Metallische Leiter zeichnen sich durch eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aus. Im Vergleich dazu sind einige Elemente und chemische Verbindungen bekannt, die eine sehr viel geringere Fähigkeit haben elektrischen Strom zu leiten. Sie zählen noch nicht zu den Isolatoren, denn ihr spezifischer Widerstand ist nicht hoch genug. Verglichen mit Metallen oder Isolatoren nimmt ihre Leitfähigkeit stark zu bei:
Zufuhr thermischer Energie
Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlängen
Geringfügiger Verunreinigung mit Fremdatomen
Mit ihrer elektrischen Leitfähigkeit stehen sie zwischen Leitern und Isolatoren und werden Halbleiter genannt. Sie können von der Temperatur abhängig leitende und nichtleitende Eigenschaften annehmen. Das macht sie zu einem wichtigen Bestandteil von nahezu allen technischen Geräten. Halbleiterbauteile werden wie andere elektronische Bauteile auf Leiterplatten befestigt, die wiederum in verschiedensten Geräten wie Laptops, Mobiltelefonen, in komplexen Industriemaschinen oder auch in der Medizintechnik verbaut werden. Miniaturisierung ist ein wichtiges Stichwort im Bereich der Verbindungstechnik, denn elektronische Bauteile werden zunehmend kleiner und mit mehr Funktionen versehen. Die Leiterplatten müssen daran angepasst werden, wobei auch eine Steigerung der Packungsdichte möglich ist. Dabei nähern sich Halbleiter- und Leiterplattentechnologie immer weiter an.
Trotz der vielfältigen Verwendungszwecke sind halbleitende Werkstoffe in ausreichender Menge verfügbar. Dadurch können Geräte, die diese Materialien nutzen, größtenteils erschwinglich bleiben.
Die ständige Optimierung der Produktionsverfahren und die kontinuierliche Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie tragen dazu bei, die Verfügbarkeit und Kosteneffizienz der Halbleiter zu
verbessern, was letztendlich die Zugänglichkeit und Verbreitung von innovativen elektronischen Produkten in verschiedenen Bereichen des Lebens erleichtert. Trotzdem sollte man in heutiger Zeit häufiger
gebrauchte Computer kaufen und so die Ressourcen durch Wieder- bzw. Weiterverwendung schonen. Viele gebrauchte Geräte,
die beispielsweise in Firmen schon nach relativ kurzer Zeit durch neue leistungsfähigere Modelle ersetzt werden, können im privaten Bereich noch jahrelang gute Dienste leisten. Auch in Zukunft werden Halbleiter aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eine tragende Rolle bei der industriellen Entwicklung spielen.
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 zählen 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.
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
Das Energiebändermodell
Mit dem Energiebändermodell kann das elektrische Verhalten von Werkstoffen veranschaulicht werden. Der neutrale Atomkern eines Elements ist von der gleichen Anzahl Elektronen umgeben, die von den positiven Kernladungen durch Protonen bestimmt ist. Die Elektronen verteilen sich auf Orbitale, das sind bestimmte 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 Orbitale spalten sich dabei auf und bilden eine Vielzahl nahe beieinanderliegender diskreter Energiezustände.
Das Valenzband ist das bei der Temperatur 0 Kelvin energetisch höchste voll besetzte Band. 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 wird.
Ein Elektronvolt ist die Energie, die ein Elektron erhält, wenn es durch die Potenzialdifferenz von einem Volt beschleunigt wird.
1 eV = 1,60207·10−19 Joule
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 zur Verfügung und diese Halbleiterelemente sollten eigentlich Nichtleiter oder Isolatoren sein.
Ladungsträger Generation – Paarbildung
Der dargestellte Idealzustand der Bandbesetzung ist nur in extrem reinen Kristallen und nahe der absoluten Temperatur 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 durch elektrische- und magnetische Felder 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 Videoclip zeigt schrittweise die Paarbildung von Ladungsträgern bei äußerer Energiezufuhr.
Rekombination und Ladungsträgerbewegung
Ohne 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.
Im Bereich der Fehlstellen im Atom- oder Molekülgitter der Halbleiterwerkstoff sind 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.
Bei normaler Dotierung (n) kommt ein Donatoratom auf 107 Siliciumatome. Bei hoher Dotierung (n+) kommt ein 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. Sie werden dabei im Gitterverband zum ortsfesten negativen Ion. Das Energieniveau der Akzeptoren ist in der Bandlücke etwas oberhalb des Valenzbandes der Gitteratome angeordnet.
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.
Viele elektronische Halbleiterbauteile besitzen sowohl p- als auch n-leitende Bereiche im Halbleitergrundkristall. Am Kontaktbereich beider bildet sich der pn-Übergang als besondere Zone 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. Durch die Vereinigung von Elektronen und Elektronenlöcher entsteht eine fast Ladungsträger freie Zone. Dieser Bereich verhält sich elektrisch wie ein nicht dotierter Halbleiter. Der folgende Videoclip zeigt die Vorgänge mit Erläuterungen.
Aus dem elektrisch neutralen n-Halbleiter diffundieren Elektronen in die p-Schicht hinein. Ihr Ursprung sind 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 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.
Wie zuvor beschrieben, bildet sich am pn-Übergang eine Raumladungszone aus. Zwischen dem p-Halbleiter mit negativer Ladung und dem n-Halbleiter mit positiver Ladung entsteht ein elektrisches Feld.
In der Folgezeit 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 ein nicht dotierter Halbleiter. In der Sperrschicht können freie Ladungsträger durch äußere Energiezufuhr in Form von Wärme, Lichtenergie oder elektromagnetischen Feldern erzeugt werden.
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.
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, weil 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 Videoclip zeigt diesen Vorgang abschnittsweise. Im äußeren Stromkreis wird die technische Stromrichtung angezeigt. Der Elektronenstrom im Halbleiter gibt die physikalische Bewegungsrichtung der Elektronen wieder. Die Animation startet mit dem Schließen des Schalters, der die
Batterie zuschaltet. Dieser Link gibt zu diversen elektrochemischen Energieelementen lesenswerte Beschreibungen. In meinem aktuellen Webprojekt sind zum Teil erweiterte Darstellungen bei
Galvanischen Zellen – Primärzellen und
Sekundärzellen – Akkumulatoren zu finden.
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 leitet den Strom gut.
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.
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