Semikonduktivität und Halbleiter
Die Semikonduktivität beschreibt die Fähigkeit bestimmter Materialien, unter bestimmten Bedingungen Elektrizität zu leiten. Halbleiter weisen eine elektrische Leitfähigkeit auf, die zwischen der von Leitern (Materialien, die den elektrischen Strom leicht fließen lassen) und Isolatoren (Materialien, die den elektrischen Strom kaum leiten) liegt. In Halbleitern ist das Valenzband (das höchste mit Elektronen vollständig gefüllte Band) durch eine Bandlücke vom Leitungsband (dem niedrigsten teilweise gefüllten Elektronenband) getrennt. Dies bedeutet, dass eine bestimmte Energiemenge erforderlich ist, um ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband zu bewegen, wobei die erforderliche Energiemenge mit der Breite der Bandlücke zusammenhängt.
Verhalten bei Raumtemperatur
Bei Raumtemperatur können einige Elektronen im Valenzband von Halbleitern genügend thermische Energie aufnehmen, um die Bandlücke zu überwinden und in das Leitungsband zu gelangen, wodurch freie Elektronen entstehen, die sich frei durch das Material bewegen können. Allerdings ist die Anzahl der freien Elektronen im Vergleich zu Leitern relativ gering, was bedeutet, dass Halbleiter eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Steigerung der Leitfähigkeit durch Dotierung
Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern kann durch Dotierung erhöht werden, was das absichtliche Hinzufügen von Verunreinigungen zum Halbleitermaterial zur Änderung seiner elektronischen Eigenschaften beinhaltet. Die Dotierung kann überschüssige Elektronen (n-Typ-Dotierung) oder Löcher (p-Typ-Dotierung) im Halbleiter erzeugen, was dessen Leitfähigkeit verbessert und ihn für verschiedene elektronische Anwendungen nützlich macht. Halbleiter werden weit verbreitet in elektronischen Geräten wie Transistoren, Dioden, Solarzellen und integrierten Schaltkreisen eingesetzt. Sie finden auch Anwendung in der Optoelektronik, der Quanteninformatik und anderen fortschrittlichen Technologien.
Charakteristika von Halbleitern
Zu den Schlüsselmerkmalen von Halbleitern gehören:
- Variable Leitfähigkeit: Halbleiter können so hergestellt werden, dass sie unter bestimmten Bedingungen, wie bei Lichteinwirkung oder Erwärmung, Strom leiten. Sie können auch unter anderen Bedingungen als Isolatoren wirken.
- Bandlücke: Halbleiter haben eine Bandlücke, welche die Energie darstellt, 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 modifizieren. Die Dotierung führt zusätzliche Elektronen oder „Löcher“ in das Material ein, was dessen Leitfähigkeit erhöhen oder verringern kann.
- Temperaturabhängigkeit: Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern hängt stark von der Temperatur ab. Mit steigender Temperatur nimmt in der Regel auch die Leitfähigkeit des Materials zu.
- Lichtempfindlichkeit: Einige Halbleiter reagieren empfindlich auf Licht und können in Anwendungen wie Photovoltaikzellen, Lichtsensoren und LEDs eingesetzt werden.
- Minoritätsträger: In Halbleitern werden Elektronen und Löcher als Minoritätsträger bezeichnet. Diese Träger können manipuliert und kontrolliert werden, um die gewünschten elektrischen Eigenschaften im Material zu erzeugen.
Eigenschaften ausgewählter Halbleiter
Hier ist eine Tabelle mit 3 intrinsischen Halbleitern und 2 p-Typ- und n-Typ-Halbleitern, zusammen mit 4 Schlüsseleigenschaften:
| Semiconductor | Type | Band Gap (eV) | Electron Mobility (cm2/Vs) | Hole Mobility (cm2/Vs) | Thermal Conductivity (W/mK) |
|---|---|---|---|---|---|
| Silicon (Si) | Intrinsic | 1.12 | 1500 | 450 | 150 |
| Germanium (Ge) | Intrinsic | 0.67 | 3900 | 1900 | 60 |
| Gallium Arsenide (GaAs) | Intrinsic | 1.43 | 8500 | 400 | 46 |
| Boron-doped Silicon (p-Si) | p-type | 1.12 | 1500 | 1800 | 150 |
| Phosphorus-doped Silicon (n-Si) | n-type | 1.12 | 1500 | 4500 | 150 |
| Aluminum-doped Gallium Arsenide (p-GaAs) | p-type | 1.43 | 8500 | 200 | 46 |
| Silicon-doped Gallium Arsenide (n-GaAs) | n-type | 1.43 | 8500 | 800 | 46 |
Theorie der Semikonduktivität
Die Theorie der Semikonduktivität basiert auf dem Verhalten von Elektronen und Löchern in einer kristallinen Gitterstruktur. Diese Theorie ist als elektronische Bandstruktur bekannt. Die elektronische Bandstruktur (oder einfach Bandstruktur) eines Festkörpers beschreibt den Bereich von Energielevels, die Elektronen in ihm haben können, sowie die Energiebereiche, die sie nicht haben dürfen (genannt Bandlücken oder verbotene Bänder). Halbleiter haben ein Valenzband, das höchste Energieband, das vollständig mit Elektronen gefüllt ist, und ein Leitungsband, das nächsthöhere Energieband, das leer oder nur teilweise mit Elektronen gefüllt ist. Die Energielücke zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband wird als Bandlücke bezeichnet.
