Leitung in Halbleitern
Einige physikalische Grundlagen
Unter einem Halbleiter versteht man einen Stoff, dessen elektrisches Leitvermögen zwischen dem von Isolatoren und dem von Leitern liegt. Technisch wichtige Halbleiter sind Germanium, Silicium, Selen und Tellur sowie zahlreiche Verbindungen aus Elementen der III. und V. Gruppe sowie der II. und IV. Gruppe des Periodensystems der Elemente (z.B. Galliumarsenid GaAs oder Indiumphosphat InP). Die elektrische Leitfähigkeit bzw. deren Kehrwert, der spezifische elektrische Widerstand, hängt stark von der stofflichen Zusammensetzung und den gegebenen Bedingungen ab.
Allgemein gilt aber für Halbleiter wie für andere Stoffe, dass ein elektrischer Leitungsvorgang nur zustandekommt, wenn die folgenden zwei Voraussetzungen erfüllt sind:
| Es müssen frei bewegliche (wanderungsfähige) Ladungsträger vorhanden sein: In Halbleiter handelt es sich um Elektronen und Defektelektronen, die teilweise vorhanden sind, darüber hinaus aber in unterschiedlicher Weise erzeugt werden können. |
| Es muss im betreffenden Raumbereich ein elektrisches Feld existieren: Das wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung erreicht. |
Der Verlauf des elektrischen Leitungsvorganges in Halbleitern ist ganz allgemein dadurch gekennzeichnet, dass
| sich Elektronen bzw. Defektelektronen (Löcher) unter dem Einfluss des elektrischen Feldes in einer Vorzugsrichtung bewegen; |
| die gerichtete Bewegung der Elektronen und Defektelektronen durch die anderen Teilchen des Stoffes behindert wird. Dabei können sehr unterschiedliche Effekte auftreten, z.B. die Abgabe von Wärme oder Strahlung. |
Die Atombindung
In reinen Halbleitern - darunter versteht man Halbleiter mit nur sehr wenigen Fremdatomen - liegt eine Atombindung vor. Die Atombindung ist eine der drei chemischen Hauptbindungsarten, zu denen man auch die Ionenbindung und die Metallbindung zählt. Fügen sich mehrere Atome zu einem größeren Verbund zusammen, dann erfolgt dies fast immer so, dass sie durch ihren Zusammenschluss einen energetisch stabilen Zustand erlangen, der auf Bindungskräften zwischen den einzelnen Atomen beruht. Eine Möglichkeit, eine stabile Bindung zu realisieren, besteht für die Atome darin, sich mit benachbarten Atomen Elektronen zu teilen. Nach der Schalentheorie der Atomhülle sind alle äußeren Elektronenschalen, die mit genau acht Elektronen oder einer abgeschlossenen Elektronenhülle besetzt sind, besonders stabil. Allen Atomen, die im Periodensystem der Elemente zu der siebenten Hauptgruppe gehören, fehlt genau ein Elektron zur Erlangung einer abgeschlossenen Achterschale. Indem sie sich mit anderen Atomen ein Elektronenpaar gemeinsam teilen, können sie wechselseitig jeweils paarweise stabile Elektronenanordnungen (Elektronenkonfigurationen) erzielen. Atome, die nicht zur siebenten Hauptgruppe gehören, müssen zur Erlangung eines stabilen Zustandes durch Atombindung unter Umständen mehrere gemeinsame Valenzelektronenpaare bilden. Dies erfolgt zum Beispiel beim Halbleiter Silicium (4. Hauptgruppe) durch jeweils vier Elektronenpaare. Eine Reihe von Eigenschaften der Halbleiter können auf die physikalischen Besonderheiten der Atombindung zurückgeführt werden. Zu diesen Eigenschaften gehören z. B. die geringe elektrische Leitfähigkeit bei reinen Stoffen und die starke Veränderbarkeit der Leitfähigkeit durch Einbau von Stoffen mit anderer chemischer Wertigkeit (Dotieren).
Struktur von Silicium, einem technisch wichtigen Halbleitermaterial
Eigenleitung und Störstellenleitung
In reinen Halbleitern sind bei sehr niedrigen Temperaturen praktisch alle Elektronen gebunden. Beim Anlegen einer Spannung fließt kein Strom. Aber bereits bei Zimmertemperatur können aufgrund der thermischen Bewegung Elektronen ihre Bindung verlassen. Im Halbleiter sind dann freie Elektronen und Fehlstellen, die man als Löcher oder Defektelektronen bezeichnet, vorhanden. Diesen Effekt nennt man Paarbildung, den umgekehrten Effekt der Besetzung einer Fehlstelle durch ein Elektron Rekombination. Im statistischen Mittel halten sich Paarbildung und Rekombination die Waage. Es sind aber immer freie Elektronen und Defektelektronen vorhanden.
Bei Anlegen eines elektrischen Feldes bewegen sich die Elektronen in einer Vorzugsrichtung. Sie besetzen Löcher, Bindungen brechen neu auf, es entstehen wieder freie Elektronen und Löcher usw. Insgesamt bewegen sich die Elektronen in der einen und damit die Löcher in der anderen Richtung. Es fließt somit ein Strom, der allerdings in der Regel sehr klein ist. Diese Form der Leitung in Halbleitern wird als Eigenleitung bezeichnet.
Eigenleitung in einem Halbleiter
Werden in Halbleiter, z.B. in Silicium, gezielt Fremdatome der III. oder der V. Hauptgruppe des PSE eingebaut, so entstehen im Kristall zusätzliche Fehlstellen oder Störstellen, verbunden mit zusätzlichen freien Elektronen bzw. Defektelektronen. Durch das Dotieren entstehen sogenannten n-Halbleiter bzw. p-Halbleiter (Bild 4) mit einer deutlich höheren Leitfähigkeit als sie das reine Halbleitermaterial hat. Die Leitung, die durch das Dotieren zustandekommt, wird als Störstellenleitung bezeichnet.
Die Leitung in Halbleitern lässt sich auch mit dem Bändermodell erklären. Ausführliche Informationen dazu sind unter diesem Stichwort in einem gesonderten Beitrag auf der CD zu finden.
n-Halbleiter und p-Halbleiter entstehen durch Dotieren.
Beeinflussung elektrischer Leitungsvorgänge in Halbleitern
Elektrische Leitungsvorgänge können in vielfältiger Weise beeinflusst werden, z.B. durch Temperatur oder Licht, aber auch durch Druck, Verformung, elektrische und magnetische Felder. Daraus ergeben sich zahlreiche technische Anwendungsmöglichkeiten.
Beispiele für Bauelemente, in denen die Leitfähigkeit durch Wärme bzw. durch Licht beeinflusst wird, sind Thermistoren und Fotowiderstände. In welcher Weise ihre Leitfähigkeit beeinflusst wird, ist in Bild 5 dargestellt.
Wichtige Halbleiterbauelemente: Thermistoren und Fotowiderstände
Einige Halbleiterbauelemente im Überblick
In den letzten Jahren sind eine Vielzahl von Halbleiterbauelemente mit speziellen Eigenschaften entwickelt worden. Es ist nicht möglich, diese Vielfalt auch nur annähernd vollständig darzustellen. In Bild 6 sind Repräsentanten wichtiger Gruppen solcher Halbleiterbauelemente zusammengestellt. Zu Halbleiterdioden, Transistoren, Lichtempfängern und Lichtsendern sowie zu ausgewählten Anwendungen (Operationsverstärker, Sensoren, digitale Grundschaltungen) sind Informationen in gesonderten Beiträgen auf der CD zu finden.
Überblick über wichtige Halbleiterbauelemente
unipolarer Transistor Fotoelement LED Halbleiter Thermistoren Eigenleitung bipolarer Transistor Elektronenpaar Halbleiterbauelemente Gleichrichterdiode elektrische Leitung in Halbleitern Feldeffekttransistor Loch p-Leitung n-Halbleiter freie Elektronen p-Halbleiter Leuchtdiode Fotowiderstände elektrische Leitungsvorgänge in Halbleitern Defektelektronen Rekombination Lichtemitterdiode n-Leitung Solarzelle Löcher Atombindung Störstellenleitung Valenzelektronenpaare Fotodiode Dotierung Elektronenkonfiguration Paarbildung Dotieren Simulation Bändermodell
Ein Angebot von 