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Was sind
Halbleiter:
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Unter
einem Halbleiter versteht man einen Festkörper, der
hinsichtlich
seiner elektrischen Leitfähigkeit sowohl als Leiter als auch
als
Nichtleiter betrachtet werden kann. Halbleiter
können
verschiedene chemische Strukturen besitzen: man unterscheidet zwischen
Elementhalbleitern (aufgebaut aus einem einzigen Element) und
Verbindungshalbleitern[1] (und hierbei speziell auch noch die
organischen Halbleiter). Beispiele sind im Abschnitt
„Verschiedene Halbleiter“ genannt.
Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark
temperaturabhängig. In der Nähe des absoluten
Temperaturnullpunkts sind Halbleiter Isolatoren. Bei Raumtemperatur
sind sie je nach materialspezifischem Abstand von Leitungs- und
Valenzband leitend oder nichtleitend. Die elektrische
Leitfähigkeit von Halbleitern nimmt mit steigender Temperatur
zu,
sie gehören damit zu den Heißleitern. Des Weiteren
lässt sich die Leitfähigkeit durch das Einbringen von
Fremdatomen (Dotieren) aus einer anderen chemischen Hauptgruppe in
weiten Grenzen gezielt beeinflussen.
Halbleiter werden in einkristalliner, polykristalliner und amorpher
Form verwendet. Bedeutung haben Halbleiter für die
Elektrotechnik
und insbesondere für die Elektronik, hierbei kann ihre
Leitfähigkeit durch Anlegen einer Steuerspannung oder eines
Steuerstroms (wie z. B. beim Transistor) an geeignete Strukturen
verändert werden oder sie weisen eine
richtungsabhängige
Leitfähigkeit auf (Diode, Gleichrichter). Weitere Anwendungen
sind
Heißleiter, Varistoren, Strahlungssensoren (Photoleiter,
Fotowiderstände, Photodioden bzw. Solarzellen),
thermoelektrische
Generatoren, Peltierelemente sowie Strahlungs- bzw. Lichtquellen
(Laserdiode, Leuchtdiode).
Grundlagen und
Eigenschaften:
Die Halbleitereigenschaften der oben genannten Stoffe gehen auf ihre
chemischen Bindungen und somit ihren atomaren Aufbau zurück.
Die
Halbleiter kristallisieren in unterschiedlichen Strukturen, so
kristallisieren Silicium und Germanium in der
Diamantstruktur (rein kovalente Bindung), III-V- und
II-VI-Verbindungshalbleiter hingegen meist in der Zinkblende-Struktur
(gemischt kovalent-ionische Bindung).
Die grundlegenden Eigenschaften von Halbleitern lassen sich anhand des
Bändermodells erklären: Die Elektronen in
Festkörpern wechselwirken über sehr viele
Atomabstände
hinweg miteinander. Dies führt faktisch zu einer Aufweitung
der
(im Einzelatom noch als diskrete Niveaus vorliegenden)
möglichen
Energiewerte zu ausgedehnten Energiebereichen, den sogenannten
Energiebändern. Da die Energiebänder je nach
Aufweitung und
Atomart verschieden zueinander liegen, können Bänder
sich
überlappen oder durch Energiebereiche, in der nach der
Quantenmechanik keine erlaubten Zustände existieren (Energie-
oder
Bandlücke), getrennt sein.
Bei Halbleitern sind, aufgrund ihrer Kristallstruktur, das
höchste
besetzte Energieband (Valenzband) und das
nächsthöhere Band
(Leitungsband) durch eine Bandlücke getrennt. Das Ferminiveau
liegt also genau in der Bandlücke. Bei einer Temperatur in der
Nähe des absoluten Nullpunktes ist das Valenzband voll besetzt
und
das Leitungsband vollkommen frei von Ladungsträgern. Da
unbesetzte
Bänder mangels beweglicher Ladungsträger keinen
elektrischen
Strom leiten und Ladungsträger in vollbesetzten
Bändern
mangels erreichbarer freier Zustände keine Energie aufnehmen
können, was zu einer beschränkten Beweglichkeit
führt,
leiten Halbleiter den elektrischen Strom nicht bei einer Temperatur
nahe dem absoluten Nullpunkt (Isolatoren).
Für den Leitungsvorgang sind teilbesetzte Bänder
notwendig,
die bei Metallen durch eine Überlappung der
äußeren
Bänder bei jeder Temperatur zu finden sind. Dies ist
– wie
oben erwähnt – bei Halbleitern und Isolatoren nicht
gegeben.
Die Bandlücke („verbotenes Band“ oder auch
„verbotene Zone“ genannt) bei Halbleitern ist im
Gegensatz
zu Isolatoren (EG > 3 eV) jedoch relativ klein (InAs:
≈ 0,4
eV, Ge: ≈ 0,7 eV, Si: ≈1,1 eV, GaAs: ≈
1,4 eV,
Diamant: ≈ 5,45 eV), so dass beispielsweise durch die Energie
der
Wärmeschwingungen bei Raumtemperatur oder durch Absorption von
Licht Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt
werden können. Halbleiter haben also eine intrinsische, mit
der
Temperatur zunehmende elektrische Leitfähigkeit. Deshalb nennt
man
Halbleiter auch Heißleiter oder NTC-Widerstände. Der
Übergang von Halbleitern zu Isolatoren ist allerdings
fließend. So wird beispielsweise Galliumnitrid (GaN; Einsatz
in
blauen LEDs) mit einer Bandlückenenergie von ≈ 3,6
eV
ebenfalls zu den Halbleitern gezählt.
Wird, wie oben beschrieben, ein Elektron in einem Halbleiter aus dem
Valenzband in das Leitungsband angeregt, so hinterlässt es an
seiner ursprünglichen Stelle ein Defektelektron, auch
„Loch“ genannt. Gebundene Valenzelektronen in der
Nachbarschaft solcher Löcher können durch
Platzwechsel in ein
Loch „springen“, hierbei wandert das Loch. Es kann
daher
als bewegliche positive Ladung aufgefasst werden.
Elektronen aus dem Leitungsband können mit den
Defektelektronen
rekombinieren (Elektron-Loch-Rekombination). Dieser Übergang
zwischen den beteiligten Niveaus kann unter Abgabe von
elektromagnetischer Rekombinationsstrahlung (Photon) und/oder unter der
Abgabe eines Impulses an das Kristallgitter (Phonon) erfolgen.
Sowohl die angeregten Elektronen als auch die Defektelektronen tragen
also zur elektrischen Leitung bei.
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