Intrinsischer Halbleiter – Reiner Halbleiter | Definition und Typen

Intrinsische Halbleiter – Reine Halbleiter

Halbleiter sind organische oder anorganische Materialien, die ihre Leitfähigkeit je nach chemischer Struktur, Temperatur, Beleuchtung und der Anwesenheit von Dotierstoffen steuern können. Der Name „Halbleiter“ stammt von der Tatsache, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Metall, wie Kupfer oder Gold, und einem Isolator, wie Glas, aufweisen. Sie besitzen eine Energielücke von weniger als 4eV (etwa 1eV).

Energiebänder in Halbleitern

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. durch ionisierende Strahlung) aufnehmen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt.

Tabelle intrinsischer und extrinsischer Halbleiter

Hier ist eine Tabelle mit 3 intrinsischen Halbleitern und 2 p-Typ- sowie n-Typ-Halbleitern, zusammen mit 4 Schlüsseleigenschaften:

• Silizium (Si) – Intrinsisch: Bandlücke 1.12 eV, Elektronenbeweglichkeit 1500 cm²/Vs, Löcherbeweglichkeit 450 cm²/Vs, thermische Leitfähigkeit 150 W/mK
• Germanium (Ge) – Intrinsisch: Bandlücke 0.67 eV, Elektronenbeweglichkeit 3900 cm²/Vs, Löcherbeweglichkeit 1900 cm²/Vs, thermische Leitfähigkeit 60 W/mK
• Galliumarsenid (GaAs) – Intrinsisch: Bandlücke 1.43 eV, Elektronenbeweglichkeit 8500 cm²/Vs, Löcherbeweglichkeit 400 cm²/Vs, thermische Leitfähigkeit 46 W/mK
• Bor-dotiertes Silizium (p-Si) – p-Typ: Gleiche Werte wie bei intrinsischem Si
• Phosphor-dotiertes Silizium (n-Si) – n-Typ: Gleiche Werte wie bei intrinsischem Si

Arten von Halbleitern

Halbleiter lassen sich in zwei grundlegende Typen auf der Basis ihrer elektronischen Eigenschaften klassifizieren:

Intrinsische Halbleiter:

Diese sind reine Halbleiter, die aus einem einzigen Element bestehen (z.B. Silizium, Germanium) und keine absichtliche Dotierung mit Verunreinigungen aufweisen. 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 dotierte Halbleiter, um ihre elektronischen Eigenschaften zu verändern. Sie können weiter in zwei Typen unterteilt werden:

• p-Typ-Halbleiter: Hier 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 Strom wie positive Ladungsträger leiten, was dem Material seine p-Typ-Bezeichnung verleiht.
• n-Typ-Halbleiter: Hier 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 verleiht.

Intrinsische Halbleiter – Eigenschaften und Anwendung

Ein intrinsischer Halbleiter ist völlig rein ohne nennenswerte Dotierspezies. Daher werden intrinsische Halbleiter auch als reine Halbleiter oder i-Typ-Halbleiter bezeichnet. Die Anzahl der Ladungsträger bei einer bestimmten Temperatur wird daher durch die Eigenschaften des Materials anstatt durch die Anzahl der Verunreinigungen bestimmt.

Halbleiter haben eine Energielücke von weniger als 4eV (etwa 1eV). Bandlücken sind natürlich für verschiedene Materialien unterschiedlich. Zum Beispiel ist Diamant ein Halbleiter mit einer weiten Bandlücke (E_gap= 5.47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Geräte in vielen Anwendungen. Auf der anderen Seite hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E_gap = 0.67 eV), was den Betrieb des Detektors bei kryogenen Temperaturen erfordert.

Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann durch Dotierung mit Verunreinigungen und Steuerung mit elektrischen Feldern erhöht und gesteuert werden. Die gesamte Absorption eines 1 MeV-Photons erzeugt ungefähr 3 x 10⁵ Elektron-Loch-Paare. Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtanzahl der freien Ladungsträger in einem 1 cm³ intrinsischen Halbleiter gering. Durch Hinzufügen von 0.001% Arsen (einer Verunreinigung) werden zusätzliche 10¹⁷ freie Elektronen im gleichen Volumen gespendet, und die elektrische Leitfähigkeit wird um den Faktor 10.000 erhöht.