Halbleiter

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. Elementarhalbleiter) sowie Verbindungen, die im Mittel 4 Valenzelektronen ergeben, beispielsweise (Ga(III)-As(V)) (sog. Verbindungshalbleiter). Die Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig und lässt sich durch das Einbringen von Fremdatomen, das sogenannte Dotieren, in weiten Grenzen steuern (s.u.).

Die wichtigste technische Anwendung der Halbleiter ist die Mikroelektronik.

Eigenleitung

Die grundlegenden Eigenschaften von Halbleitern lassen sich anhand des Bändermodells erklären: Die Elektronen in Festkörpern wechselwirken über sehr viele Atomabstände hinweg miteinander. Dies führt faktisch zu einer Aufweitung der (im Einzelatom noch als diskrete Niveaus vorliegenden) möglichen Energiewerte zu ausgedehnten Energiebereichen, den sogenannten Energiebändern. 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. In voll besetzten Bändern weisen die Ladungsträger ebenfalls keine Beweglichkeit auf, da sie mangels erreichbarer freier Zustände keine Energie aufnehmen können. 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). Die Bandlücke ist bei Halbleitern im Gegensatz zu Isolatoren jedoch 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, bzw. einen mit der Temperatur abnehmenden elektrischen Widerstand. Deshalb nennt man Halbleiter auch Heißleiter oder NTC-Widerstände.

Wird, wie oben beschrieben, ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt, 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 positive Ladung aufgefasst werden.

Elektronen aus dem Leitungsband können auch wieder mit den Defektelektronen rekombinieren (Elektron-Loch-Rekombination). Dieser Übergang zwischen den beteiligten Niveaus kann unter Abgabe von elektromagnetischer Rekombinationsstrahlung (Photon) oder unter der Abgabe eines Impulses an das Kristallgitter (Phonon) erfolgen.

Sowohl die angeregten Elektronen, als auch die Defektelektronen tragen also zur elektrischen Leitung bei.

Die Dichte freier Elektronen und Löcher in reinen, d.h. undotierten Halbleitern nennt man intrinsische Ladungsträgerdichte, ein reiner Halbleiter wird deshalb auch intrinsischer Halbleiter genannt.

Störstellenleitung

Durch gezielte Verunreinigung eines Halbleiters mit Fremdatomen, das so genannte Dotieren, kann ein Überschuss oder Mangel von Elektronen gezielt herbeigeführt werden: Werden Fremdatome, die ein Elektron mehr/weniger im Valenzband haben, in einen Halbleiter eingebracht, so entsteht ein Elektronenüberschuss/Elektronenmangel - solche Fremdatome nennt man Donatoren/Akzeptoren. Bei Überschuss sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband, bei einem Mangel die gedachten, positiv geladenen Löcher oder Defektelektronen im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. Im ersten Fall spricht man von Elektronen-, im anderen Fall von Löcherleitung. Halbleiterbereiche mit Elektronenüberschuss bezeichnet man als n-dotiert, solche mit Mangel als p-dotiert. Im Übergangsbereich, der P-n-Übergang genannt wird, bildet sich eine Raumladungszone aus.

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.

Die Halbleitertechnik befasst sich mit der technischen Herstellung von Halbleiterbauelementen, Mikrochips und integrierten Schaltungen

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: Tetracen, Pentacen, Phthalocyanine
Unter Druck: Bi, Ca, Sr, Ba, Yb, P, S, I	II-VI: ZnO, 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.) Homopolare Bindung
3.) Van-der-Waals-Bindung
4.) Metallbindung
Die Übergänge zwischen diesen vier Bindungstypen sind fließend.

Direkte und Indirekte Halbleiter

Zudem ist es wichtig zwischen Direkten und Indirekten Halbleitern zu unterscheiden. Hierfür sollte beachten das die Obengenannten Bänder nicht waagerechte Linien sind, sondern über die Oberfläche eines Kristalls variieren. So das jeweils das Leitungsband und das Valenzband (unabhängig voneinander) Maxima und Minima besitzt. Befinden sich nun das absolute Maximum eines Leitungsbandes und das absolute Minimum eines Valenzbandes gegenüber so spricht man von einem Direkten Halbleiter. In dem Fall wo diese extrema nicht gegenüber liegen spricht man von einem Indirekten Halbleiter. Diese Eigenschaft von Halbleitern ist wichtig, da direkte Übergänge zu eine Photonenemission führen. Diese Eigenschaft ist z. B. für den Bau von LEDs notwendig. Direkte und Indirekte Halbleiter kann man mittels Absorptions versuch voneinander unterscheiden.

Direkte Halbleiter: GaAs, InP, GaN ...

Indirekte Halbleiter: Si, Ge, SiC ...

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 Verbindungehalbleiter oder Compound Semiconductor. Es handelt sich um Verbindungen aus Elementen der II und VI bzw. III-IV Hauptgrupe des Periodensystems, 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.

Weblinks

Siehe auch: Kategorie:Elektronik, Kategorie:Elektrische Bauelemente