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Halbleiterelemente - selbstgemacht

Wie man aus verzinktem Blech und Klingeldraht eine Diode macht

Letzte Änderung: 7.2.2024

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Inhalt:

1. Die Herstellung des Halbleiterelements
2. Eine selbstgemachte Schottky-Diode und Zener-Effekt
3. Zinkoxid und Wasserdampf: Feuchtesensor und inverse Brennstoffzelle
4. Der Durchbruch, ein spannungsabhängiger Widerstand

1. Die Herstellung

Ob Diode, einen elektrischen Sensor für Luft­feuchtigkeit oder Varistor: die Grundlage dieser Halbleiter­elemente ist der Metall-Halbleiter-Übergang. Ich führe hier die Herstellung einer Schottky-Diode mit Zinkoxid als Halb­leiter­material am heimi­schen Bastel­tisch vor. Der Versuch ist leicht nach­zumachen.

Das brauchen wir:

Das brauchen wir:

Ein Stück verzinktes Lochband aus dem Baumarkt ist die wich­tigste Grund­lage. Das gibt es im Baumarkt auf der Rolle. Ich habe die 12 mm breite Version verwendet. Das Loch­band ist 0,7 mm dick. Dazu ein paar Zenti­meter Klingel­draht aus Kupfer von 0,6 mm Stärke. Der Draht wird abiso­liert. Aus weiterem Loch­band und Stahl­blech habe ich mir ferner eine Halte­rung zusammen­geschraubt, mit der ich die Spitze des Drahts auf dem Blech präzise plazieren und an die Mess­schaltung anschließen kann. Das notwen­dige Werkzeug: eine Propan­gas-Lötlampe zum Aus­glühen des Lochb­andes, Zangen und Schrauben­zieher. Als Strom­quelle und um Ansehen der Kenn­linie brauchen wir einen Experimen­tiertrafo und das Oszi.

So funktioniert es:

Das Montageband besteht aus Stahl­blech, des zum Schutz vor Korro­sion mit einem wenige µm dicken Zink­belag über­zogen ist. Der Zink­belag wird mit dem Gas­brenner ober­flächlich oxidiert. Das Zink­oxid bildet eine gelb­lich-weiße, halb­leitende Schicht, die ebenfalls nur wenige µm dick ist. Als Gegen­elektrode wird dann die Spitze des Kupfer­drahts auf das Oxid gesetzt. Dabei entsteht eine Schottky-Bar­riere. Hieran wird die Strom-Span­nungs-Kenn­linie bestimmt.
Ob sie als Diode, als Sensor oder als Varistor taugt, hängt von weiteren Faktoren ab. Sobald man an der Kontakt­stelle frische Leitungs­elektronen in die normaler­weise sperrende Halbleiter­schicht einträgt, wird sie elek­trisch leitend. Es geht auf verschiedenen Wegen:
- durch Diffusion von Elektronen aus dem Metall ins Zink­oxid,
- durch chemische Reaktion (d.h. Dissoziation von Wassermolekülen, die sich aus der Feuchtigkeit der Luft niederschlagen)
- durch Anlegen eines starken elek­trischen Feldes.
Jeden­falls, fertig ist das Halb­leiter­element!

So wird's gemacht:

Ein paar Zenti­meter des Loch­blechs werden mit der Löt­lampe an einem Ende ausge­glüht. Die Flamme soll nur auf eine Seite des Strei­fens gerichtet werden, nicht auf beide. Auf der gegen­über­liegen­den Seite zeigt die Zink­schicht ein Farben­spiel: sie wird zuerst grau, dann gelb­lich, und schließ­lich weiß und porös. Das ist, was gebraucht wird.

So schaut's dann aus, wenn der Streifen kalt ist:

Der Streifen ist in die Halte­rung einge­baut und der Kupfer­draht auf die Oxid­fläche vor­sichtig aufge­setzt. Mit der Stell­schraube kann man den Kontakt ganz sensibel jus­tieren. Die weißen und gelb­lichen Stellen gehen am Besten, die grauen sind weniger geeignet. An den schwar­zen Stellen ist das Zink­oxid vom Eisen abge­platzt. Jetzt kann die Messung los­gehen:

2. Eine selbstgemachte Schottky-Diode

Das Elektronik-Labor:

Eine Schalttafel mit einstell­barer Wechsel­spannung zwischen 2 und 16 Volt und das Oszil­loskop zum Anzeigen der Kenn­linien.

Die Schaltung zur Aufnahme der elek­trischen Kenn­linie mit dem Oszi.

Ein erster Blick auf das Oszi in gewöhn­licher Zeitdar­stellung. Die Zeit­basis ist auf 5 ms/cm einge­stellt, perfekt für die ange­legte 50-Hz-Span­nung. Oben die Spannung (5 V/cm), unten der Strom. Der Strom wird als Spannungs­abfall am 4,7-kΩ-Vorwider­stand gemessen. 1 V/cm entspricht also ungefähr 0,2 mA/cm.

Im XY-Modus wird hier der Strom gegen die Span­nung aufge­tragen. Im linken Sektor: die Diode ist hier in Leit­richtung gepolt. Der Strom steigt mit zuneh­mender Span­nung steil an. In der Spitze fließen 0,3 mA bei 4 V. Rechter Sektor: der Strom steigt in Sperr­richtung erst langsam an. Bei 6 V knickt die Kenn­linie dann steil ab: der Zener-Effekt. Auch als Zener­diode ist unser Halb­leiter verwendbar!

Natürlich habe ich mich gefragt, was wohl die Diode bei einer Tempe­ratur­erhöhung tun wird. Mit dem Löt­kolben und der Tempe­ratur­sonde des Multi­meters ging es hinauf bis 80°C. Leider ohne erkenn­baren Effekt auf die Form der Kennlinie.

So funktioniert das Halbleiterelement

Den prinzipiellen Aufbau des Halb­leiter­elements zeigt diese Skizze. Die Zink­schicht auf dem Eisen­blech ist teil­weise oxidiert. Eine geschlos­sene Oxid­schicht bedeckt die Ober­fläche des Metalls. Die Spitze des Kupfer­drahtes wird vor­sichtig dagegen gedrückt. Nicht zu fest, damit der Draht nicht zum Metall hindurch­dringt. So entsteht eine elek­trische Sperr­schicht zwischen dem Metall und dem Oxid, eine Schottky-Barriere.

Sobald die Kupferspitze das Zink­oxid berührt, gelangen die Elek­tronen aus den Donator-Zuständen der Zink­atome, die direkt unter der Berüh­rungs­stelle sitzen, ins Kupfer, weil sie dort einen Zustand mit nied­rigerer Energie ein­nehmen können. Die nega­tiven Elek­tronen lassen die positiven Zink­ionen, die ja im Kristall­gitter fest­sitzen, zurück. In dieser Verarmungs­schicht entsteht ein elek­trisches Feld. Zwischen Kupfer und Zink­oxid entsteht ein elek­trisches Kontakt­potential: das Kupfer wird negativ, das Zink­oxid positiv.

So funktioniert die Diode als Stromventil:

Wenn man eine positive Spannung an die Zink­seite legt, dann entzieht das elek­trische Feld den Donator-Zu­ständen noch mehr Elek­tronen. Von der Kupfer­seite können keine Elek­tronen nachrücken, weil das Zink­oxid in der Verarmungs­zone keine freien Zustände in der Nähe der Fermi-Energie hat. Die hohe Energie­differenz zwischen dem Fermi-Niveau, an dem das Kupfer freie Elek­tronen zur Verfügung stellt, und dem Leitungs­band des Zink­oxids, das nahezu um die Band­lücke von 3,3 eV höher liegt, verhin­dert dies. Und allein mit ihrer ther­mischen Energie kommen die Elek­tronen nicht über diese Schwelle hinweg. Das reichte allen­falls für 0,1 eV. Als Röhren­bastler wissen wir, dass wir da schon kräftig hoch­heizen müssten. Der Strom ist also unter­brochen.

Ist die Zink­seite dagegen negativ, dann driften stetig Elek­tronen von der Zink­seite in die Verarmungs­schicht. Das Kontakt­potential bricht durch die vielen Elek­tronen zusammen. Der Strom der Elek­tronen kann ins Kupfer passieren. Aber in umge­kehrte Richtung geht das nicht.

Der Zener-Effekt:

Wenn allerdings die Sperrspannung sehr hoch wird, etwa 6 bis 8 Volt, dann schaffen Elek­tronen von der Kupfer­seite den Sprung in die Dona­tor­niveaus und ins Leitungs­band des Zink­oxids. Die Schottky-Barriere erleidet in Sperr­richtung einen Durch­bruch. Die Verarmungs­zone wird vom negativen Kupfer her mit Elek­tronen aufge­füllt. Es fließt wieder Strom.

3. Zinkoxid und Wasserdampf: Feuchtesensor und inverse Brennstoffzelle

Beobachtungen an einem besonders dicken Zinkoxid-Belag

Manchmal ist es mir passiert, dass der Kupfer­draht nicht so recht Kontakt bekam. Oder ich hatte bald einen glatten Kurz­schluss. Dies geschah vor allem dann, wenn ich den Kupfer­draht auf eine weiße Stelle des Blechs aufsetzte, wo die Zinkoxid­schicht besonders dick zu sein schien. Irgend­etwas passierte, aber der Strom blieb sehr nahe an der Null­linie. Siehe das oberste Bild in der rechten Spalte. Wenn die Oxid­schicht zu dick ist, dann ist der Durch­gangs­wider­stand zu hoch. Defi­nitiv keine schöne Diode!

Wasser auf die Mühle

Im Eifer des Experiments bemerkte ich dann, dass sich auf dem Schirm des Oszi irgend­etwas tat. Tatsäch­lich: wenn ich die Diode mit meiner Atem­luft anhauchte, stiegt der Strom in Leit­richtung deutlich an. Die Feuch­tigkeit der ausgeat­meten Luft schlug sich offenbar auf der Oxid­schicht nieder und verbes­serte deren Leit­fähigkeit, und zwar nur in Vorwärts­richtung der Schottky-Barriere. Nach dem Abtrocknen durch Anwedeln mit trockener Raumluft kehrte die Kenn­linie wieder in den flachen Anfangs­zustand zurück.

Das alles geschah innerhalb von Sekunden, und zwar völlig repro­duzierbar. Die Bilder in der rechten Spalte zeigen Moment­aufnahmen der Kenn­linie bei zuneh­menden Graden der Feuchtig­keit. Bei direktem Anhauchen ergab sich die perfekte Dioden­kenn­linie. Wohlgemerkt, ich habe kein Wasser auf die Ober­fläche gespritzt. Allein der erhöhte Anteil von Wasser­dampf in der Atem­luft erzeugt diesen Effekt.

Die inverse Brennstoffzelle

Woher mag dies kommen? Nun, Zinkoxid ist hygro­skopisch. Es verbindet sich leicht mit Wasser­molekülen, die der porösen Oxid­schicht mit der Umge­bungs­luft zuge­führt werden. Wasser­mole­küle, die sich an Zink­ionen in der Oxid­schicht binden, geben ein Elektron an das stark posi­tive Zink­atom ab. Dieses wird zum Dona­tor-Ion. Das zusätz­liche Elektron ist aber nicht fest an ein bestimm­tes Zink­ion gebunden, sondern es wird über das Leitungs­band zwischen den Zink­ionen herum­gereicht, es ist mobil. Des­halb kann wieder Strom fließen. Dadurch erscheint im Oszil­logram wieder die Dioden­kenn­linie.

Was passiert mit dem Wassermolekül? Es wird in Sauer­stoff und Wasser­stoff gespalten. Die Schottky-Bar­riere macht mit dem adsor­bierten Wasser eine Elek­trolyse. Die Mengen an Gas sind praktisch jedoch zu klein, um sie direkt nach­weisen zu können. Unser Halb­leiter­element ist gewisser­maßen eine umge­kehrte Brenn­stoff­zelle. Sie produ­ziert aus Strom Wasser­stoff und Sauer­stoff. Eine echte Brenn­stoff­zelle macht das Umge­kehrte, nämlich Strom aus Wasser­stoff und Sauer­stoff.

Das Anhauch-Experiment

Das Halbleiterelement in trockener Raumluft:

Hier mit ganz wenig Luftfeuchtigkeit:

Noch feuchter:

Noch ein wenig mehr:

Bei direktem Anhauchen mit feuchter Atemluft:

Das passiert im trockenem Zinkoxid...

Kristallines Zinkoxid enthält schon im trockenen Zustand immer etwas zu wenig Sauer­stoff. Die Sauer­stoff­atome wechseln vom Kris­tall ab und zu in die Atmo­sphäre. Gewisse Zink­atome sind daher nicht zweifach, sondern nur einfach positiv geladen: Zn+. Das sind die Donator-Zu­stände. Doch das passiert nur ganz selten. Immerhin reicht es in der Summe zur Bildung der Schottky-Bar­riere. Im elek­trischen Feld der Verarmungs­zone gibt das Zn+-Ion das gewon­nene Elektron bald an die nahe, positiv geladene Kupfer­elek­trode ab und wird wieder zu Zn2+. Das Zink­oxid regene­riert sich an der Luft wieder, der Vorgang läuft ewig.

... und das, wenn Wasser hinzu kommt.

In Gegenwart von Wasser, H2O, ist die Bildung von positivem Zn+-Ionen ein­facher. Wasser­stoff steht mit 0,00 Volt in der elektro­chemischen Spannungs­reihe niedriger als Sauer­stoff mit +0,40 Volt. Das Zn2+-Ion entzieht dem Wasser­stoff­atom sein Elek­tron und spal­tet das Wasser in H+-Ionen und ato­maren Sauer­stoff. Daher gibt es plötz­lich viel mehr Dona­toren im ZnO. Die Leitfähigkeit steigt an, die Diode wird "besser". Das Wasser­stoff-Ion H+ dif­fundiert im Kristall zur Kathode. Dort erhält es ein neues Elektron und wird schließ­lich zu flüchtigem Wasser­stoffgas. Und wenn das Wasser alle ist, dann sinkt der Strom wieder.

4. Hohe Spannungen - elektrischer Durchbruch

Varistor: spannungsabhängiger Widerstand

Legt man an das Halbleiterelement noch etwas höhere Span­nungen an, dann kommt es schließ­lich zu einem Durch­bruch noch anderer Art. Ober­halb von 12 V setzt plötz­lich ein starker Strom ein, der hier 15 mA erreicht und ohne den vorge­schalteten Mess­wider­stand von 1-kΩ sicher noch weiter steigen würde. Das ist also das Viel­fache im Vergleich zu der Situa­tion, wo die Sperr­schicht als Schottky-Diode arbeitet. Hier flossen maximal 0,3 mA. Beachten Sie auch, dass die Kenn­linie ober­halb des Durch­bruchs ihre Stei­gung umkehrt: der diffe­ren­tielle Wider­stand ist wie einer Glimm­lampe oder beim Negadyn negativ.

Bei höheren Spannungen kommt es in der Verarmungs­zone zum Lawi­nen-Durch­bruch. Das elek­trische Feld ist nun so stark, dass auch im Innern der Zink­oxid-Schicht Elek­tronen ins Leitungs­band gebracht werden, und zwar in großer Zahl. Oberhalb 12 V steigt der Strom deshalb drama­tisch an. Die Richtung des elek­trischen Feldes ist dabei egal. Die Ströme können um den Faktor 100 stärker werden als im normalen Dioden­betrieb. Die Kenn­linie eines solchen Varistors ist im Gegen­satz zur Diode symm­etrisch.

Keine Sorge, unsere selbstgebaute Diode verkraf­tet das ohne Weiteres. Es brennt so schnell nichts an. Stahl­blech und Kupfer vertragen deut­lich höhere Tempe­raturen als Sili­zium und Germa­nium.

Im Teil der Kennlinie mit negativem diffe­rentiel­lem Wider­stand können bei geeig­neter Beschal­tungen sehr hoch­frequente elek­trische Schwin­gungen entstehen. Das kommt daher, dass die Elek­tronen in der Halbleiter­schicht "Ladungs­lawinen" produ­zieren und sich gegen­seitig beschleu­nigen. Auch das konnte ich ab und zu beo­bachten, doch konnte ich bisher keine stabilen Schwing­ungen erzegen. Mal sehen. Hier gibt es noch einiges zu tun...

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Hans Martins Bastelseiten, 2021 - 24