Halbleiterjunctionen

Halbleiterjunctionen sind Grenzflächen innerhalb eines Halbleiters oder zwischen einem Halbleiter und einem anderen Material, an denen sich die elektronischen Eigenschaften infolge unterschiedlicher Dotierung, Zusammensetzung oder Kristallstruktur deutlich unterscheiden. Typische Formen sind der PN-Übergang, Metall-Halbleiter-Kontakte (Schottky-Kontakt), Heterojunctionen aus verschiedenen Halbleitermaterialien sowie Tunneljunctionen. Sie bilden die zentrale Funktionsbasis vieler Halbleiterbauelemente.

Beim PN-Übergang entsteht eine Raumladungszone, in der sich freibewegliche Ladungsträger aufgrund der Diffusions- und Driftprozesse voneinander trennen. Es bildet sich ein Sperrpotential aus, das als Barriere gegen weitere Ladungsträger dient. Unter Anlegen einer Vorwärtsspannung verringert sich die Barriere, der Strom steigt beträchtlich; bei Umkehrspannung erweitert sich die Zone und der Strom bleibt relativ klein. Die Stromtransportmechanismen erfolgen durch Diffusion von Majoritäts- zu Minderheitsladungsträgern sowie durch Drift im Feld der Barriere. Die I-V-Kennlinie eines idealen Dioden folgt der diode equation und zeigt eine starke Nichtlinearität.

Junctionen finden breite Anwendung: Dioden zum Gleichrichten, Transistoren (Bipolar- oder Feldeffekttransistoren) als Schalter und Verstärker, LED- und Laserquellen, Solarzellen sowie Hochfrequenzbauteile. Typische Materialien sind Silizium, Germanium, GaAs, SiC und andere Halbleiter, oft durch Dotierung gezielt modifiziert. Heterojunctionen ermöglichen unterschiedliche Bandabstände und verbesserte Elektrooptik oder Hochgeschwindigkeitsverhalten. Spezielle Junctionen wie Schottky-Kontakte oder Tunneljunctionen erweitern das Funktionsspektrum in Detektion, Leistungselektronik und Mikrosystemtechnik. Wichtige Eigenschaften sind die Raumladungsbreite, Sperrkapazität, Leckströme und die Temperaturabhängigkeit, die das Verhalten in Anwendungen beeinflussen. Mechanismen des Durchbruchs umfassen Zener- und Avalanche-Durchbruch sowie Bandlinien-Tunneln in stark dotierten Strukturen.