Diffusionsspannung

Die Diffusionsspannung selten auch Antidiffusionsspannung ist die Potentialdifferenz, das heißt eine elektrische Spannung, über eine Raumladungszone, die der Diffusion von Ladungsträgern (Elektronen und Defektelektronen) entgegenwirkt. Sie ist materialabhängig und beträgt für Silizium ≈ 0,7 V und Germanium ≈ 0,3 V.

Betrachtet wird eine Halbleiterdiode mit einem p-n-Übergang: An der Grenze zwischen p- und n-dotiertem Halbleiter kommt es aufgrund des Konzentrationsgradienten zur Diffusion von Ladungsträgern, das heißt, freie Elektronen aus dem n-Gebiet wandern in das p-Gebiet, analog dazu wandern die Löcher (Defektelektronen) vom p- in das n-Gebiet; Dabei kommt es unter anderem zur Rekombination von Elektronen und Löchern. Durch diese Ladungsträgerbewegung (Diffusionsstrom) bildet sich zwischen diesen Raumladungen im Inneren des Kristalls ein elektrisches Gegenfeld aus, das der weiteren Diffusion von beweglichen Ladungsträgern entgegenwirkt, da es einen entgegengesetzten Driftstrom erzeugt. Die durch das elektrische Gegenfeld erzeugte elektrische Spannung wird als Diffusionsspannung ${\displaystyle U_{D}}$ bezeichnet (daher auch der Name Antidiffusionsspannung):

${\displaystyle U_{D}={\frac {k_{B}\cdot T}{q}}\ln {\frac {N_{A}\cdot N_{D}}{n_{i}^{2}}}}$

Hier ist ${\displaystyle k_{B}}$ die Boltzmannkonstante, ${\displaystyle T}$ die Temperatur, ${\displaystyle q}$ die Elementarladung, ${\displaystyle N_{A}}$ die Anzahl der Akzeptoren, ${\displaystyle N_{D}}$ die Anzahl der Donatoren und ${\displaystyle n_{i}}$ die Zahl intrinsischer Ladungsträger.