Halbleiter
Allgemein
Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Metalls und der eines Isolators liegt. Wie Isolatoren haben Halbleiter am absoluten Nullpunkt der Temperaturskala ein vollbesetztes Valenzband und ein leeres Leitungsband, d.h. bei Halbleitern liegt das Ferminiveau in der Bandlücke (vgl. Bändermodell). Die wichtigste technische Anwendung der Halbleiter ist die Mikroelektronik.
Die Elektronen in Festkörpern wechselwirken über sehr viele Atomabstände hinweg miteinander. Dies führt faktisch zu einer Aufweitung der (im Atom noch als diskrete Niveaus vorliegenden) möglichen Energiewerte zu ausgedehnten Energiebereichen, den sogenannten Energiebändern. Zwischen den Bändern bestehen Lücken, die die Elektronen nicht besetzen können. Unbesetzte Bänder können mangels beweglicher Ladungsträger keinen elektrischen Strom leiten. In voll besetzten Bändern weisen die Ladungsträger keine Beweglichkeit auf. Nur in teilbesetzten Bändern treten Elektronen mit einer hohen Beweglichkeit auf. Da dies in Metallen der Fall ist, sind diese elektrisch leitend. In Nichtmetallen sind bei einer Temperatur von null Kelvin (absoluter Nullpunkt der Temperaturskala, entspricht etwa -273,15 Grad Celsius) die Bänder entweder voll mit Elektronen besetzt oder ganz leer. Da dann keine freien Elektronen vorhanden sind, liegt am absoluten Nullpunkt in Nichtmetallen keine elektrische Leitfähigkeit vor.
Zwischen dem obersten noch voll besetzten Band (Valenzband) und dem darüberliegenden (Leitungsband) liegt ein Energiebereich, in dem nach der Quantenmechanik keine erlaubten Zustände existieren, die Bandlücke. Diese Bandlücke ist bei Halbleitern relativ klein (InAs: ~0.4 eV, Ge: ~0.7 eV, Si: ~1.2 eV, GaAs: ~1.5 eV, Diamant: ~5.5 eV), so dass z.B. durch die Energie der Wärmeschwingungen oder durch Absorption von Licht Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt werden können. Halbleiter haben also eine mit der Temperatur zunehmende elektrische Leitfähigkeit.
Durch gezielte Verunreinigung eines Halbleiters mit Fremdatomen, das so genannte Dotieren, kann ein Überschuss oder Mangel von Elektronen gezielt herbeigeführt werden. Bei Überschuss sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband, bei einem Mangel die gedachten, positiv geladenen Löcher oder Defektelektronen im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. Halbleiterbereiche mit Elektronenüberschuss bezeichnet man als n-dotiert, solche mit Mangel als p-dotiert.
Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen kann man einzelne, so genannte diskrete, Halbleiterbauelemente wie Dioden und Transistoren und komplexe, aus vielen Bauelementen in einem einzigen Kristall aufgebaute integrierte Schaltungen oder Mikrochips aufbauen.
Siehe auch P-n-Übergang.
Chemische Einteilung
| Elementare Halbleiter | Verbindungshalbleiter | Organische Halbleiter |
| Ge, Si, alpha-Sn, C (Fullerene), B, Se, Te | III-V:GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN | Mono- und triklin: Anthracen, Tetracen, Phthalocyanine |
| Unter Druck: Bi, Ca, Sr, Ba, Yb, P, S, I | II-VI: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, HgS | Mischsysteme: Polyvinylcarbazol, TCNQ Komplexe |
| III-VI: GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe, InTe .... |
Bindungscharakter
Man unterscheidet vier chemische Bindungstypen:
1.) Heteropolare Bindung
2.) Homöopolare Bindung
3.) Van-der-Waals-Bindung
4.) Metallbindung
Die Übergänge zwischen diesen vier Bindungstypen sind fließend.
Semimagnetische Halbleiter
Semimagnetische Halbleiter sind Stoffe, die eine Bandlücke im eV-Bereich besitzen. Ihre Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig. Bei 0 Kelvin ist die elektrische Leitfähigkeit gleich Null.
Semimagnetische Halbleiter sind Halbleiterverbindungen aus zum II-VI oder III-IV-Halbleiter bei denen ein Ion durch z.B. Mangan (Mangan ist magnetisch) ersetzt wurde. Eine charakteristische Eigenschaft dieser semimagnetischen Halbleiter ist die große Zeeman-Aufspaltung. Eigentlich nennt man semimagnetische Halbleiter diluted magnetic semiconductors, da sie magnetisch verdünnt sind.