Silizium-Halbleiter und Halbleiter im Allgemeinen
Grundlagen der Halbleiter
Halbleiter, seien sie anorganisch oder organisch, sind Materialien, die ihre Leitfähigkeit abhängig von ihrer chemischen Struktur, Temperatur, Beleuchtung und der Anwesenheit von Dotierstoffen steuern können. Der Name Halbleiter stammt daher, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die zwischen der eines Metalls, wie Kupfer oder Gold, und eines Isolators, wie Glas, liegt. Sie besitzen eine Energielücke von weniger als 4eV (etwa 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 Leitungsband bestimmt.
Silizium als Halbleiter
Silizium (Si) ist das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial in der Elektronikindustrie. Es hat eine Bandlücke von 1,1 Elektronenvolt (eV), was ein optimaler Wert für elektronische Geräte ist. Einer der Hauptvorteile von Silizium ist seine Häufigkeit und niedrige Kosten. Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element auf der Erde und lässt sich leicht aus Sand oder Quarz reinigen. Dies macht es zu einem idealen Material für die großangelegte Produktion von elektronischen Geräten. Ein weiterer Vorteil von Silizium ist seine hohe Stabilität und Zuverlässigkeit, da es nicht anfällig für Verunreinigungen oder andere Defekte ist. Dies ermöglicht eine konsistente Leistung von elektronischen Geräten unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen. Silizium hat auch ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, wie hohe Festigkeit und Härte, was es zu einem geeigneten Material für die Verwendung in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) macht. Darüber hinaus lässt sich Silizium leicht in dünne Schichten verarbeiten und mit anderen Materialien zu komplexen Strukturen integrieren, was es ideal für die Verwendung in der Mikroelektronik und integrierten Schaltkreisen macht. Eine Einschränkung von Silizium ist jedoch seine relativ geringe Elektronenbeweglichkeit im Vergleich zu anderen Halbleitermaterialien wie Galliumarsenid und Galliumnitrid. Dies begrenzt seine Leistung in Hochfrequenz- und Hochleistungselektronikgeräten. Insgesamt bleibt Silizium aufgrund seiner Häufigkeit, niedrigen Kosten und Zuverlässigkeit das Rückgrat der Halbleiterindustrie und wird voraussichtlich auch in Zukunft das dominierende Material bleiben.
Arten von Halbleitern
Halbleiter können basierend auf ihren elektronischen Eigenschaften in zwei grundlegende Typen eingeteilt werden:
- Intrinsische Halbleiter: Diese sind reine Halbleiter, die aus einem einzigen Element (z.B. Silizium, Germanium) bestehen und keine absichtliche Dotierung mit Verunreinigungen aufweisen. Intrinsische Halbleiter haben eine bestimmte Anzahl von Elektronen in ihrem Valenz- und Leitungsband. Sie leiten Elektrizität, wenn sie erhitzt werden, und einige Elektronen gewinnen ausreichend Energie, um sich von ihren Bindungen zu lösen und freie Elektronen im Leitungsband zu werden.
- Extrinsische Halbleiter: Diese sind unreine Halbleiter, die absichtlich mit Verunreinigungen dotiert werden, um ihre elektronischen Eigenschaften zu veränder
