Halbleiter aus Germanium und die Allgemeinen Eigenschaften von Halbleitern
Halbleiter, sowohl anorganische als auch organische Materialien, haben die besondere Fähigkeit, ihre Leitfähigkeit je nach chemischer Struktur, Temperatur, Beleuchtung und dem Vorhandensein von Dotierstoffen zu steuern. Der Name „Halbleiter“ leitet sich aus der Tatsache ab, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die zwischen der eines Metalls (wie Kupfer oder Gold) und eines Isolators (wie Glas) liegt. Sie verfügen über eine Energielücke von weniger als 4eV, typischerweise um 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 die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsbändern bestimmt.
Germanium als Halbleitermaterial
Germanium (Ge) ist ein Halbleitermaterial, das in den Anfängen der Halbleitertechnologie in elektronischen Geräten weit verbreitet war, bevor Silizium dominierend wurde. Germanium hat eine Bandlücke von 0,67 Elektronenvolt (eV), die kleiner ist als die von Silizium (1,1 eV) und Galliumarsenid (1,4 eV). Einer der Hauptvorteile von Germanium ist seine hohe Elektronenbeweglichkeit, die höher als die von Silizium ist. Dies ermöglicht höhere Elektronengeschwindigkeiten und schnellere Schaltgeschwindigkeiten, was Germanium für den Einsatz in Hochfrequenz-Elektronikgeräten wie Radioempfängern und Transistoren geeignet macht. Germanium hat auch hervorragende optische Eigenschaften, die es zu einem geeigneten Material für Infrarotdetektoren und andere optoelektronische Geräte machen. Es hat einen hohen Absorptionskoeffizienten für Licht im Infrarotbereich, was es sehr empfindlich für Infrarotstrahlung macht. Ein Hauptnachteil von Germanium ist jedoch seine schlechte thermische Stabilität, die bei hohen Temperaturen zu Veränderungen seiner elektrischen Eigenschaften führen kann. Dies begrenzt seinen Einsatz in Hochtemperaturanwendungen. Außerdem ist Germanium anfälliger für Verunreinigungen als Silizium, was seine elektrischen Eigenschaften negativ beeinflussen kann. Insgesamt wurde Germanium in den meisten Halbleiteranwendungen aufgrund seiner höheren Kosten und geringeren thermischen Stabilität weitgehend durch Silizium ersetzt. Es wird jedoch immer noch in einigen spezialisierten Anwendungen eingesetzt, in denen seine einzigartigen Eigenschaften vorteilhaft sind, wie z. B. in Infrarotdetektoren und Hochfrequenz-Elektronikgeräten.
Typen von Halbleitern
Halbleiter lassen sich basierend auf ihren elektronischen Eigenschaften in zwei grundlegende Typen einteilen:
Intrinsic Halbleiter: Dies sind reine Halbleiter, die aus einem einzigen Element (z. B. Silizium, Germanium) bestehen und keine absichtliche Dotierung mit Verunreinigungen aufweisen. Intrinsic Halbleiter haben eine bestimmte Anzahl von Elektronen in ihrem Valenz- und Leitungsband. Sie leiten Strom, wenn sie erhitzt werden und einige Elektronen genügend Energie gewinnen, um sich von ihren Bindungen zu lösen und freie Elektronen im Leitungsband zu werden.
Extrinsic Halbleiter: Dies sind unreine Halbleiter, die absichtlich mit Verunreinigungen dotiert sind, um ihre elektronischen Eigenschaften zu ändern. Extrinsic Halbleiter können weiter in zwei Typen klassifiziert 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 Strom wie positive Ladungsträger leiten, was dem Material seine p-Typ-Bezeichnung gibt.
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 Strom wie negative Ladungsträger leiten, was dem Material seine n-Typ-Bezeichnung gibt.
Hier ist eine Tabelle mit 3 intrinsischen Halbleitern und 2 p-Typ- und n-Typ-Halbleitern, zusammen mit 4 Schlüsseleigenschaften:
