Eigenschaften von Halbleitern
Halbleiter sind anorganische oder organische Materialien, die ihre Leitfähigkeit aufgrund ihrer chemischen Struktur, Temperatur, Beleuchtung und der Anwesenheit von Dotierungsmitteln steuern können. Der Name „Halbleiter“ rührt daher, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die zwischen einem Metall, wie Kupfer oder Gold, und einem Isolator, wie Glas, liegt. Sie verfügen über eine Energielücke von weniger als 4 eV (etwa 1 eV). In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, in dem Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in Halbleitern Energie (z. B. aus ionisierender Strahlung) aufnehmen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt.
Charakteristika von Halbleitern
Halbleiter weisen eine Leitfähigkeit auf, die zwischen der eines Leiters und eines Isolators liegt. Ihre Leitfähigkeit wird durch Dotierung, Temperatur und angelegte elektrische Felder gesteuert und findet umfangreiche Anwendung in elektronischen Geräten. Einige der wichtigsten Eigenschaften von Halbleitern umfassen:
Variable Leitfähigkeit: Halbleiter können so hergestellt werden, dass sie unter bestimmten Bedingungen, wie bei Licht- oder Wärmeeinwirkung, Strom leiten. Sie können auch unter anderen Bedingungen als Isolatoren wirken.
Bandlücke: Halbleiter besitzen eine Bandlücke, das ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband zu bewegen. Die Größe der Bandlücke bestimmt die für den Halbleiter erforderliche Energie, um ein Leiter zu werden.
Dotierung: Halbleiter können mit Verunreinigungen dotiert werden, um ihre elektrischen Eigenschaften zu verändern. Die Dotierung führt zusätzliche Elektronen oder „Löcher“ in das Material ein, was dessen Leitfähigkeit erhöhen oder verringern kann.
Temperaturabhängigkeit: Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark temperaturabhängig. Mit steigender Temperatur erhöht sich in der Regel auch die Leitfähigkeit des Materials.
Lichtempfindlichkeit: Einige Halbleiter sind lichtempfindlich und können in Anwendungen wie Photovoltaikzellen, Lichtsensoren und LEDs eingesetzt werden.
Minoritätsträger: In Halbleitern sind Elektronen und Löcher als Minoritätsträger bekannt. Diese Träger können manipuliert und gesteuert werden, um die gewünschten elektrischen Eigenschaften im Material zu erzeugen.
Tabelle mit intrinsischen und extrinsischen Halbleitern
Hier ist eine Tabelle mit 3 intrinsischen Halbleitern sowie 2 p-Typ- und n-Typ-Halbleitern, zusammen mit 4 Schlüsseleigenschaften:
Halbleiter Typ Bandlücke (eV) Elektronenmobilität (cm²/Vs) Löchermobilität (cm²/Vs) Wärmeleitfähigkeit (W/mK)
Silizium (Si) Intrinsisch 1.12 1500 450 150
Germanium (Ge) Intrinsisch 0.67 3900 1900 60
Galliumarsenid (GaAs) Intrinsisch 1.43 8500 400 46
Bor-dotiertes Silizium (p-Si) p-Typ 1.12 1500 1800 150
Phosphor-dotiertes Silizium (n-Si) n-Typ 1.12 1500 4500 150
Aluminium-dotiertes Galliumarsenid (p-GaAs) p-Typ 1.43 8500 200 46
Silizium-dotiertes Galliumarsenid (n-GaAs) n-Typ 1.43 8500 800 46
Arten von Halbleitern
Halbleiter können auf der Grundlage ihrer elektronischen Eigenschaften in zwei grundlegende Typen eingeteilt werden:
Intrinsische Halbleiter: Diese sind reine Halbleiter, die aus einem einzigen Element (z. B. Silizium, Germanium) bestehen und keine absichtliche Dotierung mit Verunreinigungen aufweisen. Intrinsische Halbleiter haben eine bestimmte Anzahl von Elektronen in ihrem Valenz- und Leitungsband. Sie leiten Strom, wenn sie erhitzt werden und einige Elektronen genügend Energie erhalten, um sich von ihren Bindungen zu lösen und zu freien Elektronen im Leitungsband zu werden.
Extrinsische Halbleiter: Dies sind unreine Halbleiter, die absichtlich mit Verunreinigungen dotiert werden, um ihre elektronischen Eigenschaften zu ändern. Extrinsische Halbleiter können weiter in zwei Typen unterteilt werden:
p-Typ-Halbleiter: Bei p-Typ-Halbleitern werden Verunreinigungsatome wie Bor in das Halbleitermaterial eingeführt. Diese Verunreinigungen haben weniger Valenzelektronen als das Halbleitermaterial, was zur Entstehung von „Löchern“ (Abwesenheit von Elektronen) im Valenzband führt. Diese Löcher können Strom wie positive Ladungsträger leiten, was dem Material seine p-Typ-Bezeichnung verleiht.
n-Typ-Halbleiter:
