Theorie der Halbleiter
Halbleiter sind inorganische oder organische Materialien, die ihre Leitfähigkeit aufgrund ihrer chemischen Struktur, der Temperatur, der Beleuchtung und der Anwesenheit von Dotierungen steuern können. Der Name Halbleiter leitet sich von der Tatsache ab, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit besitzen, die zwischen einem Metall, wie Kupfer oder Gold, und einem Isolator, wie Glas, liegt. Sie weisen eine Energielücke von weniger als 4eV (etwa 1eV) auf. 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 aufnehmen (z. B. aus ionisierender Strahlung), um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen.
Bandstruktur und Ladungsträger
Die Theorie der Halbleiter basiert auf dem Verhalten von Elektronen und Löchern in einer kristallinen Gitterstruktur, bekannt als die elektronische Bandstruktur. Die Bandstruktur eines Festkörpers beschreibt den Bereich der Energielevel, die Elektronen in ihm haben können, sowie die Bereiche der Energie, die sie nicht haben dürfen (sogenannte Bandlücken oder verbotene Bänder). Halbleiter haben ein Valenzband, das ist 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.
Verhalten bei verschiedenen Temperaturen
Bei absoluter Nulltemperatur befinden sich alle Elektronen eines Halbleiters im Valenzband und es gibt keine freien Elektronen im Leitungsband. Bei Raumtemperatur oder höher können jedoch einige Elektronen im Valenzband durch thermische Energie oder eine externe Energiequelle, wie Licht oder ein elektrisches Feld, angeregt werden und in das Leitungsband springen, wobei sie ein Loch im Valenzband hinterlassen. Die Bewegung dieser freien Elektronen und Löcher in der kristallinen Gitterstruktur des Halbleiters kann durch die Gesetze der Quantenmechanik beschrieben werden.
Einflussfaktoren und Halbleitertypen
Das Verhalten dieser Ladungsträger wird durch Faktoren wie die Kristallstruktur, die Dotierungskonzentration und -art, die Temperatur sowie das Vorhandensein von Verunreinigungen oder Defekten im Kristallgitter beeinflusst. Intrinsische Halbleiter, die eine perfekt ausbalancierte Anzahl freier Elektronen und Löcher aufweisen, haben eine Leitfähigkeit, die durch die intrinsische Konzentration freier Elektronen und Löcher bestimmt wird und mit der Temperatur exponentiell zunimmt. Extrinsic Halbleiter, die mit Verunreinigungen dotiert sind, weisen eine viel höhere Konzentration freier Elektronen oder Löcher auf, was ihre Leitfähigkeit dramatisch erhöht und sie für elektronische Geräte nützlich macht.
