN-Übergang beseitigt wird.  Hierbei diffundieren Löcher in das N-dotierte und Elektronen in das P-dotierte Gebiet.  Durch Rekombination mit den Majoritätsladungsträgern nimmt ihre Konzentration mit zunehmender Entfernung von PN-Übergang ab.  Da eine kleine Spannung große Ströme durch den PN-Übergang treiben kann, bezeichnet man diesen als durchlässig.

Der PN-Übergang zeigt die Eigenschaften eines elektrischen Ventils (Diode).  Er ist in der Lage, in Sperrichtung eine hohe Spannung aufzunehmen und in Durchlaßrichtung einen hohen Strom zu führen.

Ladungsträgerdichten

In Abbildung 13 sind die Ladungsträgerdichten in den beiden Halbleiterzonen für die Fälle U=0, U>0 und U<0 dargestellt.  In der Durchlaßrichtung (U>0) ist die Minoritäts- und Majoritätsladungsträgerdichte am Rand der Doppelschicht gegenüber dem Gleichgewichtszustand (U=0) angehoben.  Der in Durchlaßrichtung gepolte PN-Übergang „injiziert“ Ladungsträger in das Kristallinnere.  Diese Injektion bildet die Grundlage des Transistoreffektes.  In der Sperrichtung (U<0) ist die Zahl der Ladungsträger am Rand der Doppelschicht gesenkt.

Diodenkennlinie

Der Strom, der beim Anlegen einer äußeren Spannung durch die Diode fließt, wird von Elektronen und Defektelektronen gebildet: Jeder Ladungsträger, der die P-Zone verläßt, wandert in die N-Zone ein und umgekehrt.

Den Knick nennt man Schwellenspannung. Er erklärt sich aus der Difussionsspannung (Abbildungen 11 und 12)