Galliumarsenid | Halbleiter | Eigenschaften & Anwendung

Galliumarsenid: Ein Leitfaden für Halbleiter

Halbleiter sind Materialien, die eine entscheidende Rolle in der modernen Elektronik spielen. Sie können ihre Leitfähigkeit unter dem Einfluss von Faktoren wie chemischer Struktur, Temperatur, Beleuchtung und dem Vorhandensein von Dotierungsmitteln steuern. Halbleiter haben eine elektrische Leitfähigkeit, die zwischen der von Metallen wie Kupfer und Gold und Isolatoren wie Glas liegt. Sie zeichnen sich durch eine Energielücke (Bandlücke) von weniger als 4 eV (etwa 1 eV) aus. In der Festkörperphysik ist diese Bandlücke ein Energiebereich zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband, in dem Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in Halbleitern Energie aufnehmen (z.B. durch ionisierende Strahlung), um die Bandlücke zu überbrücken und das Leitungsband zu erreichen.

Galliumarsenid (GaAs)

Galliumarsenid (GaAs) ist ein Halbleitermaterial, das in einer Vielzahl von elektronischen Anwendungen eingesetzt wird. Es bietet mehrere Vorteile gegenüber Silizium, darunter eine höhere Elektronenbeweglichkeit, höhere Betriebsfrequenzen und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Strahlungsschäden. GaAs hat eine Kristallstruktur ähnlich der von Silizium, aber die Bindungen zwischen den Atomen sind stärker, was es zu einem haltbareren Material macht. GaAs ist zudem ein direktes Bandlückenmaterial, was bedeutet, dass es elektrische Energie effizient in Lichtenergie umwandeln kann, was es ideal für den Einsatz in optoelektronischen Geräten wie LEDs und Laserdioden macht. GaAs wird häufig in Hochgeschwindigkeitselektronikgeräten wie Mikrowellentransistoren und Hochfrequenz-Integralschaltungen verwendet, dank seiner hohen Elektronenbeweglichkeit. Es wird auch in Solarzellen und anderen photovoltaischen Geräten eingesetzt, da es über einen hohen Absorptionskoeffizienten verfügt, der es ermöglicht, Lichtenergie effizient in elektrische Energie umzuwandeln. Ein weiterer Vorteil von GaAs ist seine hohe Strahlungshärte, was es für den Einsatz im Weltraum und in anderen strahlungsintensiven Umgebungen geeignet macht. Diese Eigenschaft ist darauf zurückzuführen, dass GaAs eine höhere Energiebandlücke als Silizium aufweist, was es resistenter gegen strahlungsinduzierte Defekte macht. Ein Hauptnachteil von GaAs ist jedoch sein höherer Preis im Vergleich zu Silizium, was seinen Einsatz in vielen Verbraucherelektronikanwendungen einschränkt. Dennoch bleibt GaAs ein wichtiges Halbleitermaterial in vielen spezialisierten Anwendungen, in denen seine einzigartigen Eigenschaften signifikante Vorteile bieten.

Arten von Halbleitern

Halbleiter lassen sich grundsätzlich in zwei Arten aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften einteilen:

• Intrinsische Halbleiter: Diese bestehen aus einem reinen Element (z.B. Silizium, Germanium) und enthalten keine absichtlichen Dotierungen mit Verunreinigungen. Sie leiten Elektrizität, 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: Diese sind absichtlich mit Verunreinigungen dotiert, um ihre elektronischen Eigenschaften zu verändern. Sie 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“ (Fehlen von Elektronen) im Valenzband führt. Diese Löcher können den Strom ähnlich wie positive Ladungsträger 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 den Strom ähnlich wie negative Ladungsträger leiten, was dem Material seine n-Typ-Bezeichnung verleiht.

Übersicht der Halbleiter

Hier ist eine Tabelle mit drei intrinsischen Halbleitern und zwei p-Typ- und n-Typ-Halbleitern, zusammen mit vier Schlüsseleigenschaften: