Techniklexikon

Elementhalbleiter

Zusammenfassende Bezeichnung für die nur aus einem einzigen chemischen Element bestehenden Halbleiterwerkstoffe. Im Gegensatz zu den aus chemischen Verbindungen bestehenden Verbindungshalbleitern sind E. z. B. die chemischen Elemente Kohlenstoff (als Diamant), Silicium, Germanium, Zinn (a-Modifikation oder auch graues Zinn) aus der IV. Hauptgruppe des Periodensystems sowie das in der VI. Hauptgruppe stehende Element Selen. Die E. der IV. Hauptgruppe kristallisieren im Diamantgitter (Kristallstruktur) und weisen eine Atombindung durch Bildung von Elektronenbrücken, die kovalente Bindung, auf. Während in Silicium und Germanium freie Ladungsträger thermisch bzw. fotoelektrisch oder über Störstellenleitung erzeugt werden können (Generation), steht der Diamant an der Grenze zum Isolator (Bandabstand etwa 5, 5 eV), so daß eine thermische Eigenleitung nicht möglich ist. Das in trigonaler Kristallstruktur vorkommende Selen weist einen Bandabstand von 1, 8 eV auf, kommt nur p-leitend vor (p-Leitung) und hat eine sehr geringe Löcherbeweglichkeit (p etwa lOcmVVs). Technische Anwendung als Werkstoff für die Fertigung von Halbleiterbauelementen haben bisher nur Selen (für Gleichrichter und Fotoelemente), Germanium und Silicium gefunden. anorganische Halbleiter, deren Kristallbestandteile nur aus einem chemischen Element bestehen (im Gegensatz zu Verbindungshalbleitern). Die ersten vier Elemente der Hauptgruppe IV des Periodensystems kristallisieren in der Diamantstruktur mit kovalenten Bindungen und sind Halbleiter, deren Energielücke mit zunehmender Ordnungszahl abnimmt. Während Diamant mit einer Energielücke von E_G = 5,47 eV bei 300 K ein Isolator ist, sind Si mit E_G = 1,12 eV und Ge mit E_G = 0,66 eV Halbleiter. Sn dagegen hat nur bei 0 K noch eine Energielücke von E_G = 0,082 eV, weist bei Raumtemperatur aber keine Energielücke mehr auf und ist damit ein Halbmetall.