Elektrotechnik Grundlagen

Halbleiter

Was ein Halbleiter ist und was ihn so besonders macht erfährst du hier. Hiernach werden dir die technischen Besonderheiten und die Veränderungen im Bänderschema bekannt sein.

Schau auf jeden Fall das Video  an. Darin sind alle wichtigen Themenschwerpunkte für dich audiovisuell aufbereitet.

Inhaltsübersicht

Halbleiter einfach erklärt

Halbleiter bestehen aus Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Leiters, wie Kupfer, und der eines Isolators, wie Glas, liegt. Im Gegensatz zu Metallen fällt der Widerstand eines solchen Halbleiters mit steigender Temperatur ab. Durch Dotierung werden die Eigenschaften eines Halbleiters auf vieler Art Weisen beeinflusst.

Um mehr zum Thema Dotierung zu erfahren, schau auf jeden Fall das Video  an! 

Existieren zwei verschieden dotierte Bereiche innerhalb des Halbleiterkristalls, entsteht ein p-n-Übergang. Das Verhalten von Ladungsträgern an solchen Übergängen, ist die Grundlage für Dioden, Transistoren und andere elektronische Komponenten. 

Um die Eigenschaften eines Halbleiters besser zu verstehen, brauchst die Quantenphysik um Bewegungen von Ladungsträgern innerhalb eines Kristalls zu beschreiben. Halbleiter werden in n-dotiert und p-dotiert unterteilt. Ein n-dotierter Halbleiter besitzt mehr freie Elektronen, während ein p-dotierter Halbleiter mehr freie positive Ladungsträger, beziehungsweise Löcher, enthält. Ein einzelner Halbleiterkristall kann mehrere solcher p-n-Übergänge haben.  

Merke

Die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters liegt zwischen der von Leitern (>10^4 S/cm – Siemens pro Zentimeter) und Isolatoren (<10^{-8} S/cm).

Was sind Halbleiter?

Wie du jetzt weißt handelt es sich bei einem Halbleiter um einen Festkörper, dessen Leitfähigkeit zwischen der eines Leiters und eines Isolators liegt. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters ist stark von der Temperatur abhängig. Beim absoluten Nullpunkt wird ein Halbleiter zu einem Isolator. Umgekehrt steigt in der Regel die Leitfähigkeit mit der Temperatur. 

Halbleiter Physik

Damit für es für dich klarer wird was den Halbleiter ausmacht, ist es wichtig erstmal den unterschied zwischen elektrischen Leitern und Isolatoren zu verstehen.

Ein elektrischer Leiter ist ein Medium, dass eine hohe Dichte an frei beweglichen Ladungsträgern hat. Zudem weist ein solcher Leiter einen möglichst geringen Widerstand auf. Derart bewegte Ladungsträger werden als elektrischen Strom bezeichnet.  Schau dir für die Grundlagen am besten noch unser Video zum Ohmschen Gesetz an. Damit in Verbindung stehen auch die Begriffe der Stromstärke , Spannung und elektrischen Leistung . Mit diesen Videos bekommst du einen guten Überblick über den Themenbereich.

Ein Isolator ist ein Medium, dessen Ladungsträger fest an die Atome gebunden, beziehungsweise deren Ionen fest im Kristallgitter eingebaut sind. Das schränkt die Bewegungsfreiheit der Ladungsträger stark ein. Die meisten nicht Metalle sind Isolatoren. Daher gibt es, außer der elektrischen Leitfähigkeit, wenig allgemein gültige Eigenschaften.

Die physikalischen Eigenschaften eines Halbleiters werden durch dessen chemische Bindungen, also deren atomaren Aufbau bestimmt. Halbleiter kristallisieren in verschiedenen Strukturen. Die Grundlegenden Eigenschaften werden durch das Bändermodell beschrieben.

Bändermodell Halbleiter

Halbleiter haben außergewöhnliche Eigenschaften bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit. Diese liegt zwischen der eines Leiters und der eines Isolators. Der unterschied dieser Materialien wird anhand der Quantenzustände von Elektronen, welche Fermionen sind, verstanden . Aufgrund des Pauli-Prinzips kann jeder dieser Zustände entweder einen oder Null Elektronen enthalten. Diese Zustände sind mit dem Bänderschema des Materials verbunden. Elektrische Leitfähigkeit kommt durch Elektronen, welche sich in einem delokalisierten Zustand befinden, zustande. Das heißt ihre Zustände sind nicht fest. Für den Ladungstransport ist es jedoch relevant, dass diese Zustände teilweise eingenommen werden. Wird eine Zustand ständig durch ein Elektron ausgefüllt, können andere diesen nicht einnehmen. Das verhindert den Ladungstransport. Die Energien dieser Quantenzustände sind von besonderer Bedeutung. Ein Zustand kann nur teilweise besetzt sein, wenn dessen Energie sich in der Nähe der Fermi Energie befindet. Hohe Leitfähigkeit in Materialien kommt durch eine große Anzahl teilweise belegter Zustände und viel Delokalisation. 

Bei Isolatoren befindet sich die Fermi Energie innerhalb der Bandlücke. Dadurch sind nur wenige Energiezustände belegbar. Erhöhst du jedoch die Temperatur eines solchen Isolators, wird er leitfähig. Durch das zuführen von Energie überspringen Elektronen die Bandlücke. Dadurch entstehen teilweise belegte Zustände im Valenzband und im Leitungsband

Die Bandlücke eines undotierten Halbleiters hat eine geringere Bandlücke als ein Isolator. Das ermöglicht bereits ab Raumtemperatur, dass Elektronen angeregt werden und die Lücke überspringen. Ein reiner Halbleiter jedoch ist wenig nützlich als Leiter oder Isolator. Der Vorteil ist jedoch, dass er dotiert werden kann. Das Anlegen elektrischer Felder ermöglicht dir dann sehr gut die Leitfähigkeit zu regulieren. Durch das Dotieren und anlegen elektrischer Felder , verschiebst du die Position des Valenz- oder Leitungsbandes näher an die Fermi Energie. Dadurch erhöhst du deutlich die Verfügbarkeit teilweise besetzter Zustände. 

Bänderschema illustriert
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Bänderschema illustriert.

Eigenschaften Halbleiter

Halbleiter Baukomponenten haben eine Reihe sehr nützlicher Eigenschaften. Sie können Ströme in eine Richtung leiten aber nicht in die entgegengesetzte. Dadurch haben Schaltkreise variable Widerstände. Zudem ist ihre Leitfähigkeit, in Abhängigkeit vom Kristall, besonders empfänglich für Licht- oder Temperaturänderungen. Außerdem wird durch das Dotieren eine deutlich höhere Kontrolle über eben diese Eigenschaften erreicht. Daher werden Halbleiter auch zum Verstärken, Schalten und zur Energiekonversion benutzt. 

Beispiele Halbleiter

Es gibt verschiedene Arten von Halbleitern. Abhängig von der Art des Halbleiters, werden diese auch in verschiedenen Bereichen eingesetzt.

Amorphe Halbleiter

Diese Halbleiter haben keine kristalline Struktur. Ihre Verarbeitung unterscheidet sich von der kristalliner Halbleiter, aufgrund der Hohen Störstellendichte. Eine solche Störstelle kann zum Beispiel ein fehlendes Atom in der Struktur des Stoffes sein. Die Dotierung ist erst nach der Verarbeitung möglich.

Ein Beispiel hierfür ist amorphes Silizium. Dieses wird vor allem in der Photovoltaik verwendet wird. 

Organische Halbleiter

Organische Halbleiter sind Festkörper, welche aus Kohlenstoff und Wasserstoff Atomen bestehen. Manchmal sind auch Kombinationen von Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff möglich. Diese Art des Halbleiters hat die Form von molekularen Kristallen oder dünnen, amorphen Schichten. Im Allgemeinen sind diese organischen Stoffe Isolatoren. Werden sie jedoch an die richtigen Elektroden angeschlossen oder dotiert, werden diese zu Halbleitern.

Halbleitertechnik

Halbleitertechnik ist der Überbegriff für die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente. Wie du bereits erfahren hast, muss man Halbleiter auf eine bestimmte Art behandeln, damit sie leitfähig werden. Dazu zählt auch das Dotieren und das Gestalten der Grenzflächen zwischen Halbleitern und anderen Medien. 

Dotierung

Dotieren ist das einbauen von Fremdatomen in den Halbleiterkristall. Das Dotieren vergrößert die Leitfähigkeit. Zudem werden durch die Kombination verschieden dotierter Bereiche p-n-Übergänge geschaffen, welche besondere Eigenschaften zur Herstellung von Bauelementen haben. 

Beim Dotieren unterscheidet man n-dotierte und p-dotierte Halbleiter
Bringt man ein Fremdatom mit mehr negativen Außenelektronen als die Atome des Wirtsmaterials ein, handelt es sich um n-Dotierung. Das eingebrachte Atom, der sogenannte Donator, hat ein ungebundenes Elektron. Der Energiezustand dieses Elektrons liegt näher am Leitungsband. Wegen der geringen Bindungsenergie lässt es sich leicht lösen. Damit ist ein einfacherer Ladungstransport möglich. 

Wird umgekehrt ein Atom mit weniger Elektronen als das Wirtsmaterial eingebracht, bringt dieses positive Defektelektronen, sogenannte Löcher, mit. Der Energiezustand dieser Löcher liegt näher am Valenzband und ermöglich Elektronen von dort ins Valenzband zu springen. Da diese Löcher Elektronen aufnehmen werden sie auch Akzeptoren genannt. 

Bei n-dotierten Halbleitern findet der Ladungstransport überwiegend durch Elektronen, bei p-dotierten Halbleitern durch Löcher statt. Daher bezeichnet man die beiden auch als Elektronenleitung oder Löcherleitung

Die geringere Nähe zum Leitungs- beziehungsweise Valenzband führt zu einer sehr geringen Bindungsenergie. Das ermöglicht eine vollständige Ionisation der Fremdatome oft schon bei Raumtemperatur. 

Dotierung illustriert
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Dotierung illustriert.

Grenzflächen

Kombiniert man in einem Material n-dotierte und p-dotierte Halbleiter miteinander, entsteht an der Grenzfläche ein p-n-Übergang. Die Besonderheit eines solchen Überganges ist die Ausbildung einer Raumladungszone. Diese bezeichnet man auch als Sperrschicht oder Verarmungszone. Beim Anlegen einer äußeren Spannung ist der Stromfluss nur in eine Richtung möglich. Damit wirkt ein p-n-Übergang wie ein Stromventil.

p-n-Übergang illustriert
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p-n-Übergang illustriert.

Anwendung von Halbleitern

Der Fachbereich, der sich mit der Herstellung von Halbleitern befasst, heißt Halbleitertechnik. Darin werden auf Halbleitern basierende Produkte entworfen und gefertigt. Davon leiten sich weitere Gebiete, wie Mikrosystemtechnik und Photovoltaik ab. Von besonderem Interesse sind die halbleiterbasierten integrierten Schaltkreise, wie Mikroprozessoren und Mikrochips. Weitere Anwendungen finden sich aber auch in der Solartechnik, Optik, Optoelektronik und der Diodenherstellung. 


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