Techniklexikon

Halbleiter

Kristalline Stoffe und intermetallische Verbindungen wie Galliumarsenid, die sich bei tiefen Temperaturen wie Isolatoren verhalten, bei Raum- und höheren Temperaturen aber eine merkliche elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die jedoch geringer ist als die von Metallen. Die »Eigenleitung« von H. beginnt, wenn ab bestimmten Temperaturen eine thermische Bewegung der Atome einsetzt und sich einzelne Elektronen aus ihren Bindungen befreien. Sie wandern dann frei im Kristall umher; wo das Elektron fehlt, ist ein positiv geladenes »Loch«, eine Elektronenlücke entstanden. Weil die Löcher wieder von Elektronen besetzt werden können, »wandern« auch diese. Liegt Spannung an einem H. , bewegen sich die Löcher in Richtung Minuspol, die Elektronen in Richtung Pluspol. Für die Elektronik brauchbar werden H. durch Dotieren, dem gezielten Einbau von Atomen anderer Elemente in die Kristallstruktur. Ersetzt man in hochreinem Silicium (mit vier Elektronen in der äußeren Atomschale) etwa jedes lOO-millionste Atom durch ein Phosphoratom (fünf Elektronen in der äußeren Atomschale), entstehen relativ viele freie Elektronen. Der H. wird einleitend (n von negativ). P-Leitung (p von positiv) entsteht durch Einbau von Aluminiumatomen, deren Außenschalen mit nur drei Elektronen besetzt sind. In diesem Fall entsteht in einem Stromkreis ein »Löcherstrom«. Bei einem n-Leiter in einem Stromkreis aus Metalldrähten werden die Elektronen, die am Pluspol den H. verlassen, am Minuspol durch Elektronen aus dem Metall ersetzt. Beim p-Leiter geht am Pluspol jeweils ein Elektron des Siliciumatoms in das Metall über, worauf im H. ein Loch nach Minus läuft; im Metall gibt es keine Löcher. H. Dioden (Diode) sind stromrichtungsabhängige Leiter. In der Elektronik: Elektronischer Halbleiter. Physikalisch defi nierter Festkörper, dessen Leitfähigkeit stark temperaturabhängig ist und zwischen der von Isolatoren (> I09 [Cl- cm]’) und der von Metallen (< 100[Cl-cm]1) liegt. Allgemeines Merkmal der H. ist, daß insbesondere ihre elektrischen Eigenschaften in weiten Grenzen einstellbar bzw. durch äußere Einwirkungen beeinflußbar sind (Halbleitereffekt). Nach dem Bändermodell sind H. dadurch gekennzeichnet, daß sie in der Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts (7= OK) wie Isolatoren wirken. Im Gegensatz zu diesen kann jedoch ihre spezifische Leitfähigkeit, die exponen-tiell mit der Temperatur ansteigt, um Größenordnungen erhöht werden (Eigenleitung). Darüber hinaus läßt sich die Leitfähigkeit eines Halbleiters auch durch geeignete Dotierung stark beeinflussen (Störstellenleitung). Die Bewegung (Leitungsmechanismus) und bewußte Beeinflussung (Steuerung) der Ladungsträger, die in den Halbleiterbauelementen gezielt ausgenutzt wird, beruht auf einer Reihe von Prozessen und Effekten, wie Generation und Rekombination, Anregung, Emission, Lumineszenz, Diffusion. Des weiteren spielen in Bauelementestrukturen. Grenzflächen und -schichten sowie die darauf basierenden Halbleiterübergänge eine wesentliche Rolle (Injektion, Inversion, Ladungsträgerinfluenz, Anrei-cherungs-, Verarmungs- und Sperrschichten). Diese Vorgänge und Erscheinungen im H. können mit Hilfe des Bändermodells bzw. eines Energiebandschemas relativ einfach verstanden und qualitativ beschrieben werden. Als Halbleiterwerkstoffe, d. h. für die Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen und IS, werden neben den klassischen Elementhalbleitern (Si-licium und Germanium) auch Verbindungshalbleiter genutzt, insbesondere einige III-V-Halbleiter £ Galliumarsenid, Indiumphosphid und Galliumphos-phid). In jüngster Zeit gewinnen auch einige nichtkristalline H. (Halbleiter, amorpher) an Bedeutung. ein Material, bei dem die Fermi-Energie der Elektronen für beliebig niedrige Temperaturen innerhalb der verbotenen Zone liegt. Die früher gebräuchliche Einteilung der festen Körper nach der Grösse ihrer elektrischen Leitfähigkeit in Metalle, Halbleiter und Isolatoren erwies sich als nicht eindeutig. Auf Grund der Theorie der elektrischen Leitfähigkeit ist eine Einteilung nach der Lage der Fermi-Energie im Energiespektrum der Elektronen zweckmässiger. Eine starre Abgrenzung zwischen Halbleiter und Isolator kann nicht festgelegt werden, vielmehr sind neben der Breite der verbotenen Zone (Bändermodell) auch die im Festkörper vorhandenen Störstellen nach Art und Konzentration sowie die Temperatur für die Grösse der elektrischen Leitfähigkeit massgeblich. Ein fester Körper hat damit halbleitende Eigenschaften innerhalb eines Temperaturbereiches, in dem die thermische Energie der Elektronen mit der durch die verbotene Zone gegebenen Energiedifferenz im Fall des Eigenleiters (Eigenleitung) oder mit der Aktivierungsenergie von Störstellen vergleichbar ist. Sofern Störstellen in ausreichender Konzentration im Festkörper eingelagert sind, handelt es sich dann um einen n- oder p-leitenden Halbleiter. Der durch Störstellen bedingte Leitungstyp wird auch Störleitung genannt. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern und Isolatoren kann durch äussere Störungen, z.B. Lichteinstrahlung oder elektrostatische Einwirkung, beeinflusst werden. Diese Eigenschaften begründen die meisten der bisher bekannten Funktionsmechanismen aktiver Halbleiterbauelemente. In der bisherigen Halbleitertechnologie haben solche Stoffe besondere Bedeutung erlangt, die im Bereich der Zimmertemperatur Halbleitereigenschaften, insbesondere Störstellenleitung, aufweisen. Dabei erwiesen sich die im Typ des Diamantgitters kristallisierenden Elemente Germanium (Ge) und Silicium (Si) als besonders günstig. Neben diesen Elementhalbleitern, deren Kristallbausteine nur aus einem chemischen Element bestehen, haben Verbindungshalbleiter, v.a. Verbindungen von Elementen aus der III. und V. Hauptgruppe (III-V-Halbleiter: GaAs, InSb usw.) oder II. und VI. Hauptgruppe (II-VI-Halbleiter: CdS, ZnS usw.), inzwischen grosse Bedeutung.

Der Vielzahl anorganischer Halbleitersubstanzen steht eine verhältnismässig geringe Anzahl organischer Verbindungen mit Halbleitereigenschaften gegenüber. Bei Naphthalin z.B. konnten Eigenleitung und Störleitung nachgewiesen werden. Seit einiger Zeit haben glasartige oder amorphe Halbleiter technisches Interesse gefunden, insbesondere Chalkogenidgläser und dotierbares amorphes Silicium, letzteres für billige grossflächige Solarzellen. Das für kristalline Halbleiter anwendbare Bändermodell bedarf im Fall der Anwendung auf glasartige Halbleiter einer konzeptionellen Modifikation, da einer der Grundbegriffe im Bändermodell, der Wellenvektor, seine Bedeutung verliert (amorphe Festkörper).