Halbleiter

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Einleitung

Halbleiter, festes oder flüssiges Material, das bei Raumtemperatur in der Lage ist, Elektrizität etwas besser zu leiten als ein Isolator, aber schlechter als ein Metall. Metalle wie Kupfer, Silber und Aluminium sind ausgezeichnete Leiter, aber Isolatoren wie Diamant und Glas sind sehr schlechte Leiter (siehe Isolation). Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich reine Halbleiter wie Isolatoren. Bei höheren Temperaturen oder bei Zufügung von Verunreinigungen (Dotierung) oder unter Lichteinfluss kann die Leitfähigkeit von Halbleitern gesteigert werden. Ihre Leitfähigkeit kann dann Werte erreichen, die mit Metallen vergleichbar sind. Die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern untersucht man in der Festkörperphysik.

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Leitungselektronen und Löcher

Die üblichen Halbleiter enthalten chemische Elemente und Verbindungen wie Silicium, Germanium, Selen, Galliumarsenid, Zinkselenid und Bleitellurid. Das Ansteigen der Leitfähigkeit mit Temperatur, Licht oder Verunreinigungen hängt mit der wachsenden Zahl der Leitungselektronen zusammen, die die Träger des elektrischen Stromes sind. In einem reinen, echten Halbleiter wie Silicium sind die äußeren Elektronen (Valenzelektronen) paarweise zusammen. Sie werden von den Atomen gemeinsam benutzt, um kovalente Bindungen herzustellen, die z. B. einen Kristall zusammenhalten (siehe chemische Reaktion). Diese Valenzelektronen sind nicht völlig frei beweglich, um elektrischen Strom zu transportieren. Sie sind allerdings so gut wie frei. Im Prinzip erzeugt man mit Hilfe höherer Temperaturen oder durch Licht aus Valenzelektronen Leitungselektronen. Bei diesem physikalischen Vorgang werden die Elektronen aus dem so genannten Valenzband in das Leitungsband „angehoben” – man bezeichnet dies auch als Generation. Im Valenzband bleiben dadurch Lücken oder Löcher zurück. (Diese Löcher werden als Träger von positiver Elektrizität bezeichnet.) Sowohl die Leitungselektronen als auch die zurückbleibenden Löcher leisten den wesentlichen Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit. Die Energie, die benötigt wird, um ein freies Elektron und ein Loch hervorzurufen, wird Energielücke genannt. Siehe auch Bändermodell

Mit Zunahme anderer „Fremdatome” nimmt die Leitfähigkeit eines Halbleiters ab. Je reiner ein Halbleitermaterial ist, desto weniger kommt es zu Streuphänomenen, die die Leitfähigkeit herabsetzen. Die Herstellung eines nahezu perfekten Halbleiterkristalls gelang israelischen Forschern 1997. In ihrem Kristall kommen auf fünf Milliarden Galliumarsenideinheiten ein störendes Atom eines anderen Elementes. Bei Probentemperaturen von 0,1 Kelvin (-273,26 °C) konnten die Wissenschaftler in Experimenten zur Leitfähigkeit Elektronengeschwindigkeiten von 14,4 Millionen Zentimeter pro Sekunde messen – der bis dahin geltende Rekord wurde mit diesem Wert um 40 Prozent übertroffen.

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Dotieren

Eine andere Methode, freie Träger von Elektrizität zu produzieren, ist das Hinzufügen von Verunreinigungen (Dotierungen) in den Halbleiter. Die Differenz in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen dem Dotierungsmaterial (entweder Donatoren oder Akzeptoren von Elektronen) und dem Empfänger ergibt ein Anwachsen von negativen (n-Leiter) oder positiven (p-Leiter) Trägern von Elektrizität. Dieses Konzept soll das Begleitdiagramm eines dotierten Siliciumkristalls (Si) veranschaulichen:

Jedes Siliciumatom besitzt vier Valenzelektronen (durch Punkte dargestellt). Zwei werden jeweils für die Bildung einer kovalenten Bindung benötigt. In einem n-Siliciumhalbleiter ersetzen Atome, wie z. B. Phosphor (P) mit fünf Valenzelektronen, einige Siliciumatome und stellen zusätzliche negative Ladungsträger zur Verfügung. In einem p-Siliciumatom führen Atome mit drei Valenzelektronen, wie z. B. Aluminium (Al), zu einem Mangel an Elektronen, also zu Löchern, die sich wie positive Elektronen verhalten. Die zusätzlichen Elektronen oder Löcher leiten die Elektrizität.

Wenn p- und n-Halbleiterbereiche benachbart sind, bilden sie eine Halbleiterdiode. Den Berührungsbereich nennt man p-n-Trennschicht. (Eine Diode ist ein zweipoliges Bauteil mit einem hohen Widerstand gegen Strom in der einen Richtung und einem niedrigen in der anderen Richtung). Die Leitungseigenschaften einer p-n-Trennschicht hängen von der Richtung der angelegten Spannung ab. Die Schicht kann andererseits auch zur Steuerung der elektrischen Vorgänge in dem Bauteil verwendet werden. Kombinationen von p-n-Trennschichten werden für den Bau von Transistoren und anderen Geräten, wie beispielsweise Solarzellen, p-n-Trennschichtlasern, Gleichrichtern und vielen anderen benutzt. Siehe Elektronik; Gleichrichtung; Solarenergie.

Halbleiterbauteile finden Anwendung in vielen Bereichen der Elektrotechnik. Neuere technische Entwicklungen führten zu kleinen Halbleiterchips, die Hunderttausende von Transistoren enthalten. Diese Chips machen einen hohen Grad der Miniaturisierung von elektronischen Geräten möglich. Ein effizienterer Einsatz dieser Chips wurde durch eine Technik ermöglicht, die Komplementär-Metalloxid-Halbleiterschaltung (CMOS: Complementary Metal-Oxide Semiconductor) heißt. Diese Chips bestehen aus Paaren von p- und n-Kanal-Transistoren, die durch eine Schaltung gesteuert werden. Außerdem werden extrem kleine Bauteile mit Hilfe der Molekularstrahl-Epitaxie angefertigt (Epitaxie = gleichmäßiges Anordnen).

Siehe auch Halbleitertechnik; integrierter Schaltkreis; Mikroprozessor