Einführung in Halbleiter
Halbleiter sind organische oder anorganische Materialien, die ihre Leitfähigkeit abhängig von chemischer Struktur, Temperatur, Beleuchtung und Dotierung steuern können. Sie spielen eine zentrale Rolle in der modernen Elektronik und haben elektrische Leitfähigkeiten zwischen Metallen, wie Kupfer und Gold, und Isolatoren, wie Glas. Die Bewegung freier Elektronen und Löcher im Kristallgitter der Halbleiter wird durch die Quantenmechanik beschrieben. Halbleiter lassen sich in zwei grundlegende Typen unterteilen: intrinsische Halbleiter und extrinsische (dotierte) Halbleiter, zu denen p-Typ und n-Typ Halbleiter gehören.
Grundlagen der Halbleiter
Ein Bandabstand, der weniger als 4eV (etwa 1eV) beträgt, charakterisiert Halbleiter. Dieser Bandabstand ist ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsband, in dem keine Elektronenzustände existieren. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in Halbleitern Energie aufnehmen, um den Bandabstand zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch den Energieabstand zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt.
Anwendungen von Halbleitern
Halbleiter finden breite Anwendung in elektronischen Geräten, Solarzellen, Beleuchtung, Leistungselektronik und Sensoren. Sie sind entscheidend für die Herstellung von Transistoren, Dioden und integrierten Schaltkreisen und werden in Smartphones, Computern, Autos und Flugzeugen verwendet. In der Solarenergie erzeugt Licht, das auf Halbleitermaterial trifft, einen Elektronenfluss, der zur Stromerzeugung genutzt wird. LEDs, die in einer Vielzahl von Beleuchtungsanwendungen verwendet werden, sind ebenfalls Halbleitergeräte.
Charakteristika von Halbleitern
Halbleiter zeichnen sich durch variable Leitfähigkeit, einen Bandabstand, Dotierung und Temperaturabhängigkeit aus. Ihre Leitfähigkeit kann unter bestimmten Bedingungen, wie Licht- oder Wärmeexposition, verändert werden. Die Dotierung verändert ihre elektrischen Eigenschaften, indem sie zusätzliche Elektronen oder Löcher einführt, was ihre Leitfähigkeit erhöht oder verringert. Ihre elektrische Leitfähigkeit ist auch stark temperaturabhängig.
Intrinsische und extrinsische Halbleiter
Intrinsische Halbleiter sind reine Halbleiter ohne signifikante Dotierung. Sie leiten Elektrizität, wenn sie erwärmt werden, da einige Elektronen genügend Energie aufnehmen, um sich von ihren Bindungen zu lösen. Extrinsic Halbleiter sind absichtlich mit Fremdatomen dotiert, um ihre elektronischen Eigenschaften zu ändern. Sie werden weiter in p-Typ und n-Typ unterteilt. Bei p-Typ Halbleitern führt die Dotierung mit Atomen wie Bor zu „Löchern“ im Valenzband, während n-Typ Halbleiter durch Dotierung mit Atomen wie Phosphor überschüssige Elektronen im Leitungsband aufweisen.
Halbleitermaterialien
Bekannte Halbleitermaterialien sind Silizium (Si) und Germanium (Ge). Silizium, ein tetravalentes Metalloid und Halbleiter, wird häufig in geladenen Teilchendetektoren und weichen Röntgendetektoren verwendet. Germanium wird aufgrund seiner höheren Atomzahl und Dichte gegenüber Silizium bevorzugt für die Gamma-Spektroskopie eingesetzt. Diamant, ein weiterer Halbleiter, zeichnet sich durch einen weiten Bandabstand aus und wird in vielen elektronischen Geräten eingesetzt.
Theorie der Halbleiter
Die Theorie der Halbleiter basiert auf dem Verhalten von Elektronen und Löchern in einem kristallinen Gitter. Diese Theorie, bekannt als die elektronische Bandstruktur, beschreibt die möglichen Energiebereiche, die Elektronen in einem Festkörper einnehmen können, sowie die Energiebereiche, die sie nicht einnehmen können (Bandlücken). Bei absoluter Nulltemperatur befinden sich alle Elektronen im Valenzband, aber bei Raumtemperatur können einige Elektronen in das Leitungsband springen und Löcher im Valenzband hinterlassen.
