Akademik

Halbleiter,

 

Materialien, die eine Zwischenstellung zwischen elektrischen Leitern und Nichtleitern (Isolatoren) einnehmen. Reine kristalline Halbleiter sind die chemischen Elemente Germanium und Silicium, daneben weisen eine Reihe von Verbindungen wie Siliciumcarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs) oder Kupferdioxid (CuO₂) Halbleitereigenschaften auf. Durch Dotierung kann die elektrische Leitfähigkeit eines halbleitenden Materials noch verbessert werden.

 

Der Halbleitereffekt beruht auf der kristallinen Struktur der Materialien. In ihr sind die elektrischen Ladungsträger zunächst an die Atome gebunden, aus denen der Kristall aufgebaut ist. Bereits eine geringe Energiezufuhr, etwa in Form von Wärme, Licht oder einer von außen angelegten elektrischen Spannung bewirkt jedoch, dass sich diese Ladungsträger vom Atom lösen und weitgehend frei durch den Kristall bewegen können, womit aus dem elektrischen Nichtleiter ein elektrischer Leiter wird. Der Begriff »Halbleiter« kennzeichnet somit die Fähigkeit, bei Zimmertemperatur zwischen nicht leitendem und leitendem Zustand zu wechseln.

 

Bei Halbleitern kennt man zwei Arten von Ladungsträgern, die man mit n (für negativ) und p (für positiv) bezeichnet. Negative Ladungsträger sind Elektronen, die positiven Ladungsträger sind dagegen Leerstellen im Kristall, sog. Löcher, in denen ein Elektron fehlt und die sich nach außen verhalten wie ein positiv geladenes Elektron. Löcher können auch wie reale Teilchen wandern, indem nämlich ein Elektron in eine Leerstelle nachrückt, die neue Leerstelle von einem weiteren Elektron aufgefüllt wird usw. Je nach vorherrschendem Ladungstyp spricht man auch von n- bzw. p-Halbleitern.

 

Bringt man ein n-leitendes und ein p-leitendes Material in unmittelbaren Kontakt, so erhält man eine Halbleiterdiode (Diode). Diese verhält sich aufgrund von bestimmten quantenelektrischen Ausgleichseffekten genauso wie eine klassische Röhrendiode, sie lässt also elektrischen Strom nur in einer Richtung passieren. Drei Halbleiterschichten (pnp oder npn) bilden einen Transistor, das Halbleitergegenstück einer Triode. Mit diesem kann man einen an den beiden äußeren Schichten anliegenden Strom (bzw. eine Spannung) mithilfe einer an der mittleren Schicht angebrachten Elektrode regeln. Halbleiterdioden und Transistoren sind die Grundbausteine jeder mikroelektronischen integrierten Schaltung (IC, Chip), allein ein PowerMac-G5-Prozessor enthält über 50 Millionen Transistoren.

Halbleiter,

 

Festkörper, die bei Zimmertemperaturen eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen und bei tiefen Temperaturen Isolatoren sind. Ihr elektrischer Widerstand fällt mit steigender Temperatur exponentiell ab. Starre Grenzen zwischen Halbleitern, Metallen und Isolatoren kann man nicht ziehen. Zweckmäßiger ist eine Einteilung nach der Lage der Fermi-Energie im Energiespektrum der Elektronen. Bei Halbleitern liegt die Fermi-Energie der Elektronen für beliebig niedrige Temperaturen innerhalb der verbotenen Zone der Energiebänder. Die wichtigsten Halbleitermaterialien sind die Elementhalbleiter Silicium (Si) und Germanium (Ge) sowie die Verbindungshalbleiter aus Elementen der III. und V. Hauptgruppe (III-V-Halbleiter) und der II. und VI. Hauptgruppe (II-VI-Halbleiter) des Periodensystems sowie deren Mischkristalle. III-V-Halbleiter sind z. B. Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Indiumantimonid (InSb), Galliumphosphid (GaP), Indiumarsenid (InAs), Galliumnitrid (GaN) u. a.; II-VI-Halbleiter sind u. a. Zinksulfid (ZnS), Cadmiumsulfid (CdS), Bleiselenid (PbSe), Cadmiumselenid (CdSe) und Cadmiumtellurid (CdTe).

 

Ursache der Halbleitereigenschaften der genannten Stoffe ist die chemische Bindung ihrer atomaren Bausteine. Si und Ge kristallisieren in der Diamantstruktur (rein kovalente Bindung, Koordinationszahl 4), III-V- und II-VI-Verbindungshalbleiter meist in der Zinkblendestruktur (ebenfalls mit der Koordinationszahl 4, gemischt kovalent-ionare Bindung). Ihre elektrischen und optischen Eigenschaften werden durch das Bändermodell erklärt. In chemisch reinen Halbleitern sind das voll besetzte Valenzband und das leere Leitungsband durch eine Bandlücke von etwa 1 eV getrennt, das Fermi-Niveau der Elektronen liegt in der Bandlücke. Bei Energiezufuhr in Form von Wärme (Gitterschwingungen) werden Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband angeregt (Generation). Sowohl die Leitungselektronen als auch die im Valenzband zurückbleibenden Löcher (Defektelektron) liefern einen Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit, da sie sich unter dem Einfluss elektrischer Felder (Drift) oder von örtlichen Unterschieden der Ladungsträgerdichte (Diffusion) durch den Kristall bewegen. Im Gegensatz zu Metallen haben Elektronen und Löcher im Halbleiter aber nur eine begrenzte Lebensdauer, da sie sich gegenseitig vernichten (Elektron-Loch-Rekombination). Diese thermisch bedingte Eigenleitung tritt bei allen Halbleitern (und auch bei Isolatoren) ein, wenn die Temperatur so groß wird, dass die thermische Energie der Elektronen der Breite der verbotenen Zone vergleichbar wird. In einem rein eigenleitenden Halbleiter (Eigenhalbleiter) ist die Konzentration der Elektronen und Löcher gleich groß, die Beweglichkeit, die durch Streuung an Gitterschwingungen (Elektron-Phonon-Stöße), bei sehr tiefen Temperaturen durch Defekte begrenzt wird, ist aber in der Regel für Elektronen größer als für Löcher. Die Anregung von Elektronen aus dem Valenz- ins Leitungsband kann auch durch elektromagnetische Strahlung (z. B. Licht) erfolgen. Jeder Halbleiter ist auch ein Photoleiter (Photodetektor), wobei nur Strahlung mit einer Quantenenergie hν wirksam wird, die größer als die Energielücke ΔE ist (h = plancksches Wirkungsquantum). Unterhalb der durch hν = ΔE gegebenen Absorptionskante tritt keine Absorption und damit auch kein innerer photoelektrischer Effekt auf. Bei Temperaturen unterhalb des Bereichs der Eigenleitung werden die elektrischen Eigenschaften deutlich von Störstellen (Kristallgitterdefekte oder Fremdatome) bestimmt (Störstellenleitung, Störleitung). Beim Einbau eines fünfwertigen Atoms (z. B. Phosphor) in einen Si- oder Ge-Kristall, in dem jedes Atom entsprechend seiner Wertigkeit vier kovalente Bindungen - je eine mit jedem seiner vier nächsten Nachbarn - eingeht, bleibt ein Valenzelektron des Fremdatoms ohne Partner. Es besetzt ein Energieniveau in der Bandlücke nahe an der Leitungsbandunterkante, aus dem es mit geringer Schwellenenergie (etwa 50 meV) ins Leitungsband angeregt werden kann. Im Fall eines dreiwertigen Fremdatoms bildet sich ein Loch, da ein Valenzelektron für die Bindung zu den nächsten Nachbarn fehlt. Dadurch entsteht ein unbesetztes lokalisiertes Elektronenniveau knapp über dem Valenzband, das Elektronen aufnehmen kann. Wegen der geringen Aktivierungsenergie für Ladungsträger aus Störstellen kann bei tiefen Temperaturen die Störstellenleitung schon bei geringer Störstellenkonzentration die Eigenleitung übertreffen. Je nachdem, ob von den Störstellen Elektronen ins Leitungsband abgegeben oder aus dem Valenzband aufgenommen werden (wobei dort bewegliche Löcher zurückbleiben), erhält man zwei Arten von Störstellenhalbleitern, nämlich einen n-Typ-Halbleiter mit Elektronenleitung oder einen p-Typ-Halbleiter mit Defektelektronenleitung. Durch Dotierung des Grundmaterials mit Akzeptoren oder Donatoren kann n- oder p-Leitung sowie die Ladungsträgerkonzentration eingestellt werden. Im n-Leiter werden die Elektronen als Majoritätsträger, die Löcher als Minoritätsträger bezeichnet, im p-Leiter gilt die entsprechende Umkehrung.

 

Da bei einer bestimmten Temperatur das Produkt aus Elektronendichte n und Löcherdichte p unabhängig von der Störstellenkonzentration einen konstanten Wert annehmen muss (Massenwirkungsgesetz), muss z. B. bei Einbau eines Donators die Löcherkonzentration abnehmen, da die Elektronenkonzentration zunimmt. Durch diesen Effekt der Ladungsträgerkompensation kann die Gesamtkonzentration der Ladungsträger n + p durch Einbau geeigneter Fremdatome kontrolliert werden. Leitungstyp und Ladungsträgerdichte können experimentell durch Messung des Hall-Effekts bestimmt werden. In starken elektrischen Feldern können Elektronen auch durch quantenmechanischen Tunneln (Zener-Effekt, innere Feldemission) ohne Energieaufnahme ins Leitungsband gelangen, oder es können einzelne Ladungsträger so stark beschleunigt werden, dass sie durch Stoßionisation weitere Ladungsträger erzeugen (Lawinendurchbruch). Durch Kombination von p- und n-Halbleitern entstehen Sperrschichten (p-n-Übergang), auf deren Eigenschaften die Funktionsweise der Halbleiterbauelemente, wie Dioden, Transistoren, Thyristoren, und der optoelektronischen Bauelemente (Optoelektronik), z. B. Leuchtdioden, Photodioden, Halbleiterlaser, Solarzellen, beruht.

 

In Verbindungshalbleitern kann der Leitungstyp durch Abweichungen von der Stöchiometrie festgelegt werden. Bleisulfid (PbS) wird z. B. bei Überschuss an Blei n-leitend, an Schwefel p-leitend (amphotere Halbleiter). Amorphe Halbleiter, die in Glashalbleiter und organische Halbleiter unterteilt werden, besitzen keine wohldefinierte Bandstruktur, da wegen der fehlenden Fernordnung eine Vielzahl von strukturellen Defekten und nicht abgesättigten Valenzen auftreten, denen lokalisierte Elektronenniveaus im Bereich der Bandlücke zuzuordnen sind. Die Halbleitereigenschaften werden dadurch erklärt, dass die Elektronen erst oberhalb einer kritischen Zustandsdichte beweglich werden, d. h., der Energielücke im kristallinen Halbleiter entspricht eine Beweglichkeitslücke. Inzwischen ist es gelungen, im amorphen Si, das als preiswertes Material für Solarzellen infrage kommt, durch Einbau von Wasserstoff die unerwünschten Niveaus in der Bandlücke zu unterdrücken, sodass die elektrischen Eigenschaften dieses Materials gezielt durch Dotierung beeinflusst werden können. Durch Epitaxie können ultradünne kristalline Schichten (Dicke bis herab zu einer Atomlage) oder Schichtfolgen aus unterschiedlichen Halbleitern gezüchtet werden (Halbleiterheterostrukturen, Heterostruktur).

 

Periodische Anordnungen vieler dünner Schichten werden als Supergitter oder Überstrukturhalbleiter bezeichnet. Bestehen die Schichten aus unterschiedlichen Halbleitern, spricht man von kompositioneller Überstruktur; periodische Schichten des gleichen Materials mit abwechselnder n- und p-Dotierung werden als Dotierungsüberstrukturen bezeichnet. Die Ansammlung der positiven Überschussladungen in den Donatorschichten sowie der negativen in den Akzeptorschichten bewirkt eine periodische Modulation von Valenz- und Leitungsbandkante, aber in diesem Fall werden beide Bandkanten jeweils in dieselbe Richtung verschoben. Der effektive Bandabstand in einem solchen Halbleiter mit Dotierungsüberstruktur ist keine Materialkonstante mehr, sondern kann durch Wahl der Dotierung in weiten Bereichen variiert werden. Werden in einem Halbleiter Elektronen und Löcher injiziert oder durch Absorption von Licht generiert, so wandern die negativen Elektronen in die Donatorschichten, die positiven Löcher aber in die Akzeptorschichten. Durch die räumliche Trennung von Elektronen und Löchern wird die Rekombination weitgehend unterdrückt und so eine nahezu verlustfreie Steuerung der Leitfähigkeit möglich.

 

Literatur:

 

Verbindungs-H., hg. v. K. Unger u. a. (Leipzig 1986);

 Rudolf Müller: Grundlagen der H.-Elektronik (⁷1995);

 P. Y. Yu u. M. Cardona: Fundamentals of semiconductors (Berlin 1996);

 U. Hilleringmann: Silizium-H.-Technologie (²1999).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

 

Halbleiterbauelemente ermöglichen logische Verknüpfungen

 

Halbleiterspeicher: Speicherbausteine