Was ist Halbleiter?

 

Ein Halbleitermaterial hat einen elektrischen Leitfähigkeitswert, der zwischen dem eines Leiters, wie beispielsweise metallischem Kupfer, und einem Isolator, wie beispielsweise Glas, liegt. Sein spezifischer Widerstand fällt mit steigender Temperatur; Metalle verhalten sich umgekehrt. Seine leitenden Eigenschaften lassen sich durch Einbringen von Verunreinigungen (\"Dotieren\") in die Kristallstruktur sinnvoll verändern. Wenn zwei unterschiedlich dotierte Bereiche im selben Kristall vorhanden sind, entsteht ein Halbleiterübergang. Das Verhalten von Ladungsträgern, zu denen Elektronen, Ionen und Elektronenlöcher gehören, an diesen Übergängen ist die Grundlage von Dioden, Transistoren und modernster Elektronik. Einige Beispiele für Halbleiter sind Silizium, Germanium, Galliumarsenid und Elemente in der Nähe der sogenannten „Metalloidtreppe“ im Periodensystem. Nach Silizium ist Galliumarsenid der zweithäufigste Halbleiter und wird in Laserdioden, Solarzellen, integrierten Mikrowellenschaltungen und anderen verwendet. Silizium ist ein kritisches Element für die Herstellung der meisten elektronischen Schaltungen.

 

Halbleiterbauelemente können eine Reihe nützlicher Eigenschaften aufweisen, z. B. Strom leichter in eine Richtung leiten als in die andere, variablen Widerstand aufweisen und licht- oder wärmeempfindlich sein. Da die elektrischen Eigenschaften eines Halbleitermaterials durch Dotierung und durch das Anlegen elektrischer Felder oder Licht modifiziert werden können, können aus Halbleitern hergestellte Vorrichtungen zum Verstärken, Schalten und zur Energieumwandlung verwendet werden.

 

 

Eine große Anzahl von Elementen und Verbindungen haben halbleitende Eigenschaften, darunter:

 

 

 

• l Bestimmte reine Elemente befinden sich in Gruppe 14 des Periodensystems; Die kommerziell wichtigsten dieser Elemente sind Silizium und Germanium. Silizium und Germanium werden hier effektiv eingesetzt, da sie in ihrer äußersten Schale 4 Valenzelektronen haben, die ihnen die Fähigkeit verleihen, gleichzeitig Elektronen zu gewinnen oder abzugeben.

 

• l Binäre Verbindungen, insbesondere zwischen Elementen der Gruppen 13 und 15, wie Galliumarsenid, Gruppen 12 und 16, Gruppen 14 und 16, und zwischen verschiedenen Elementen der Gruppe 14, z. Siliziumkarbid.

 

• l Bestimmte ternäre Verbindungen, Oxide und Legierungen.

 

• l Organische Halbleiter, hergestellt aus organischen Verbindungen.

 

• l Halbleitende metallorganische Gerüste.

 

 

 

Halbleitermaterialien

 

Festkörpermaterialien werden üblicherweise in drei Klassen eingeteilt: Isolatoren, Halbleiter und Leiter. (Bei niedrigen Temperaturen können einige Leiter, Halbleiter und Isolatoren zu Supraleitern werden.) Die Abbildung zeigt die Leitfähigkeiten σ (und die entsprechenden spezifischen Widerstände ρ = 1/σ), die einigen wichtigen Materialien in jeder der drei Klassen zugeordnet sind. Isolatoren wie Quarzglas und Glas haben sehr niedrige Leitfähigkeiten in der Größenordnung von 10-18 bis 10-10 Siemens pro Zentimeter; und Leiter wie Aluminium haben hohe Leitfähigkeiten, typischerweise von 104 bis 106 Siemens pro Zentimeter. Die Leitfähigkeit von Halbleitern liegt zwischen diesen Extremen und ist im Allgemeinen empfindlich gegenüber Temperatur, Beleuchtung, Magnetfeldern und winzigen Mengen an Fremdatomen. Zum Beispiel kann die Zugabe von etwa 10 Atomen Bor (bekannt als Dotierstoff) pro Million Atome Silizium seine elektrische Leitfähigkeit um das Tausendfache erhöhen (was teilweise die große Variabilität erklärt, die in der vorhergehenden Abbildung gezeigt wird).

 

Die Untersuchung von Halbleitermaterialien begann im frühen 19. Jahrhundert. Die elementaren Halbleiter bestehen aus einzelnen Atomarten, wie Silizium (Si), Germanium (Ge) und Zinn (Sn) in Spalte IV und Selen (Se) und Tellur (Te) in Spalte VI des Periodensystems. Es gibt jedoch zahlreiche Verbindungshalbleiter, die aus zwei oder mehr Elementen aufgebaut sind. Galliumarsenid (GaAs) zum Beispiel ist eine binäre III-V-Verbindung, die eine Kombination aus Gallium (Ga) aus Spalte III und Arsen (As) aus Spalte V ist. Ternäre Verbindungen können durch Elemente aus drei verschiedenen Spalten gebildet werden – zum Beispiel Quecksilber-Indium-Tellurid (HgIn2Te4), eine II-III-VI-Verbindung. Sie können auch durch Elemente aus zwei Säulen gebildet werden, wie z. B. Aluminiumgalliumarsenid (AlxGa1 − xAs), das eine ternäre III-V-Verbindung ist, wobei sowohl Al als auch Ga aus Spalte III stammen und der Index x sich auf die Zusammensetzung von bezieht die beiden Elemente von 100 Prozent Al (x = 1) bis 100 Prozent Ga (x = 0). Reines Silizium ist das wichtigste Material für integrierte Schaltungsanwendungen, und binäre und ternäre III-V-Verbindungen sind für die Lichtemission am wichtigsten.

 

 

 

 

Wie Halbleiter funktionieren

 

 

Heutzutage werden die meisten Halbleiterchips und Transistoren mit Silizium hergestellt. Sie haben vielleicht schon Ausdrücke wie „Silicon Valley“ und „Silicon Economy“ gehört, und deshalb ist Silizium das Herzstück jedes elektronischen Geräts.

Eine Diode ist das einfachste mögliche Halbleiterbauelement und daher ein ausgezeichneter Ausgangspunkt, wenn Sie verstehen möchten, wie Halbleiter funktionieren. In diesem Artikel erfahren Sie, was ein Halbleiter ist, wie Dotierung funktioniert und wie eine Diode aus Halbleitern hergestellt werden kann. Aber werfen wir zunächst einen genaueren Blick auf Silizium.

Silizium ist ein sehr häufig vorkommendes Element – ​​zum Beispiel ist es das Hauptelement in Sand und Quarz. Wenn Sie im Periodensystem nach „Silizium“ suchen, werden Sie feststellen, dass es neben Aluminium, unter Kohlenstoff und über Germanium sitzt.

Kohlenstoff, Silizium und Germanium (Germanium ist wie Silizium ebenfalls ein Halbleiter) haben eine einzigartige Eigenschaft in ihrer Elektronenstruktur – jedes hat vier Elektronen in seinem äußeren Orbital. Dadurch können sie schöne Kristalle bilden. Die vier Elektronen bilden perfekte kovalente Bindungen mit vier benachbarten Atomen, wodurch ein Gitter entsteht. Bei Kohlenstoff kennen wir die kristalline Form als Diamant. Bei Silizium ist die kristalline Form eine silbrige, metallisch aussehende Substanz.

In einem Siliziumgitter binden alle Siliziumatome perfekt an vier Nachbarn, sodass keine freien Elektronen übrig bleiben, um elektrischen Strom zu leiten. Dies macht einen Siliziumkristall eher zu einem Isolator als zu einem Leiter.

Metalle sind in der Regel gute elektrische Leiter, weil sie normalerweise \"freie Elektronen\" haben, die sich leicht zwischen Atomen bewegen können, und Elektrizität beinhaltet den Fluss von Elektronen. Während Siliziumkristalle metallisch aussehen, sind sie in Wirklichkeit keine Metalle. Alle äußeren Elektronen in einem Siliziumkristall sind an perfekten kovalenten Bindungen beteiligt, sodass sie sich nicht bewegen können. Ein reiner Siliziumkristall ist fast ein Isolator – es fließt nur sehr wenig Strom durch ihn.

Aber Sie können all dies durch einen Prozess namens Doping ändern.