Informations- und Kommunikationstechnik

Halbleiterwerkstoffe

Nach allgemeinen Hinweisen zu Halbleiterwerkstoffen und einem damit verbundenen Energiebändermodell folgen in weiteren Untertiteln Beschreibungen zur Eigenleitung von Halbleitern, die Stromleitung bei den Störstellenhalbleitern mit n- und p-Dotierung. Erweitert durch animierte Darstellungen werden sowohl der stromlose pn-Übergang und der pn-Übergang im Gleichstromkreis beschrieben.

Metallische Leiter zeichnen sich durch eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aus. Im Vergleich dazu kennt man einige Elemente und chemische Verbindungen mit sehr viel geringerer Fähigkeit elektrischen Strom zu leiten. Sie zählen noch nicht zu den Isolatoren, denn ihr spezifischer Widerstand ist nicht hoch genug. Mit ihrer elektrischen Leitfähigkeit stehen sie zwischen Leitern und Isolatoren und werden Halbleiter genannt. Verglichen mit Metallen oder Isolatoren nimmt ihre Leitfähigkeit stark zu bei:

Die bekanntesten Elementhalbleiter aus der IV. Hauptgruppe des periodischen Systems der Elemente (PSE) sind Silicium Si und Germanium Ge. Zu den Elementhalbleitern zählen auch Selen Se und Tellur Te aus der VI. Hauptgruppe des PSE.

Es gibt eine große Gruppe der Verbindungshalbleiter, chemische Verbindungen zwischen Elementen der III. und V. Hauptgruppe des PSE wie Galliumarsenid GaAs, Galliumphosphid GaP, Indiumphosphid InP oder Indiumantimonid InSb. Andere Verbindungshalbleiter bestehen aus Elementverbindungen der II. Nebengruppe oder IV. Hauptgruppe mit der VI. Hauptgruppe des PSE. Dazu rechnen Cadmiumsulfid CdS, Cadmiumselenid CdSe, Zinksulfid ZnS, Bleisulfid PbS und Bleiselenid PbSe. Halbleitereigenschaften lassen sich auch bei einigen Oxiden und Carbiden wie Kupferoxid (Cu2O) und Siliciumcarbid (SiC) nachweisen.

Leitfähigkeit diverser Werkstoffe

Die Tabelle zeigt die wichtigsten Anwendungsbereiche verschiedener Halbleiterwerkstoffe.

Einsatzbereich Halbleiterwerkstoff
Diode, Transistor, IC Ge, Si, GaAs
LED, Laserdiode GaP, GaAs, InAs, InSb
Fotozelle, Solarzelle, LDR Ge, Si, GaAs, CdS, CdSe
Feldplatte, Hallgenerator InSb, InAs


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Das Energiebändermodell

Mit dem Energiebändermodell kann das elektrische Verhalten von Werkstoffen veranschaulicht werden. Der Atomkern eines Elements ist von der gleichen Anzahl Elektronen umgeben, wie es positiven Kernladungen, Protonen gibt. Die Elektronen verteilen sich auf Orbitale, bestimmten Energieniveaus, die eine definierte Anzahl von Elektronen aufnehmen können. Die Besetzung erfolgt stufenweise vom energetisch niedrigsten zum höchsten Zustand. In den Orbitalen umgeben die Elektronen den Kern ohne Energieverlust. Im Atomverband, das kann ein Kristallgitter sein, beeinflussen sich die Atome umso mehr, je enger sie miteinander gebunden sind. Die Energieniveaus der äußeren Schalen spalten sich dabei auf und bilden eine Vielzahl nahe beieinanderliegender diskreter Energiezustände.

Das bei der Temperatur 0 Kelvin energetisch höchste voll besetzte Band wird Valenzband genannt. Das darüber liegende niedrigste leere oder teilbesetzte Energieband ist das Leitungsband. Bei Metallen überlappen diese beiden Bänder. Bei Halbleitern befindet sich zwischen Valenz- und Leitungsband eine schmale Bandlücke. Sie wird verbotene Zone genannt und kann von Elektronen nicht besetzt werden. Bei Isolatoren ist diese Bandlücke besonders breit. Je weiter sich ein Elektron von seinem Atomkern entfernt, desto größer wird seine potenzielle Energie, die in Elektron(en)volt eV angegeben.

Ein Elektronvolt ist die Energie, die ein Elektron erhält, wenn es durch die Potenzialdifferenz von einem Volt beschleunigt wurde. 1 eV = 1,60207·10−19 Joule

Energiebänder

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Die Eigenleitung bei Halbleitern

Im Silicium- oder Germaniumgitter bilden die Atome mit ihren 4 Valenzelektronen Elektronenpaarbindungen aus. Dabei ist jedes Atom im Mittel von 8 Elektronen umgeben. Das Valenzband ist voll besetzt und das Leitungsband bleibt leer. Zur Stromleitung stehen keine freien Elektronen zu Verfügung und diese Halbleiterelemente sollten eigentlich Nichtleiter oder Isolatoren sein.

Eigenleitung mit Gitter und Energieband

Ladungsträger Generation – Paarbildung

Der dargestellte Idealzustand der Bandbesetzung ist nur in extrem reinen Kristallen und bei der absoluten Temperatur von 0 Kelvin denkbar. Bei Halbleitern ist der Energieunterschied zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband sehr gering. Für Germanium wird ein Energieabstand von 0,72 eV und für Silicium von 1,12 eV angegeben. Galliumarsenid liegt mit 1,43 eV etwas höher. Die von der Raumtemperatur zugeführte thermische Energie reicht aus, um einige Elektronen in das Leitungsband springen zu lassen. Auch bei optischer Anregung mit Licht geeigneter Wellenlängen oder der Energiezufuhr in elektrischen- und magnetischen Feldern kann die Bandlücke übersprungen werden.

Der Anregungsprozess wird als Ladungsträger Generation oder Paarbildung bezeichnet. Pro Elektron, das aus dem Valenzband in das Leitungsband springt, bleibt im Valenzband des Atom- oder Molekülverbands eine Elektronenlücke, ein Loch, als Defektelektron bezeichnet, zurück. Die Zahl der freigesetzten Elektronen und Defektelektronen ist klein. Sie liegt bei rund einem Paar je 1010 Atome. Der folgende Flashfilm zeigt schrittweise die Paarbildung von Ladungsträgern bei äußerer Energiezufuhr.

Rekombination und Ladungsträgerbewegung

Ohne eine außen angelegte Spannung bewegen sich die Elektronen ziellos im Halbleiterkristall. Durch Rekombination füllen Leitungselektronen aus dem Leitungsband die Löcher wieder auf. Ein Defektelektron kann aber auch durch das Aufbrechen einer benachbarten Elektronenpaarbindung neutralisiert werden. Das Elektronenloch entsteht an einer anderen Gitterstelle neu. Elektronen und Löcher wandern somit sprunghaft innerhalb des Kristallgitters. Für jede Temperatur bildet sich ein Gleichgewichtszustand zwischen Paarbildung und Rekombination aus.

Eigenleitung bei angelegter Spannung

Das Besondere bei der Eigenleitung der Halbleiter ist, dass der Stromfluss durch freie Elektronen im Leitungsband und einer gleichzeitig gegenläufigen Wanderung der Defektelektronen im Valenzband erfolgt. Bei anliegender äußerer Spannung wandern die freien Elektronen im Leitungsband in gerichteter Bewegung zum positiven Pol. Der Vorgang wird als Elektronenleitung bezeichnet.

Die Löcher oder Defektelektronen bewegen sich scheinbar zum Minuspol in die Richtung der negativen Feldstärke. Dieser Vorgang heißt Löcherleitung. Tatsächlich werden die Löcher, von der Seite der negativen Feldstärke gesehen, durch kontinuierlichen Bindungsaufbruch aufgefüllt und an der Kathode schließlich durch ein Elektron geschlossen.

Die Eigenleitfähigkeit nimmt bei allen Halbleitern mit steigender Temperatur zu. Der Paarbildungseffekt ist nicht beeinflusst von der begrenzten freien Beweglichkeit der Ladungsträger, die sonst bei Temperaturerhöhung auftritt. Die Halbleiterwerkstoffe besitzen die Eigenschaft eines Heißleiters.

Werden Halbleitern mit Lichtenergie geeigneter Wellenlängen bestrahlt, nimmt die Paarbildung und damit die Eigenleitfähigkeit zu. Es handelt sich hierbei um einen inneren lichtelektrischen Effekt. Bei dieser Fotoleitung verlassen die freigesetzten Elektronen den Halbleiterwerkstoff nicht. Sie werden in das energetisch höhere Leitungsband angehoben. Technisch wird dieser Effekt beim LDR-Fotowiderstand mit dem Halbleiter Cadmiumsulfid CdS genutzt.

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Störstellenhalbleiter mit n- und p-Dotierung

Gibt es im Halbleiterwerkstoff Fehlstellen im Atom- oder Molekülgitter, so sind in diesen Bereichen auch die Elektronenpaarbindungen gestört. Je nach Reinheitsgrad befinden sich mehr oder weniger Fremdatome mit einer anderen Anzahl an Valenzelektronen im Gitter. Bei diesen Halbleitern, Störstellenhalbleiter genannt, ist die Aktivierungsenergie zur Erzeugung der Leitfähigkeit kleiner. Durch eine kontrollierte Verunreinigung, dem Dotieren, können Halbleiter mit ganz bestimmten Eigenschaften hergestellt werden.

n-Halbleiter

Dotiert man reinstes Halbleitergrundmaterial aus vierwertigem Silicium oder Germanium mit Elementen aus der V. Hauptgruppe, dann entstehen Störstellen mit Elektronenüberschuss. Vielfach wird mit Phosphor P, Arsen As, Antimon Sb oder Wismut Bi dotiert. Diese Atome bringen 5 Valenzelektronen ins Gitter, wobei aber nur 4 Elektronen zur Bindung mit den Nachbaratomen benötigt werden. Elektronen abgebende Elemente werden Donatoren genannt. Das Energieniveau der zusätzlichen Elektronen liegt innerhalb der Bandlücke knapp unterhalb des Leitungsbandes der Gitteratome.

N-Dotierung mit Gitter und Energieband

Bei normaler Dotierung (n) kommt ein Donatoratom auf 107 Siliciumatome. Bei hoher Dotierung (n+) findet man 1 Donatoratom auf 104 Si-Atome (nach Siemens Werksangaben). Gibt das Donatoratom sein Elektron in das Leitungsband ab, so bleibt es als positiv geladenes Ion ortsfest im Gitter gebunden. Ein n-Halbleiter ist nach außen hin elektrisch neutral, da die Summe aller Kernladungszahlen gleich der Summe aller Elektronen ist.

Die fünfwertigen Donatoratome stellen negative Ladungsträger für die Stromleitung zur Verfügung. In n-Halbleitern sind Elektronen die Majoritätsträger. Die ebenfalls vorhandenen Löcher aus der Eigenhalbleitung des Halbleitergrundmaterials zählen zu den Minoritätsträgern, die in der Skizze oben nicht dargestellt sind.

p-Halbleiter

Halbleiterkristalle der IV. Hauptgruppe lassen sich auch mit Elementen der III. Hauptgruppe dotieren. Oft verwendete Elemente sind Bor B, Aluminium Al, Gallium Ga oder Indium In. Sie bringen nur drei Valenzelektronen ins Gitter ein. Eine der vier Elektronenpaarbindungen zu den vierwertigen Halbleiteratomen kann daher nicht geschlossen werden. Im Gitter entsteht eine Elektronenlücke, ein Defektelektron. Diese Löcher werden aus dem Valenzband der Gitteratome aufgefüllt, wobei sich an anderer Stelle eine neue Elektronenlücke bildet. Fremdatome, die zur Ausbildung einer symmetrischen Bindung im Kristallgitter Elektronen aufnehmen müssen, sind Akzeptoratome, die dabei im Gitterverband zum ortsfesten negativen Ion werden. Das Energieniveau der Akzeptoren ist in der Bandlücke etwas oberhalb des Valenzbandes der Gitteratome angeordnet.

P-Dotierung mit Gitter und Energieband

Bei normaler Dotierung (p) kommt 1 Fremdatom auf 106 Siliciumatome. In hoch dotiertem Material (p+) sind je Akzeptoratom 104 Si-Atome vorhanden (nach Siemens Werksangaben). Auch der p-Halbleiter ist nach außen hin elektrisch neutral, da die Summe aller Kernladungszahlen gleich der Summe aller Elektronen ist. In p-Halbleitern erfolgt der Stromtransport fast nur durch Defektelektronen. Sie verhalten sich wie positive Ladungsträger. Die Majoritätsträger in p-Halbleitern sind Löcher. Die ebenfalls vorhandenen, im Bild nicht dargestellten Elektronen aus der Eigenhalbleitung des Halbleitergrundmaterials bilden beim Ladungstransport die Minoritätsträger.

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Der stromlose pn-Übergang

Viele elektronische Halbleiterbauteile besitzen sowohl p- als auch n-leitende Bereiche im Halbleitergrundkristall. Am Kontaktbereich beider bildet sich als besondere Zone der pn-Übergang aus. Die thermische Bewegung der Elektronen im n-Material und die der Löcher im p-Material führen zum Austausch der Ladungsträger entlang des Kontakts. Elektronen aus der n-Schicht diffundieren in die p-Schicht. Ebenso diffundieren Löcher aus dem p-Halbleiter den Elektronen entgegen zur Grenzschicht hin.

Beim Diffusionsvorgang kommt es an der Schichtgrenze zur Rekombination der unterschiedlichen Ladungsträger. Bei der Vereinigung von Elektronen und Elektronenlöcher entsteht eine Zone, die fast frei von Ladungsträgern ist. Dieser Bereich verhält sich elektrisch jetzt wie ein undotierter Halbleiter. Der folgende Flashfilm stellt das mit Erläuterungen animiert dar.

Aus dem elektrisch neutralen n-Halbleiter diffundieren Elektronen in die p-Schicht hinein. Ihr Ursprung sind die Donatoratome, die bei der Elektronenabgabe als positive Ionen im Gitter gebunden bleiben. Bei der Rekombination der Elektronen mit den Löchern im p-Material bleiben nahe der Grenzschicht die positiven ortsfesten Donatorionen im Atomgitter des n-Halbleiters zurück. Ihre Ladung ist damit elektrisch nicht mehr ausgeglichen. An der Grenzschicht baut sich im n-Halbleiter eine positive Ladung auf.

Aus der elektrisch neutralen p-Schicht diffundieren Defektelektronen in Richtung n-Schicht. Sie werden von den Akzeptoratomen gebildet, die zum Bindungsaufbau ein Elektron aufgenommen haben und in einer Nachbarbindung das Elektronenloch erzeugten. Das Akzeptoratom bleibt als negatives Ion im Gitter gebunden. Bei der Rekombination der Löcher mit den Elektronen aus dem n-Material bleiben nahe der Grenzschicht die negativen ortsfesten Akzeptorionen im Atomgitter des p-Halbleiters zurück. Auch hier wird die Ladung nicht mehr ausgeglichen. An der Grenzschicht baut sich im p-Halbleiter eine negative Ladung auf.

Diffusionsspannung an der pn-Zone

Wie zuvor beschrieben, bildet sich am pn-Übergang eine Raumladungszone aus, wobei im p-Halbleiter elektrisches Feld mit negativer Ladung und im n-Halbleiter mit positiver Ladung entsteht. In der Folge gelingt es immer weniger Elektronen aus dem n-Material in das p-Material einzudiffundieren. Ebenso wird die Diffusion der Löcher aus dem p-Material zum n-Gebiet hin durch die positive Raumladung erschwert.

Ohne äußere Spannung erreicht die Ladungsträgerdiffusion einen Gleichgewichtszustand. Die Raumladungszone und die Diffusionsspannung verhindern das Abwandern aller Elektronen aus dem n-Material und aller Löcher aus dem p-Material. Im Übergangsbereich ist durch Rekombination eine von Ladungsträgern freie Zone entstanden. Dieser Bereich wird Sperrschicht genannt und verhält sich wie undotiertes Halbleitermaterial. In ihr lassen sich freie Ladungsträger durch äußere Energiezufuhr in Form von Wärme, Lichtenergie oder elektromagnetischen Feldern erzeugen.

Im stromlosen Zustand kann an den Außenanschlüssen eines pn-Halbleiters die Diffusionsspannung nicht gemessen werden. Die Höhe der Diffusionsspannung hängt vom Halbleitermaterial, vom Grad der Dotierung und von der Temperatur ab. Bei Germanium beträgt ihr Wert rd. 0,3 Volt und bei Silicium rd. 0,6 Volt.

Der Dotierungsgrad bestimmt die Breite der Sperrschicht.

Die Sperrschicht und die damit verbundene Raumladungszone werden von der Ladungsträgerdiffusion aufgebaut. Sobald die Ladung dort einen bestimmten Wert erreicht hat, kommt der Diffusionsvorgang zum Stillstand. Werden gering dotierte p- und n-Halbleiter zusammengebracht, reicht die Störstellendichte nahe der Kontaktzone zur Erzeugung des Gegenfelds nicht aus. Zum kompletten Aufbau der Raumladungszone müssen zusätzlich Ladungsträger von weiter entfernten Störstellen eindiffundieren. Es entsteht eine breite Sperrschicht.

Bei hoch dotierten Halbleitern (p+, n+) ist die Störstellendichte nahe der Kontaktzone groß. Hier reicht das Eindiffundieren der Ladungsträger aus einem schmalen Bereich zum Aufbau der Raumladungszone aus. Je geringer der Abstand bei gleicher Spannung zwischen zwei leitenden Bereichen ist, desto höher wird die elektrische Feldstärke zwischen den Ladungen. Bei ausreichend hoher Feldstärke findet ein Ladungsausgleich statt und die Sperrschicht wird überwunden. Hoch dotierte Halbleiter haben wegen der schmalen Sperrschicht etwas niedrigere Sperrspannungen. Im Durchlassbetrieb sind sie für hohe Stromstärken geeignet.

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Der pn-Übergang im Gleichstromkreis

Sowohl der p-, als auch der n-Halbleiter werden außen mit Metallelektroden versehen. Sie dienen der elektrischen Kontaktierung und bilden mit den Halbleitermaterialien keine weiteren Sperrschichten. Diese Elektroden werden mit Gleichspannung verbunden, um die Wirkung der beiden unterschiedlichen Polungen zu untersuchen:

Leitphase
Der positive Pol der Spannungsquelle ist mit dem p-Halbleiter verbunden und der negative Pol mit dem n-Halbleiter
Sperrphase
Der positive Pol der Spannungsquelle ist mit dem n-Halbleiter verbunden und der negative Pol mit dem p-Halbleiter

Entstehen der Leitphase

Ein positives Potenzial am p-Halbleiter drängt die ebenfalls positiven Löcher oder Defektelektronen in die Raumladungszone, da sich gleichartige Ladungen abstoßen. Das gleichzeitig negative Potenzial am n-Halbleiter drückt Elektronen in die Richtung zum pn-Übergang, denn auch negative Ladungen stoßen sich ab. Die äußere Spannung wirkt der Diffusionsspannung entgegen und verringert die Breite der Sperrschicht. Die Raumladungszone wird mit Ladungsträgern geflutet. Ist die angelegte Gleichspannung größer als die Diffusionsspannung, dann diffundieren die Majoritätsträger beider Halbleiter in die Grenzfläche und rekombinieren. Der pn-Übergang wird niederohmig und der Stromkreis ist geschlossen. Im n-Halbleiter fließt ein Elektronenstrom und im p-Halbleiter ein Löcherstrom.

Der folgende Film stellt diesen Vorgang abschnittsweise dar. Mit dem Schalter wird die Batterie zugeschaltet. Im äußeren Stromkreis wird die technische Stromrichtung angezeigt. Der Elektronenstrom im Halbleiter gibt die physikalische Bewegungsrichtung der Elektronen wieder.

Positives Potenzial am p-Halbleiter und negatives Potenzial am n-Halbleiter versetzen den pn-Übergang in Durchlassrichtung.
Oberhalb der Diffusionsspannung ist der pn-Übergang niederohmig und gut Strom leitend.

Entstehen der Sperrphase

Wird die angelegte Spannung umgepolt, liegt negatives Potenzial am p-Halbleiter und positives Potenzial am n-Halbleiter. Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an und die Majoritätsträger im pn-Halbleiter werden von der Grenzschicht abgezogen. Die angelegte Spannung und die Diffusionsspannung weisen in die gleiche Richtung, sodass sich die Raumladungszone und die Sperrschicht ausdehnen. Der pn-Übergang enthält fast keine frei beweglichen Ladungsträgern und ist folglich sehr hochohmig. Die Stromleitung verringert sich auf wenige Mikroampere und der pn-Halbleiter befindet sich im Sperrzustand.

Bedingt durch die Eigenleitfähigkeit der Halbleitermaterialien befinden sich noch Minoritätsträger in allen Schichten. Für sie ist die Sperrschicht kein Hindernis. Die positiven Defektelektronen und die Elektronen aus der Paarbildung verursachen den erwähnten geringen Sperrstrom oder Rückwärtsstrom. Energiezufuhr in Form von Wärme, elektrische Feldstärke oder Licht geeigneter Wellenlängen steigert die Eigenleitfähigkeit und erhöht den Sperrstrom.

Positives Potenzial am n-Halbleiter und negatives Potenzial am p-Halbleiter versetzen den pn-Übergang in Sperrrichtung.
Der pn-Übergang ist sehr hochohmig, wobei nur noch Minoritätsträger einen vernachlässigbaren Sperrstrom verursachen.