Bild 1: Prinzipieller Aufbau einer Halbleiterdiode
Man bringt also einfach n- und p-dotiertes Halbleitermaterial in Kontakt zueinander, und schließt an die beiden Halbleiterschichten jeweils ein Kabel an. Ohne äußere Spannung befinden sich im n-dotierten Material eine ganze Reihe von negativ geladene Stellen und in p-dotierten Material positiv geladene. Positiv geladene Stellen heißt hier, daß dort ein (negativ geladenes) Elektron fehlt. Man spricht man auch von Loch. Die Anzahl der freien Elektronen und der Löcher ist eine Materialkonstante und ändert sich nicht. Man kann daher nicht die Löcher mit Elektronen "zuschütten" oder die freien Elektronen aus dem Material entfernen. Man kann durch Anlegen von elektrischen Feldern lediglich ihre Position im Material beeinflussen.
Ohne äußere Spannung passiert noch nichts. Legt man an die
Diode eine Spannung derart gepolt an, daß das n-dotierte Material
mit dem Positven und das p-dotierte Material mit dem negativen Pol verbunden
ist, so sperrt die Diode. Der Grund hierfür ist, daß sich ähnlich
wie bei Magneten gleiche Ladungen abstoßen und unterschiedliche anziehen.
Elektronen sind immer negativ geladen und stoßen sich daher ab. Verbindet
man das n-dotierte Halbleitermaterial der Diode mit dem positiven Pol einer
externen Spannungsquelle, so wandern die Elektronen wegen der Anziehung
in Richtung dieses Pols. Gleichzeitig wandern die Löcher aus dem gleichen
Grund in Richtung des negativen Pols. Dadurch gibt es in der Mitte der
Diode überhaupt keine freien Ladungen, weder Elektronen noch Löcher.
Ohne frei bewegliche Ladungen gibt es aber keinen Stromfluß. Somit
kann in dieser Richtung kein Strom fließen. Dieser Sachverhalt ist
in
Bild 2: Halbleiterdiode in Sperrichtung
Polt man die Diode jedoch um, wirken ebenfalls Anziehung und Abstoßung.
Dieses Mal werden die Elektronen im n-dotierten Material durch die Elektronen
der Spannungsquelle in Richtung Mitte verdrängt, wo sie den positiv
geladenen Löchern (Loch heißt fehlendes Elektron!) sehr nahe
kommen und mit nur wenig Energie d.h. Spannungsdifferenz auf eine Lochposition
springen und dieses ausfüllen. Im p-dotierten Material passiert das
Gleiche: Die positiv geladenen Löcher werden in Richtung Mitte gedrückt,
wo sie einfach verschwinden, weil die Lochstellen von Elektronen aus der
n-dotierten Seite besetzt werden, wie in
Bild 2: Halbleiterdiode in Flußichtung
Für jedes Paar aus Elektron und Loch, das in der Mitte, der sogenannten
Sperrschicht, verschwindet, kann ein weiteres Elektron in das n-dotierte
Material nachfließen und wird sofort in Richtung Mitte gedrückt.
Auf der anderen Seite passiert das Gleiche mit einem Loch. Doch halt: Löcher
können nicht einfach durch den metallischen Anschlußdraht fließen,
so wie dies im obigen Bild dargestellt ist. Aber Löcher, d.h. fehlende
Elektronen, die gedanklich im Bild nach rechts fließen, bedeuten
nichts anderes, als daß Elektronen in der umgekehrten Richtung fließen.
Die Löcherleitung findet somit nur im p-dotierten Material statt,
so daß der Löcherfluß im Anschlußdraht nur ein Denkmodell
ist. Die Anzahl der Elektronen im n-dotierten und die Anzahl der Löcher
im p-dotierten Halbleitermaterial ist immer konstant. Dort, wo der Anschlußdraht
mit dem p-dotierten Material verbunden ist, fließt ein Elektron in
Richtung der positiven Spannungsquelle und hinterläßt im Halbleitermaterial
daher ein Loch, wenn ein Loch in der Nähe der Sperrschicht verschwindet.
Somit fließen Elektronen in das n-dotierte Material hinein. Aus dem
p-dotierten Material fließen hingegen Elektronen in exakt der gleichen
Anzahl hinaus. Dies bedeutet, daß ein Stromfluß stattfindet
und die Diode leitet.