Wie funktionieren Halbleiter?
Halbleiter sind anorganische oder organische Materialien, die ihre Leitfähigkeit je nach chemischer Struktur, Temperatur, Beleuchtung und dem Vorhandensein von Dotierstoffen steuern können. Ihr Name leitet sich daraus ab, dass sie eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die zwischen der eines Metalls, wie Kupfer oder Gold, und eines Isolators, wie Glas, liegt. Sie haben 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.
Elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern
Es gibt mehrere Wege, auf denen ein Elektron in einem Halbleitermaterial in das Leitungsband angeregt werden kann, wo es frei beweglich ist und einen elektrischen Strom tragen kann. Zu den gängigsten Methoden gehören:
Thermische Energie: Bei höheren Temperaturen können einige Elektronen im Valenzband genügend thermische Energie aufnehmen, um freizukommen und in das Leitungsband zu gelangen. Dies wird als thermische Anregung bezeichnet und ist ein häufiger Weg, auf dem die elektrische Leitfähigkeit mit der Temperatur zunimmt.
Elektromagnetische Strahlung: Elektromagnetische Strahlung, wie Licht oder andere Strahlungsformen, kann ebenfalls Elektronen in das Leitungsband anregen. Wenn Photonen mit einer Energie, die gleich oder größer als die Bandlückenenergie des Halbleiters ist, vom Material absorbiert werden, können Elektronen in das Leitungsband angeregt werden und Elektron-Loch-Paare erzeugen.
Dotierung: Wenn ein Halbleitermaterial mit Verunreinigungen dotiert wird, erzeugt dies Überschusselektronen oder -löcher im Material, die zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen können. In einem n-Typ-Halbleiter beispielsweise führt die Dotierung mit einem Donatoratom wie Phosphor zu einem Überschuss an Elektronen im Material, die in das Leitungsband gelangen und zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen können.
Elektrisches Feld: Auch ein externes elektrisches Feld kann Elektronen in das Leitungsband anregen. Wenn eine Spannung über ein Halbleitermaterial angelegt wird, kann dies ein elektrisches Feld erzeugen, das Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt, wodurch einige der Elektronen in das Leitungsband gelangen.
p-n-Übergang
Wenn ein Halbleiter mit Verunreinigungen dotiert wird, entstehen im Material überschüssige Elektronen (n-Typ-Dotierung) oder Löcher (p-Typ-Dotierung), die elektrische Ladungen tragen können. Diese Überschusselektronen oder -löcher können sich im Material bewegen und so den elektrischen Stromfluss ermöglichen. Werden zwei unterschiedlich dotierte Bereiche eines Halbleitermaterials zusammengebracht, entsteht ein p-n-Übergang. Am p-n-Übergang diffundieren die Überschusselektronen aus dem n-Typ-Bereich und die Löcher aus dem p-Typ-Bereich über den Übergang und kombinieren, wodurch eine Region entsteht, die an Ladungsträgern verarmt ist, die sogenannte Verarmungszone.
Ein p-dotierter Halbleiter ist relativ leitfähig. Das Gleiche gilt für einen n-dotierten Halbleiter, aber der Übergang zwischen ihnen kann eine Verarmungszone erzeugen, die abhängig von den relativen Spannungen der beiden Halbleiterregionen nichtleitend wird. Durch Manipulation dieser nichtleitenden Schicht werden p-n-Übergänge häufig als Dioden verwendet: Schaltungselemente, die einen Stromfluss in eine Richtung, aber nicht in die entgegengesetzte Richtung ermöglichen.
Bipolartransistor
Ein Bipolartransistor (BJT) ist ein elektronisches Bauelement mit drei Anschlüssen, das elektronische Signale verstärken oder schalten kann. Er wird hergestellt, indem drei Schichten aus Halbleitermaterial zusammengefügt werden: eine n-Typ-Schicht, eine p-Typ-Schicht und eine weitere n-Typ-Schicht (für einen NPN-Transistor) oder eine p-Typ-Schicht (für einen PNP-Transistor). Die drei Regionen des BJT werden als Emitter, Basis und Kollektor bezeichnet. Die Basis befindet sich zwischen dem Emitter und dem Kollektor und ist sehr dünn ausgeführt, um einen leichten Fluss von Ladungsträgern vom Emitter zum Kollektor zu ermöglichen.
Materialien für Halbleiter
Hier ist eine Tabelle mit 3 intrinsischen Halbleitern und 2 p-Typ- und n-Typ-Halbleitern, zusammen mit 4 Schlüsseleigenschaften:
Silizium (Si), intrinsisch: Bandlücke 1,12 eV, Elektronenmobilität 1500 cm²/Vs, Löchermobilität 450 cm²/Vs, thermische Leitfähigkeit 150 W/mK.
Germanium (Ge), intrinsisch: Bandlücke 0,67 eV, Elektronenmobilität 3900 cm²/Vs, Löchermobilität 1900 cm²/Vs, thermische Leitfähigkeit 60 W/mK.
Galliumarsenid (GaAs), intrinsisch: Bandlücke 1,43 eV, Elektronenmobilität 8500 cm²/Vs, Löchermobilität 400 cm²/Vs, thermische Leitfähigkeit 46 W/mK.
