Halbleiter
Halbleiter ist eine Bezeichnung für eine spezielle Gruppe elektronischer Bauelemente, die sich durch ein kompliziertes Durchlaß- und Schaltverhalten auszeichnet.
Anwendung
Weite Teile der heutigen Elektronik beruhen auf der Verwendung von Halbleitern. Nahezu alle aktiven Bauelemente sind Halbleiter. Wesentlich ist bei vielen Halbleitern ihre Fähigkeit, geschaltet zu werden. Damit können sie in der Digitaltechnik für Logikschaltungen und in der Analogtechnik als Verstärker eingesetzt werden.
Typen
- Diode
- Transistor
- TRIAC
- Thyristor
- integrierte Schaltungen (ICs)
- Mikrocontroller
Eigenschaften
Leitfähigkeit
Halbleiter besitzen eine gegensätzliche Form der Leitfähigkeit als Metalle, was an der besonderen Art der Verteilung der Ladungsträgerkonzentration liegt. Bei Metallen ist das Metallgitter (Valenz- und Leitungsband) mit Elektronen gesättigt, sodass nur Elektronen (im Leitungsband) zur Leitung betragen. Bei Halbleitern ist die Konzentration sehr viel geringer, sodass nur sehr wenige Elektronen im Leitungsband vorliegen und auch im Valenzband noch freie Plätze existieren. Damit tragen beide Bänder zur Leitung bei. (Im Valenzband interpretiert man die Bewegung der Elektronen auch als Wandern von Löchern). Dies erklärt auch, dass die Leitfähigkeit im Gegensatz zu Metallen mit der Temperatur steigt (Heißleiter), da durch die Temperaturerhöhung mehr Elektronen ins Leitungsband gelangen und so ein Ladungsträgerpaar generiert wird. (Ein leitendes Elektron mehr und zudem ein weiterer Platz frei für wandernde Elektronen).
Analogiemodell
Das Verhalten der Elektronen und der Leitfähigkeit wird in der Literatur gerne mit einem sogenannten "Garagenmodell" erklärt - lässt sich aber an folgender Situation einfacher und vollständiger darstellen, welche ich Theatermodell nenne:
Ein metallischer Leiter verhält sich wie ein vollbesetztes Theater, bei dem alle Stühle im Zuschauerraum besetzt sind und in den Zwischenräumen zudem noch viele Personen stehen. Ein Laufen ist nur schwer möglich, ein Rücken auf den Sitzen praktisch gar nicht. Bei Erwärmung = Bewegung, können nur wenige Personen aufstehen, die Stühle werden aber sofort wieder besetzt und durch die Bewegung wird ein geordnetes Fortkommen der stehenden Personen sogar behindert. Die Leitfähigkeit sinkt insgesamt. Wird es sehr kalt, steht niemand mehr auf, in den Gängen ist mehr geordnetes Fortkommen möglich, was die Leitfähigkeit verbessert.
Ein intrinsischer Halbleiter beim absoluten Gefrierpunkt ist ein Theater mit 100% besetzten Plätzen, in dem aber niemand steht. Bei Zimmertemperatur stehen 10% in den Gängen und 90% sitzen. Schon in diesem Zustand können einige Personen ungehindert durch die Gänge laufen und die Sitzenden von Stuhl zu Stuhl rücken. Dabei ist das Laufen leichter und schneller, als das Umsetzen. Alle Personen rücken dabei nach links, die Plätze damit nach rechts. Durch die vielen besetzten Plätze nimmt man primär ein Rücken von Löchern wahr. Bei Erwärmung stehen noch mehr Personen von ihren Plätzen auf. Sie verstopfen aber noch lange keine Gänge, sondern tragen unmittelbar zur besseren Leitung bei, ohne andere zu behindern. Durch den freiwerdenden Platz können obendrein nun noch mehr sitzende Personen rücken. Es entstehen schlagartig zwei Ladungsträger.
Ein n-dotierter Halbleiter hat bei Zimmertemperatur 120% Personen, davon sitzen 95% und 25% stehen. Der Großteil (hier 25 von 30) der Leitung wird durch Personen bewerkstelligt, die durch die Gänge an den sitzenden Personen vorbeilaufen. Da das Umsetzen umständlicher ist, tragen die 5% freien Plätze nur wenig zur Leitfähigkeit bei.
Ein p-dotierter Halbleiter hat bei Zimmertemperatur 80% Personen, davon sitzen 75% und 5% stehen. Der Großteil der Leitung wird durch sitzende Personen bewerkstelligt, da nur wenige Personen stehen und laufen. Obwohl das Umsetzen umständlicher ist, macht es einen größeren Anteil aus, weil von 100% Plätzen immer 25% frei sind und jede 4. Person einen Platz zum Rücken hat.
Wichtige Halbleitermaterialien
- Si – Silizium, das am weitesten verwendete Material (engl. silicon, das bedeutet nicht Silikon – letzteres ist silicone im Englischen)
- GaAs – Galliumarsenid, für Höchstfrequenzanwendungen
- InP – Indiumphosphid, für LEDs
- Ge – Germanium, war das erste großindustriell genutzte Halbleitermaterial, heute nur noch in Nischenanwendungen
- GaP – Galliumphosphid, für LEDs
- InSb – Indiumantimonid, für Höchstfrequenzanwendungen, noch im Forschungsstadium
- SiC – Siliziumkarbid, für Hochtemperaturanwendungen im Bereich 200…300 °C, für effiziente Leistungselektronik
- GaN – Galliumnitrid, für LEDs, für hochtaktende effiziente Leistungselektronik
Dotieren
Um die Ladungsträgerkonzentration und damit die Leitfähigkeit von Halbleitern zu steuern, bringt man gezielt Fremdatome in das Material ein; diesen Vorgang nennt man "Dotieren". Bei den Fremdatomen unterscheidet man zwischen "Donatoren", die ein Elektron zur Verfügung stellen, und "Akzeptoren", die ein Elektron aufnehmen können (bzw. ein "Loch" zur Verfügung stellen.) Einen überwiegend mit Donatoren dotierten Halbleiter bezeichnet man als n-Halbleiter, einen überwiegend mit Akzeptoren dotierten als p-Halbleiter. Undotierte Halbleiter werden auch "intrinsische Halbleiter" genannt.
Üblicherweise zum Dotieren verwendete Elemente:
- Donatoren
- P - Phosphor
- As - Arsen
- Sb - Zinn
- Si - Silizium
- S - Schwefel
- Akzeptoren
- B - Bor
- Al - Aluminium
- Ga - Gallium
- C - Kohlenstoff
- Si - Silizium
- Mn - Mangan
(Si kann in GaAs je nach Einbauplatz als Donator oder Akzeptor wirken)