Halbleiter

Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Leiters und der eines Isolators liegt. Halbleiter lassen sich in zwei Gruppen einordnen, den Elementhalbleitern und den Verbindungshalbleiter. Zu den Elementhalbleitern zählen Elemente mit 4 Valenzelektronen, beispielsweise also das Element Silizium (Si) und Germanium (Ge). Die Gruppe der Verbindungshalbleiter umfasst Verbindungen, die im Mittel 4 Valenzelektronen besitzen. Dazu zählen Elemente der III. und V.Hauptgruppe (III-V-Halbleiter), wie Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumantimonid (InSb), und der II. und VI.Hauptgruppe (II-VI-Halbleiter), wie Bleiselenid (PbSe) oder Cadmiumsulfid (CdS). Die Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig und lässt sich durch das Einbringen von Fremdatomen, das sogenannte Dotieren, in weiten Grenzen steuern (s. u.).

Halbleiter bezeichnet man auch als Heißleiter, da ihre Leitfähigkeit mit steigender Temperatur ansteigt (näheres siehe unten).

Aus Halbleitern werden nahezu alle aktiven elektronischen Bauelemente gefertigt. Die gesamte Mikroelektronik basiert auf der Halbleitertechnologie.

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

Bändermodell von Leiter, Halbleiter und Nichtleiter

Inhaltsverzeichnis
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

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 so genannten 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 bewegliche 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) und/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.

Dotierung / 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 im Valenzband haben als der reine Halbleiter, in einen Halbleiter eingebracht, so bringt jedes dieser Fremdatome ein Elektron mit, das nicht für die Bindung benötigt wird und leicht abgelöst werden kann. Im Bänderschema liegt ein solches Elektron nahe unter der Leitungsbandkante. Ein Fremdatom, das ein Elektron abgibt, wird Donator (lat. donare = geben) genannt. Analog bringen Fremdatome, die ein Elektron weniger im Valenzband haben, ein zusätzliches Defektelektron (Loch) mit, welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann. Im Bänderschema liegt ein solches Loch nahe über der Valenzbandkante. Ein Fremdatom, welches ein Loch "abgibt", also ein Elektron aufnimmt, wird Akzeptor (lat. accipere = annehmen) genannt.

Bei Dotierung mit Donatoren sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband, bei Dotierung mit Akzeptoren die gedachten, positiv geladenen Löcher im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. Im ersten Fall spricht man von Elektronenleitung oder n-Leitung, im anderen Fall von Löcherleitung oder p-Leitung. Halbleiterbereiche mit Elektronenüberschuss bezeichnet man als n-dotiert, solche mit Mangel, also mit "Löcherüberschuss" als p-dotiert.

Im n-Leiter werden die Elektronen als Majoritätsträger (mehrheitlich vorhandene Ladungsträger), die Löcher als Minoritätsträger bezeichnet, im p-Leiter gilt die entsprechende Umkehrung.

Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen (siehe p-n-Übergang) 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.

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), was Voraussetzung für elektrischen Stromfluss ist. Bei chemisch reinen, sprich undotierten Halbleitern ist wesentlich größere Energie notwendig, spürbarer Leitungsmechanismus setzt erst bei hoher Temperatur ein und ist viel stärker temperaturabhängig.

Direkte und Indirekte Halbleiter

right|Bandstruktur eines indirekten und eines direkten Halbleiters

Man teilt Halbleiter in zwei Gruppen ein, die direkten und die indirekten Halbleiter. 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, das heißt die Ladungsträger werden neben ihrem Energieniveau im Bänderschema auch durch ihre "Geschwindigkeit" (Impuls = Masse * Geschwindigkeit) charakterisiert.

Betrachtet man nun das Bändermodell im Impulsraum, so stellt man fest, dass Leitungs- und Valenzbandkante nicht für jeden Impuls gleich ist, sondern dass beide Bandkanten mindestens ein Extremum aufweisen. Wenn nun ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband angeregt wird, so ist es am energetisch günstigsten (und somit am wahrscheinlichsten), wenn es vom Maximum des Valenzbandes zum Minimum des Leitungsbandes angeregt wird.

Liegen diese Extrema nun (nahezu) beim gleichen Quasiimpuls, so ist eine Anregung z.B. durch ein Photon ohne Weiteres möglich, 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. Dieser Impuls kann nicht von einem Photon (welches einen sehr kleinen Impuls hat) stammen, sondern muss von einer Gitterschwingung (auch Phonon) beigesteuert werden.

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.

In der Regel sind Elementhalbleiter (Si, Ge) und Verbindungshalbleiter aus der IV. Hauptgruppe indirekt, und Verbindungshalbleiter aus verschiedenen Hauptgruppen (III/V: GaAs, InP, GaN) direkt.

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, BeSe, BeTe, HgS Mischsysteme: Polyvinylcarbazol, TCNQ Komplexe
  III-VI: GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe], InTe ....  
  I-III-VI: CuInSe2, CuInGaSe2, CuInS2, CuInGaS2....  

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.

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. III-IV Hauptgruppe 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.

Siehe auch

Literatur

Weblinks

See also: Halbleiter, Absorption, Akzeptor, Bandlücke, Barium, Bismut, Bor, Bändermodell, Calcium, Defektelektron