Extrinsische Halbleiter – Dotierte Halbleiter
Halbleiter sind organische oder anorganische Materialien, die aufgrund ihrer chemischen Struktur, Temperatur, Beleuchtung und der Anwesenheit von Dotierungsmitteln ihre Leitfähigkeit steuern können. Der Name „Halbleiter“ rührt daher, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die zwischen der eines Metalls, wie Kupfer oder Gold, und eines Isolators, wie Glas, liegt. Sie haben eine Energielücke von weniger als 4eV (etwa 1eV). 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 den Energieabstand zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt.
Arten von Halbleitern
Halbleiter lassen sich aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften in zwei Grundtypen einteilen:
- Intrinsische Halbleiter: Diese reinen Halbleiter bestehen aus einem einzelnen Element (z.B. Silizium, Germanium) und sind nicht absichtlich mit Verunreinigungen dotiert. Intrinsische Halbleiter haben eine bestimmte Anzahl von Elektronen in ihrem Valenz- und Leitungsband. Sie leiten Strom, wenn sie erhitzt werden, und einige Elektronen erhalten ausreichend Energie, um ihre Bindungen zu lösen und freie Elektronen im Leitungsband zu werden.
- Extrinsische Halbleiter: Dies sind unreine Halbleiter, die absichtlich mit Verunreinigungen dotiert wurden, 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 Bildung von „Löchern“ (Fehlen von Elektronen) im Valenzband führt. Diese Löcher können wie positive Ladungsträger Strom leiten, was dem Material seine p-Typ-Bezeichnung verleiht.
- n-Typ-Halbleiter: Bei n-Typ-Halbleitern werden Verunreinigungsatome wie Phosphor in das Halbleitermaterial eingeführt. Diese Verunreinigungen haben mehr Valenzelektronen als das Halbleitermaterial, was zu einem Überschuss an Elektronen im Leitungsband führt. Diese überschüssigen Elektronen können wie negative Ladungsträger Strom leiten, was dem Material seine n-Typ-Bezeichnung verleiht.
Eigenschaften und Anwendung
Extrinsische Halbleiter, oder dotierte Halbleiter, sind Halbleiter, die absichtlich dotiert wurden, um ihre elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften zu modulieren. Bei Halbleiterdetektoren für ionisierende Strahlung ist das Dotieren die absichtliche Einführung von Verunreinigungen in einen intrinsischen Halbleiter, um deren elektrische Eigenschaften zu ändern. Daher sind intrinsische Halbleiter auch als reine Halbleiter oder i-Typ-Halbleiter bekannt. Das Hinzufügen eines kleinen Prozentsatzes fremder Atome in das regelmäßige Kristallgitter von Silizium oder Germanium bewirkt dramatische Veränderungen in deren elektrischen Eigenschaften, da diese fremden Atome, die in die Kristallstruktur des Halbleiters eingebaut sind, freie Ladungsträger (Elektronen oder Elektronenlöcher) im Halbleiter bereitstellen.
In einem extrinsischen Halbleiter liefern hauptsächlich die fremden Dotierungsatome im Kristallgitter die Ladungsträger, die den elektrischen Strom durch das Kristall leiten. Zwei Arten von Dotierungsatomen führen im Allgemeinen zu zwei Arten von extrinsischen Halbleitern. Diese Dotierungen, die die gewünschten kontrollierten Änderungen bewirken, werden entweder als Elektronenakzeptoren oder -donoren klassifiziert, und die entsprechenden dotierten Halbleiter sind bekannt als:
- n-Typ-Halbleiter.
- p-Typ-Halbleiter.
Extrinsische Halbleiter sind Bestandteile vieler gängiger elektrischer Geräte sowie vieler Detektoren für ionisierende Strahlung. Für diese Zwecke besteht eine Halbleiterdiode (Geräte, die Strom nur in einer Richtung zulassen) normalerweise aus p-Typ- und n-Typ-Halbleitern, die in einer Verbindung miteinander angeordnet sind.
Technische Daten einiger Halbleiter
Hier ist eine Tabelle mit 3 intrinsischen Halbleitern und 2 p-Typ- und n-Typ-Halbleitern, zusammen mit 4 Schlüsseleigenschaften:
