Das Video zur Simulationssoftware

Den Quellcode und alle Dateien rund um dieses Java-Programm findet ihr in der Rubrik Download.
Falls das Java-Programm nicht angezeigt wird, hier gibt's infos zu Java.

Versuchsanleitung:

Versuch 1:

Lasst alle Einstellungen unverändert und klickt auf die Schaltfläche "Start".

Erläuterung:

Durch Klick auf "Start" beginnt das Programm damit, die auf die überzähligen Elektronen und Elektronenfehlstellen wirkenden Kräfte zu berechnen. Mit jedem Rechenschritt kann ein Elektron zu einem der Nachbaratome wechseln. Um zu bestimmen, zu welchem Atom die Bewegung erfolgt, werden zunächst die elektrostatischen Kräfte aller in der Kristallebene befindlichen Ladungen auf das Elektron berechnet. Zur Summe dieser Kräfte wird ein Vektor mit zufälliger Richtung und einem Absolutwert zwischen Null und X addiert. Damit wird die thermische Energie der Elektronen berücksichtigt. Das Elektron wechselt zu dem Atom, dessen Bindungswinkel der Gesamtsumme dieser Kräfte am nähesten liegt. Um die Rechenleistung gering zu halten, erfolgt die Berechnung der Bewegung der Löcher, als ob hier eine positive Ladung zwischen den Atomen ausgetauscht würde - was nicht der Fall ist (siehe Kapitel Dotieren).
Befinden sich ein überzähliges Elektron und ein Loch in unmittelbarer Nachbarschaft, rekombinieren diese zu zwei neutralen Atomen. Bei diesem Prozess verringert sich die Anzahl der frei beweglichen Ladungsträger in der Diode.
Nach einiger Zeit hat sich ein Gleichgewicht ausgebildet und es finden keine weiteren Rekombinationsprozesse mehr statt. Stoppt die Animation und beobachtet die Ladungsverteilung.

Versuch 2:

Erhöht den Wert für "Externes Feld" und beobachtet die Bewegung der Ladungsträger.

Erläuterung:

Mit dem Wert "Externes Feld" wird eine Spannung an die Diode gelegt. In Durchlassrichtung liegt dabei der Pluspol an der P-dotierten, unteren Hälfte und der Minuspol an der N-dotierten oberen Hälfte. Durch Anlegen einer Spannung wird ein elektrisches Feld generiert, das die Elektronen von der N-dotierten Hälfte in Richtung der P-dotierten Hälfte drückt. Umgekehrt werden damit die Löcher von der p-dotierten Hälfte nach oben in die N-dotierte Hälfte gedrückt. Ist die Feldstärke ausreichend groß, können die Ladungsträger in die jeweils andere Kristallhälfte wechseln und es finden erneut Rekombinationsprozesse statt.
Die Anzahl der Elektronen und Löcher in dem Kristall wird nahezu konstant gehalten, da durch die Spannungsquelle weitere Elektronen in die N-dotierte Zone injiziert werden, beziehungsweise indem Elektronen der p-dotierten Seite entzogen werden, wodurch weitere Löcher entstehen.
Es fließt ein Strom durch die Diode.
Die Rekombinationsprozesse finden überwiegend in der unteren Hälfte der Diode statt, da sich die Elektronen schneller durch den Kristall bewegen als die Löcher. Mit Hilfe der Einstellungen für die Elektronen- und Lochbeweglichkeit können die Löcher in dieser virtuellen Diode schneller als die Elektronen gemacht werden. Dann finden die Rekombinationsprozesse überwiegend in der oberen, N-dotierten Hälfte statt.

Versuch 3:

Schaltet die Diode auf Sperrrichtung und beobachtet die Bewegung der Ladungsträger bei verschiedenen Werten für das externe Feld.

Erläuterung:

Durch das elektrische Feld der Spannungsquelle werden nun die Elektronen nach oben zur n-dotierten Kristallhälfte gedrückt. Ferner werden Elektronen in die p-dotierte Hälfte injiziert und der n-dotierten Hälfte entzogen. Die Elektronen rekombinieren in der p-dotierten Hälfte an der Spannungsquelle mit den hier vorhandenen Löchern, wodurch die Anzahl der Elektronenfehlstellen in dieser Kristallhälfte sinkt. Die Anzahl frei beweglicher Ladungsträger in dem Kristall wird verringert. Das elektrische Feld der Ladungen nahe der Kontaktstelle wirkt in die gleiche Richtung wie das der Spannungsquelle und verhindert das Einwandern von Löchern aus der p-Hälfte beziehungsweise von Elektronen aus der n-Hälfte. In diesen Bereichen befinden sich keine frei beweglichen Ladungsträger. Es fließt kein Strom durch die Diode.

Versuch 4:

Belasst die Diode in Sperrrichtung und stellt das externe Feld auf 70%. Stellt jetzt den Wert für "Neue Paare" auf 5%

Erläuterung:

Mit der Einstellung "Neue Paare" wird die Wahrscheinlichkeit festgelegt, mit der sich neue Elektron-Loch-Paare spontan an einer Stelle im Kristall bilden. Aufgrund der thermischen Energie schwingen die Atome ständig um ihre Ruhelage im Kristallgitter. Ist die Energie ausreichend hoch, kann hierbei eine chemische Bindung aufbrechen und dabei ein Elektron-Loch-Paar entstehen. Viele dieser so erzeugten Paare rekombinieren innerhalb kurzer Zeit wieder. In der Nähe der Kontaktstelle verstärken sich das elektrische Feld der Spannungsquelle und das interne Feld der Diode. Dadurch werden Elektronen in diesem Bereich sehr stark in Richtung n-dotierte Hälfte gezogen, wodurch die Löcher im Gegenzug in die p-dotierte Hälfte wandern. Die erzeugten Elektron-Loch-Paare werden hier voneinander getrennt und durch diese Ladungstrennung wird in Summe ein Elektron vom Minus- zum Pluspol der Spannungsquelle transportiert. Rekombinieren diese thermisch erzeugten Elektron-Loch-Paare innerhalb einer Kristallhälfte, so tragen diese nicht zum Ladungstransport bei. Je höher die Temperatur des Kristalls, um so höher ist die Rate der thermisch erzeugten Elektron-Loch-Paare und um so höher ist der elektrische Strom in Sperrrichtung.

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