Was ist ein Halbleiter? – Definition & Erklärung

Wie funktioniert ein Halbleiter?

Halbleiter und Halbleitertechnologie bilden heutzutage die Grundlage für den größten Teil der Elektronikindustrie. Transistoren, Dioden, integrierte Schaltkreise und viele andere Geräte basieren auf der Halbleitertechnologie.

Aufgrund der enormen Flexibilität, welche die Halbleitertechnologie bietet, hat sie es der Elektronik ermöglicht, viele Bereiche des täglichen Lebens zu übernehmen, die vor fünfzig Jahren noch nicht denkbar gewesen wären.

Leiter und Nicht-Leiter

Ein elektrischer Strom entsteht, wenn ein Elektronenfluss in eine bestimmte Richtung stattfindet. Da Elektronen eine negative Ladung haben, bedeutet ihre Bewegung, dass Ladung von einem Punkt zu einem anderen fließt, und das macht einen elektrischen Strom aus.

Damit der Strom fließen kann, müssen sich die Elektronen frei im Material bewegen können. In einigen Materialien bewegen sich die Elektronen frei um das Gitter, obwohl sich die Anzahl der Elektronen und die für sie verfügbaren Räume ausgleichen, so dass das Material selbst keine Ladung trägt. In diesen Materialien bewegen sich die Elektronen frei, aber zufällig.

Durch Anlegen einer Potentialdifferenz über den Leiter können die Elektronen in eine Richtung getrieben werden, was einen elektrischen Strom darstellt. Viele Materialien sind in der Lage, Elektrizität zu leiten, aber die häufigsten Beispiele sind Metalle.

Im Gegensatz zu Metallen gibt es viele andere Materialien, in denen alle Elektronen fest an ihre Muttermoleküle gebunden sind und sich nicht frei bewegen können. Wenn also ein Potential über die Substanz gelegt wird, können sich nur sehr wenige Elektronen bewegen, und es fließt nur sehr wenig oder gar kein Strom. Diese Substanzen werden als Nichtleiter oder Isolatoren bezeichnet. Dazu gehören die meisten Kunststoffe, Keramiken und viele natürlich vorkommende Stoffe wie Holz.

Halbleiter

Halbleiter fallen weder in die Kategorie der Leiter noch in die der Nichtleiter. Stattdessen fallen sie zwischen diese Kategorien. Eine Vielzahl von Materialien fällt in diese Kategorie, und dazu gehören Silizium, Germanium, Galliumarsenid und eine Vielzahl anderer Substanzen.

In seinem reinen Zustand ist Silizium ein Isolator ohne freie Elektronen im Kristallgitter. Um jedoch zu verstehen, wie es sich als Halbleiter verhält, muss man sich zunächst die atomare Struktur des Siliziums in seinem reinen Zustand ansehen.

Jedes Molekül im Kristallgitter besteht aus einem Kern mit drei Ringen oder Bahnen, die Elektronen enthalten, und jedes Elektron hat eine negative Ladung. Der Kern besteht aus Neutronen, die neutral sind und keine Ladung haben, und Protonen, die eine positive Ladung haben. Im Atom gibt es die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, so dass das gesamte Atom keine Gesamtladung hat.

Die Elektronen im Silizium sind, wie in jedem anderen Element, in Ringen mit einer strikten Anzahl von Elektronen auf jeder Umlaufbahn angeordnet. Der erste Ring kann nur zwei, der zweite nur acht Elektronen enthalten. Der dritte und äußere Ring des Siliziums hat vier. Die Elektronen in der äußeren Schale werden mit denen benachbarter Atome geteilt, um ein Kristallgitter zu bilden.

Wenn dies geschieht, gibt es keine freien Elektronen im Gitter, was Silizium zu einem guten Isolator macht. Ein ähnliches Bild ist für Germanium zu sehen. Es hat zwei Elektronen auf der innersten, acht auf der nächsten, 18 auf der dritten und vier auf der äußersten Umlaufbahn. Auch hier teilt es seine Elektronen mit denen benachbarter Atome, um ein Kristallgitter ohne freie Elektronen zu bilden.

Verunreinigungen

Um Silizium oder einen anderen Halbleiter in ein teilweise leitendes Material zu verwandeln, ist es notwendig, dem Material eine sehr geringe Menge an Verunreinigungen hinzuzufügen. Dadurch werden die Eigenschaften erheblich verändert.

Wenn Spuren von Verunreinigungen von Materialien mit fünf Elektronen im äußeren Ring ihrer Atome hinzugefügt werden, treten sie in das Kristallgitter ein und teilen sich die Elektronen mit dem Silizium. Da sie jedoch ein zusätzliches Elektron im äußeren Ring haben, wird ein Elektron frei, um sich um das Gitter herum zu bewegen. Dies ermöglicht einen Stromfluss, wenn ein Potential über das Material angelegt wird. Da diese Art von Material einen Elektronenüberschuss im Gitter hat, wird es als N-Typ-Halbleiter bezeichnet. Typische Verunreinigungen, die häufig zur Herstellung von N-Typ-Halbleitern verwendet werden, sind Phosphor und Arsen.

Es ist auch möglich, Elemente mit nur drei Elektronen in ihrer äußeren Schale in das Kristallgitter zu platzieren. Wenn dies geschieht, möchte das Silizium seine vier Elektronen mit einem anderen Atom mit vier Atomen teilen. Da die Verunreinigung jedoch nur drei hat, gibt es einen Raum oder ein Loch für ein weiteres Elektron. Da bei dieser Art von Material Elektronen fehlen, wird es als P-Typ-Material bezeichnet. Typische Verunreinigungen, die für P-Typ-Material verwendet werden, sind Bor und Aluminium.

Löcher

Es ist leicht zu erkennen, wie sich Elektronen um das Gitter bewegen und einen Strom führen können. Bei Löchern ist es jedoch nicht ganz so offensichtlich. Dies geschieht, wenn sich ein Elektron aus einer vollständigen Umlaufbahn bewegt, um ein Loch zu füllen, wobei es ein Loch dort hinterlässt, wo es herkommt.

Ein anderes Elektron von einer anderen Umlaufbahn kann sich dann hineinbewegen, um das neue Loch zu füllen und so weiter. Die Bewegung der Löcher in die eine Richtung entspricht einer Bewegung von Elektronen in die andere Richtung, also einem elektrischen Strom.

Daraus ist zu ersehen, dass entweder Elektronen oder Löcher Ladung oder einen elektrischen Strom transportieren können. Daher werden sie als Ladungsträger bezeichnet, wobei Löcher die Ladungsträger für einen P-Typ-Halbleiter und Elektronen für einen N-Typ-Halbleiter sind.

Zusammenfassung

Das Prinzip hinter den Halbleitern erscheint recht einfach. Es dauerte jedoch viele Jahre, bis viele seiner Eigenschaften ausgenutzt werden konnten, und noch viel mehr, bis sie verfeinert werden konnten. Heutzutage sind viele der Prozesse, die mit Halbleitern verwendet werden, hoch optimiert, und die Komponenten wie integrierte Schaltkreise sind hoch entwickelt. Sie beruhen jedoch auf der Tatsache, dass verschiedene Bereiche des Halbleiters dotiert werden können, um P-Typ- und N-Typ-Halbleiter herzustellen.

Gebräuchliche Halbleiter-Begriffe

• Ladungsträger – Ein Ladungsträger ist ein freies (bewegliches, ungebundenes) Teilchen, das eine elektrische Ladung trägt, z.B. ein Elektron oder ein Loch.
  
  
• Leiter – Ein Material, in dem sich Elektronen frei bewegen können und Elektrizität fließen kann.
  
  
• Elektron – Ein subatomares Teilchen, das eine negative Ladung trägt.
  
  
• Loch – Das Fehlen eines Valenzelektrons in einem Halbleiterkristall. Die Bewegung eines Lochs ist äquivalent zur Bewegung einer positiven Ladung, d.h. entgegengesetzt zur Bewegung eines Elektrons.
  
  
• Isolator – Ein Material, in dem keine freien Elektronen zum Transport von Elektrizität verfügbar sind.
  
  
• Majoritätsträger – Stromträger, entweder freie Elektronen oder Löcher, die im Überschuss, d.h. in der Majorität in einem bestimmten Bereich eines Halbleitermaterials vorhanden sind. Elektronen sind die Majoritätsträger in einem N-Typ-Halbleiter und Löcher in einem P-Typ-Bereich.
  
  
• Minoritätsträger – Stromträger, entweder freie Elektronen oder Löcher, die in einem bestimmten Bereich eines Halbleitermaterials in der Minderheit sind.
  
  
• N-Typ – Ein Bereich eines Halbleiters, in dem ein Überschuss an Elektronen vorhanden ist.
  
  
• P-Typ – Ein Bereich eines Halbleiters, in dem es einen Überschuss an Löchern gibt.
  
  
• Halbleiter – Ein Material, das weder ein Isolator noch ein Vollleiter ist, das eine mittlere elektrische Leitfähigkeit aufweist und in dem die Leitung durch Löcher und Elektronen erfolgt.

Halbleiter-Materialien, Typen, Gruppen und Klassifikationen

Es gibt viele verschiedene Arten von Halbleitermaterial.

Die verschiedenen Arten von Halbleitern haben leicht unterschiedliche Eigenschaften und eignen sich für unterschiedliche Anwendungen in verschiedenen Formen von Halbleiterbauelementen.

Einige können für Standardsignalanwendungen, andere für Hochfrequenzverstärker, während andere Typen für Leistungsanwendungen und raue Umgebungen oder andere für lichtemittierende Anwendungen geeignet sein können. All diese verschiedenen Anwendungen neigen dazu, verschiedene Arten von Halbleitermaterialien zu verwenden.

Halbleitertypen und -klassifikationen

Es gibt zwei grundlegende Gruppen oder Klassifikationen, die zur Definition der verschiedenen Halbleitertypen verwendet werden können:

• • Intrinsisches Material: Ein intrinsischer Typ von Halbleitermaterial, das chemisch sehr rein ist. Infolgedessen besitzt es ein sehr niedriges Leitfähigkeitsniveau mit einer sehr geringen Anzahl von Ladungsträgern, nämlich Löchern und Elektronen, die es in gleichen Mengen besitzt.
    
    
  • Extrinsisches Material: Extrinsische-Halbleitertypen sind solche, bei denen dem intrinsischen Grundmaterial eine geringe Menge an Verunreinigungen hinzugefügt wurde. Bei dieser „Dotierung“ wird ein Element aus einer anderen Gruppe des Periodensystems verwendet, und auf diese Weise hat es entweder mehr oder weniger Elektronen im Valenzband als der Halbleiter selbst. Dadurch entsteht entweder ein Elektronenüberschuss oder ein Elektronenmangel. Auf diese Weise stehen zwei Arten von Halbleitern zur Verfügung: Elektronen sind negativ geladene Träger.
    
    N-Typ:
    Ein Halbleitermaterial vom N-Typ weist einen Elektronenüberschuss auf. Auf diese Weise stehen freie Elektronen innerhalb der Gitter zur Verfügung und ihre Gesamtbewegung in eine Richtung unter dem Einfluss einer Potentialdifferenz führt zu einem elektrischen Stromfluss. In einem N-Typ-Halbleiter sind die Ladungsträger Elektronen.
    
    P-Typ:
    In einem P-Typ-Halbleitermaterial gibt es einen Mangel an Elektronen, d.h. es gibt „Löcher“ im Kristallgitter. Elektronen können sich von einer leeren Position zu einer anderen bewegen, und in diesem Fall kann man davon ausgehen, dass sich die Löcher bewegen. Dies kann unter dem Einfluss einer Potentialdifferenz geschehen und man kann sehen, dass die Löcher in eine Richtung fließen, was zu einem elektrischen Stromfluss führt. Tatsächlich ist es für Löcher schwieriger, sich zu bewegen als für freie Elektronen, und daher ist die Beweglichkeit von Löchern geringer als die von freien Elektronen. Löcher sind positiv geladene Ladungsträger.

Gruppen von Halbleitermaterialien

Die am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien sind kristalline anorganische Festkörper. Diese Materialien werden oft nach ihrer Position oder Gruppe innerhalb des Periodensystems klassifiziert. Diese Gruppen werden durch die Elektronen in der äußeren Umlaufbahn der einzelnen Elemente bestimmt.

Während die meisten verwendeten Halbleitermaterialien anorganisch sind, wird auch eine wachsende Anzahl organischer Materialien untersucht und verwendet.

Liste der Halbleitermaterialien

Es gibt viele verschiedene Arten von Halbleitermaterialien, die in elektronischen Geräten verwendet werden können. Jedes hat seine eigenen Vor- und Nachteile und Bereiche, in denen es eingesetzt werden kann, um die optimale Leistung zu bieten.

Material	Chemisches Symbol / Formel	Gruppe	Details
Germanium	Ge	IV	Diese Art von Halbleitermaterial wurde in vielen frühen Geräten von Radarerkennungsdioden bis hin zu den ersten Transistoren verwendet. Dioden weisen eine höhere Rückwärtsleitfähigkeit auf, und der Temperaturkoeffizient bedeutete, dass die frühen Transistoren unter thermischem Ausreißen leiden konnten. Sie bieten eine bessere Ladungsträgermobilität als Silizium und werden daher für einige HF-Bauelemente verwendet. Heutzutage nicht so weit mehr verbreitet, da bessere Halbleitermaterialien verfügbar sind.
Silizium	S	IV	Silizium ist der am weitesten verbreitete Typ von Halbleitermaterial. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass es sich leicht herstellen lässt und gute allgemeine elektrische und mechanische Eigenschaften aufweist. Ein weiterer Vorteil ist, dass es bei der Verwendung für integrierte Schaltungen qualitativ hochwertiges Siliziumoxid bildet, das für Isolationsschichten zwischen verschiedenen aktiven Elementen des ICs verwendet wird.
Gallium-Arsenid	GaAs	III-V	Galliumarsenid ist nach Silizium der am zweithäufigsten verwendete Halbleitertyp. Es wird häufig in Hochleistungs-HF-Geräten verwendet, wo seine hohe Elektronenbeweglichkeit ausgenutzt wird. Es wird auch als Substrat für andere III-V-Halbleiter, z.B. InGaAs und GaInNAs, verwendet. Es ist jedoch ein sprödes Material und hat eine geringere Lochbeweglichkeit als Silizium, wodurch Anwendungen wie P-Typ-CMOS-Transistoren nicht durchführbar sind. Außerdem ist es relativ schwierig herzustellen, was die Kosten für GaAs-Bauelemente erhöht.
Silizium-Karbid	SiC	IV	Siliziumkarbid findet in einer Reihe von Anwendungen Verwendung. Es wird häufig in Leistungsbauelementen verwendet, wo seine Verluste deutlich geringer sind und die Betriebstemperaturen höher sein können als die von Bauelementen auf Siliziumbasis. Siliziumkarbid hat ein Durchbruchvermögen, das etwa zehnmal so hoch ist wie das von Silizium selbst. Formen von Siliziumkarbid waren Arten von Halbleitermaterial, die bei einigen frühen Formen von gelben und blauen LEDs verwendet wurden.
Gallium-Nitrid	GaN	III-V	Diese Art von Halbleitermaterial findet zunehmend Verwendung in Mikrowellentransistoren, wo hohe Temperaturen und Leistungen benötigt werden. Es wird auch in einigen Mikrowellen-ICs verwendet. GaN ist schwer zu dotieren, um p-Typ-Regionen zu erhalten, und es ist auch empfindlich für ESD, aber relativ unempfindlich gegen ionisierende Strahlung. Es wurde in einigen blauen LEDs verwendet.
Gallium-Phosphid	GaP	III-V	Dieses Halbleitermaterial hat innerhalb der LED-Technologie viele Anwendungen gefunden. Es wurde in vielen frühen LEDs mit niedriger bis mittlerer Helligkeit verwendet und erzeugte eine Vielzahl von Farben in Abhängigkeit von der Zugabe anderer Dotierstoffe. Reines Galliumphosphid erzeugt ein grünes Licht, stickstoffdotiert, es emittiert gelb-grün, ZnO-dotiert emittiert es rot.
Kadmium-Sulfid	CdS	II-VI	Wird in Fotowiderständen und auch in Solarzellen verwendet.
Blei-Sulfid	PbS	IV-VI	Dieses als Mineral Bleiglanz verwendete Halbleitermaterial wurde in den sehr frühen Radiodetektoren verwendet, die als „Katzenschnurrhaare“ bekannt waren. Dabei wurde ein Punktkontakt mit dem Zinndraht auf dem Bleiglanz verbunden um eine Gleichrichtung der Signale zu erreichen.

 

Halbleiterlöcher & Elektronen

Es ist leicht zu verstehen, wie sich Elektronen um das Gitter bewegen und einen Strom führen können. Bei Löchern ist es jedoch nicht ganz so offensichtlich. Dies geschieht, wenn sich ein Elektron aus einer vollständigen Umlaufbahn bewegt, um ein Loch zu füllen, wobei es ein Loch dort hinterlässt, wo es herkommt. Ein anderes Elektron von einer anderen Umlaufbahn kann sich dann hineinbewegen, um das neue Loch zu füllen und so weiter. Die Bewegung der Löcher in die eine Richtung entspricht einer Bewegung von Elektronen in die andere Richtung, also einem elektrischen Strom.

Daraus ist zu erkennen, dass entweder Elektronen oder Löcher Ladung oder einen elektrischen Strom führen können. Daher werden sie als Ladungsträger bezeichnet, wobei Löcher die Ladungsträger für einen P-Typ-Halbleiter und Elektronen für einen N-Typ-Halbleiter sind.