Halbleiter

Stichpunkte

Allgemein
	Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper
	dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Metalls und der eines Isolators liegt. Zu den Halbleitern zählen Elemente mit 4 Valenzelektronen
	beispielsweise also das Element Silizium (sog
	beispielsweise (Ga(III)-As(V)
	Elementarhalbleiter) sowie Verbindungen
	siehe Galliumarsenid) (sog
	die im Mittel 4 Valenzelektronen ergeben
	Verbindungshalbleiter). Die Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig und lässt sich durch das Einbringen von Fremdatomen
	in weiten Grenzen steuern (s.u.)
	das sogenannte Dotieren
	da ihre Leitfähigkeit mit steigender Temperatur ansteigt (näheres siehe unten)
	Halbleiter bezeichnet man auch als Heißleiter
	Aus Halbleitern werden nahezu alle aktiven elektronischen Bauelementen gefertig
	Die gesamte Mikroelektronik basiert auf der Halbleitertechnologie
	Die Halbleitertechnik befasst sich mit der technischen Herstellung von Halbleiterbauelementen
	Mikrochips und integrierten Schaltungen. Inhaltsverzeichnis showTocToggle("Anzeigen"
	"Verbergen") 1 Eigenleitung 2 Dotierung / Störstellenleitung 3 Direkte und Indirekte Halbleiter 4 Chemische Einteilung 5 Bindungscharakter 6 Semimagnetische Halbleiter 7 Siehe auch 8 Literatur 9 Weblinks [Bearbeiten]
Eigenleitung
	Die grundlegenden Eigenschaften von Halbleitern lassen sich anhand des Bändermodells erklären: Die Elektronen in Festkörpern wechselwirken über sehr viele Atomabstände hinweg miteinander
	den so genannten Energiebändern
	Dies führt faktisch zu einer Aufweitung der (im Einzelatom noch als diskrete Niveaus vorliegenden) möglichen Energiewerte zu ausgedehnten Energiebereichen
	Zwischen den Bändern bestehen Energiebereiche
	in der nach der Quantenmechanik keine erlaubten Zustände existieren
	die Energie- oder Bandlücke
	Solche Lücken können die Elektronen nicht besetzen
	Unbesetzte Bänder können mangels beweglicher Ladungsträger keinen elektrischen Strom leiten
	da sie mangels erreichbarer freier Zustände keine Energie aufnehmen können
	In voll besetzten Bändern weisen die Ladungsträger ebenfalls keine Beweglichkeit auf
	Nur in teilbesetzten Bändern treten Elektronen mit einer hohen Beweglichkeit auf
	wie es bei Metallen der Fall ist
	Aufgrund ihrer Kristallstruktur ist bei Halbleitern nahe des absoluten Nullpunktes der Temperaturskala das oberste Energieband (Valenzband) voll besetzt
	das nächsthöhere Band (Leitungsband) hingegen leer
	Das Ferminiveau liegt also genau in der Bandlücke; die elektrische Leitfähigkeit ist null (wie bei einem Isolator)
	7 eV
	Diamant: ~5
	5 eV
	2 eV
	5 eV)
	4 eV
	GaAs: ~1
	so dass z
	Die Bandlücke ist bei Halbleitern im Gegensatz zu Isolatoren jedoch relativ klein (InAs: ~0
	Si: ~1
	Ge: ~0
	B. durch die Energie der Wärmeschwingungen oder durch Absorption von Licht Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt werden können
	bzw. einen mit der Temperatur abnehmenden elektrischen Widerstand
	Halbleiter haben also eine mit der Temperatur zunehmende elektrische Leitfähigkeit
	Deshalb nennt man Halbleiter auch Heißleiter oder NTC-Widerstände
	ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt
	wie oben beschrieben
	Wird
	so hinterlässt es an seiner ursprünglichen Stelle ein Defektelektron auch Loch genannt
	Gebundene Valenzelektronen in der Nachbarschaft solcher Löcher können durch Platzwechsel in ein Loch "springen"
	hierbei wandert das Loch
	Es kann daher als bewegliche positive Ladung aufgefasst werden
	Elektronen aus dem Leitungsband können auch wieder mit den Defektelektronen rekombinieren (Elektron-Loch-Rekombination)
	Dieser Ãœbergang zwischen den beteiligten Niveaus kann unter Abgabe von elektromagnetischer Rekombinationsstrahlung (Photon) und/oder unter der Abgabe eines Impulses an das Kristallgitter (Phonon) erfolgen
	als auch die Defektelektronen tragen also zur elektrischen Leitung bei
	Sowohl die angeregten Elektronen
	Halbleitern nennt man intrinsische Ladungsträgerdichte - ein reiner Halbleiter wird deshalb auch intrinsischer Halbleiter genannt. [Bearbeiten]
	d.h. undotierten
	Die Dichte freier Elektronen und Löcher in reinen
Dotierung / Störstellenleitung
	so bringt jedes dieser Fremdatome ein Elektron mit
	Durch gezielte Verunreinigung eines Halbleiters mit Fremdatomen
	in einen Halbleiter eingebracht
	das so genannte Dotieren
	kann ein Überschuss oder Mangel von Elektronen gezielt herbeigeführt werden: Werden Fremdatome
	das nicht für die Bindung benötigt wird und leicht abgelöst werden kann
	die ein Elektron mehr im Valenzband haben als der reine Halbleiter
	Im Bänderschema liegt ein solches Elektron nahe unter der Leitungsbandkante
	das ein Elektron abgibt
	wird Donator (lat. donare = geben) genannt
	Ein Fremdatom
	welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann
	ein zusätzliches Defektelektron (Loch) mit
	Analog bringen Fremdatome
	die ein Elektron weniger im Valenzband haben
	Im Bänderschema liegt ein solches Loch nahe über der Valenzbandkante
	welches ein Loch "abgibt"
	Ein Fremdatom
	also ein Elektron aufnimmt
	wird Akzeptor (lat. accipere = annehmen) genannt
	positiv geladenen Löcher im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit
	bei Dotierung mit Akzeptoren die gedachten
	Bei Dotierung mit Donatoren sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband
	Im ersten Fall spricht man von Elektronen-
	im anderen Fall von Löcherleitung
	solche mit Mangel
	also mit "Löcherüberschuss" als p-dotiert
	Halbleiterbereiche mit Elektronenüberschuss bezeichnet man als n-dotiert
	die Löcher als Minoritätsträger bezeichnet
	Im n-Leiter werden die Elektronen als Majoritätsträger (mehrheitlich vorhandene Ladunsträger)
	im p-Leiter gilt die entsprechende Umkehrung
	Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen (siehe p-n-Ãœbergang) kann man einzelne
	Halbleiterbauelemente wie Dioden und Transistoren und komplexe
	so genannte diskrete
	was Voraussetzung für elektrischen Stromfluss ist
	aus vielen Bauelementen in einem einzigen Kristall aufgebaute integrierte Schaltungen oder Mikrochips aufbauen. Übliche Dotiergrade Normale Dotierung: n: 1 Donator auf 10^7 Si-Atome p: 1 Akzeptor auf 10^6 Si-Atome Starke Dotierung: n: 1 Donator auf 10^4 Si-Atome (n+) p: 1 Akzeptor auf 10^4 Si-Atome (p+) Zweck der Dotierung Bereits bei sehr geringer Energiezufuhr (Temperatur > 0K) löst sich ein freies Elektron aus dem Bindungsverband (da nur schwach an den Kern gebunden)
	sprich undotierten Halbleitern ist wesentlich größere Energie notwendig
	spürbarer Leitungsmechanismus setzt erst bei hoher Temperatur ein und ist viel stärker temperaturabhängig. [Bearbeiten]
	Bei chemisch reinen
Direkte und Indirekte Halbleiter
	die direkten und die indirekten Halbleiter
	Man teilt Halbleiter in zwei Gruppen ein
	das heißt die Ladungsträger werden neben ihrem Energieniveau im Bänderschema auch durch ihre "Geschwindigkeit" (Impuls = Masse * Geschwindigkeit) charakterisiert
	Ihre unterschiedlichen Eigenschaften lassen sich nur durch die Betrachtung der Bänderstruktur im sogenannten Impulsraum verstehen: Freie Ladungsträger im Halbleiter lassen sich als Materiewellen mit einem Quasi-Impuls auffassen
	sondern dass beide Bandkanten mindestens ein Extremum aufweisen
	so stellt man fest
	Betrachtet man nun das Bändermodell im Impulsraum
	dass Leitungs- und Valenzbandkante nicht für jeden Impuls gleich ist
	wenn es vom Maximum des Valenzbandes zum Minimum des Leitungsbandes angeregt wird
	so ist es am energetisch günstigsten (und somit am wahrscheinlichsten)
	Wenn nun ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband angeregt wird
	so ist eine Anregung z.B. durch ein Photon ohne Weiteres möglich
	Liegen diese Extrema nun (nahezu) beim gleichen Quasiimpuls
	da das Elektron lediglich seine Energie
	nicht aber seinen Impuls ändern muss
	Man spricht von einem direkten Halbleiter
	Liegen die Extrema jedoch bei unterschiedlichen Quasiimpulsen
	so muss das Elektron zusätzlich zu seiner Energie auch seinen Impuls ändern
	um ins Leitungsband angeregt zu werden
	sondern muss von einer Gitterschwingung (auch Phonon) beigesteuert werden
	Dieser Impuls kann nicht von einem Photon (welches einen sehr kleinen Impuls hat) stammen
	Bei der Rekombination von Elektronen-Loch-Paaren gilt im Prinzip dasselbe
	In einem direkten Halbleiter kann bei der Rekombination ein Lichtquant ausgesandt werden
	Bei einem indirekten Halbleiter hingegen wird die bei der Rekombination freiwerdende Energie als Gitterschwingung abgegeben
	Hieraus folgt
	dass nur direkte Halbleiter zur effektiven Strahlungserzeugung verwendet werden können
	Direkte und Indirekte Halbleiter kann man mittels Absorptionsversuch voneinander unterscheiden
	Ge) und Verbindungshalbeiter aus der IV
	In der Regel sind Elementhalbleiter (Si
	GaN) direkt. [Bearbeiten]
	und Verbindungshalbleiter aus verschiedenen Hauptgruppen (III/V: GaAs
	InP
	Hauptgruppe indirekt
Chemische Einteilung
	GaTe
	S
	Si
	InSe]
	ZnTe
	Yb
	CdTe
	GaN Mono- und triklin: Tetracen
	GaAs
	InSb
	Elementare Halbleiter Verbindungshalbleiter Organische Halbleiter Ge
	CuInGaS2....   [Bearbeiten]
	Pentacen
	HgS Mischsysteme: Polyvinylcarbazol
	Ca
	B
	ZnSe
	CuInGaSe2
	Te III-V:GaP
	InP
	P
	GaSe
	Phthalocyanine Unter Druck: Bi
	InS
	InAs
	BeTe
	BeSe
	CdS
	TCNQ Komplexe   III-VI: GaS
	CdSe
	InTe ....     I-III-VI: CuInSe2
	alpha-Sn
	GaSb
	C (Fullerene)
	Se
	CuInS2
	ZnS
	Sr
	I II-VI: ZnO
	Ba
Bindungscharakter
	Man unterscheidet vier chemische Bindungstypen: 1.) Heteropolare Bindung 2.) Homopolare Bindung 3.) Van-der-Waals-Bindung 4.) Metallbindung Die Übergänge zwischen diesen vier Bindungstypen sind fließend. [Bearbeiten]
Semimagnetische Halbleiter
	Semimagnetische Halbleiter sind Stoffe
	die eine Bandlücke im eV-Bereich besitzen
	Ihre Elektrische Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig
	Bei 0 Kelvin ist die elektrische Leitfähigkeit gleich Null
	Semimagnetische Halbleiter gehören zur wichtigen Gruppe der Verbindungshalbleiter oder Compound Semiconductor
	Es handelt sich um Verbindungen aus Elementen der II und VI bzw
	bei denen ein Ion durch z
	III-IV Hauptgruppe des Periodensystems
	BM
	angan (Mangan ist magnetisch) ersetzt wurdeE
	ine charakteristische Eigenschaft dieser semimagnetischen Halbleiter ist die große Zeeman-AufspaltungE
	da sie magnetisch verdünnt sind. [Bearbeiten]
	igentlich nennt man semimagnetische Halbleiter diluted magnetic semiconductors
Siehe auch
	Kategorie:Elektronik Kategorie:Elektrische Bauelemente [Bearbeiten]
Literatur
	12
	Ulrich Hilleringmann
	Springer 2002
	Eberhard Gamm
	Teubner 2004
	Christoph Schenk
	ISBN 3519301490 Ulrich Tietze
	Silizium-Halbleitertechnologie
	Halbleiter-Schaltungstechnik
	Auflage
	Halbleiter-Bauelemente
	ISBN 3540428496 Michael Reisch
	ISBN 3540213848 [Bearbeiten]
	Springer 2004
Weblinks
	Britney Spears guide to Semiconductor Physics (http://britneyspears.ac/lasers.htm) Power Semiconductors (http://www.abb.com/global/abbzh/abbzh251.nsf!OpenDatabase&db=/global/gad/gad02077.nsf&v=2B9A&e=us&c=DDD8F9C472621E5FC1256DDA002DBEA3) http://www.et.htwk-leipzig.de/kontakte/Fechner/projekte/physik/leitung/halbleit.htm Grundlagen und weiterführende Informationen zu Halbleitertechnologien (http://www.halbleiter.org/) da:Halvleder en:Semiconductor eo:Semikonduktaĵo et:Pooljuht fi:Puolijohde fr:Semi-conducteur is:Hálfleiðari ja:�導体 nl:Halfgeleider pl:Półprzewodnik sl:Polprevodnik sv:Halvledare zh-cn:�导体

[X] Schliessen

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