Halbleiter

Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen der eines Metalls und der eines Isolators liegt. Wie Isolatoren haben Halbleiter am absoluten Nullpunkt der Temperaturskala ein vollbesetztes Valenzband und ein leeres Leitungsband, d.h. bei Halbleitern liegt das Ferminiveau in der Bandlücke (vgl. Bändermodell). Dass das Valenzband voll besetzt und das Leitungsband völlig unbesetzt ist, liegt am tetraedrischen Aufbau eines Halbleiterkristalls. Diese Tetraeder- oder auch Kristallstruktur kommt durch die so genannten Grimm-Sommerfeld-Verbindungen zu Stande. Bei diesen muss die durchschnittliche Valenzelektronenanzahl 4 betragen. Beispielsweise also das Element Silizium (Elementarhalbleiter) oder bei der Halbleiterverbindung (Ga(III)-As(V)). Die wichtigste technische Anwendung der Halbleiter ist die Mikroelektronik.

Die Elektronen in Festkörpern wechselwirken über sehr viele Atomabstände hinweg miteinander. Dies führt faktisch zu einer Aufweitung der (im Atom noch als diskrete Niveaus vorliegenden) möglichen Energiewerte zu ausgedehnten Energiebereichen, den sogenannten Energiebändern. Zwischen den Bändern bestehen Lücken, die die Elektronen nicht besetzen können. Unbesetzte Bänder können mangels beweglicher Ladungsträger keinen elektrischen Strom leiten. In voll besetzten Bändern weisen die Ladungsträger keine Beweglichkeit auf. Nur in teilbesetzten Bändern treten Elektronen mit einer hohen Beweglichkeit auf. Da dies in Metallen der Fall ist, sind diese elektrisch leitend. In Nichtmetallen sind bei einer Temperatur von null Kelvin (absoluter Nullpunkt der Temperaturskala, entspricht etwa -273,15 Grad Celsius) die Bänder entweder voll mit Elektronen besetzt oder ganz leer. Da dann keine freien Elektronen vorhanden sind, liegt am absoluten Nullpunkt in Nichtmetallen keine elektrische Leitfähigkeit vor.

Zwischen dem obersten noch voll besetzten Band (Valenzband) und dem darüberliegenden (Leitungsband) liegt ein Energiebereich, in dem nach der Quantenmechanik keine erlaubten Zustände existieren, die Bandlücke. Diese Bandlücke ist bei Halbleitern relativ klein (InAs: ~0,4 eV, Ge: ~0,7 eV, Si: ~1,2 eV, GaAs: ~1,5 eV, Diamant: ~5,5 eV), so dass z.B. durch die Energie der Wärmeschwingungen oder durch Absorption von Licht Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt werden können. Halbleiter haben also eine mit der Temperatur zunehmende elektrische Leitfähigkeit.

Durch gezielte Verunreinigung eines Halbleiters mit Fremdatomen, das so genannte Dotieren, kann ein Überschuss oder Mangel von Elektronen gezielt herbeigeführt werden. Bei Überschuss sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband, bei einem Mangel die gedachten, positiv geladenen Löcher oder Defektelektronen im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. Im ersten Fall spricht man von Elektronen-, im anderen Fall von Löcherleitung. Halbleiterbereiche mit Elektronenüberschuss bezeichnet man als n-dotiert, solche mit Mangel als p-dotiert. Im Übergangsbereich, der P-n-Übergang genannt wird, bildet sich eine Raumladungszone aus.

Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen kann man einzelne, so genannte diskrete, Halbleiterbauelemente wie Dioden und Transistoren und komplexe, aus vielen Bauelementen in einem einzigen Kristall aufgebaute integrierte Schaltungen oder Mikrochips aufbauen.

Die Halbleitertechnik befasst sich mit der technischen Herstellung von Halbleiterbauelementen, Mikrochips und integrierten Schaltungen

Chemische Einteilung

Bindungscharakter

Man unterscheidet vier chemische Bindungstypen:

1.) Heteropolare Bindung

2.) Homöopolare Bindung

3.) Van-der-Waals-Bindung

4.) Metallbindung

Die Übergänge zwischen diesen vier Bindungstypen sind fließend.

Direkte und Indirekte Halbleiter

Zudem ist es wichtig zwischen Direkten und Indirekten Halbleitern zu unterscheiden. Hierfür sollte beachten das die Obengenannten Bänder nicht waagerechte Linien sind, sondern über die Oberfläche eines Kristalls variieren. So das jeweils das Leitungsband und das Valenzband (unabhängig voneinander) Maxima und Minima besitzt. Befinden sich nun das absolute Maximum eines Leitungsbandes und das absolute Minimum eines Valenzbandes gegenüber so spricht man von einem Direkten Halbleiter. In dem Fall wo diese extrema nicht gegenüber liegen spricht man von einem Indirekten Halbleiter. Diese Eigenschaft von Halbleitern ist wichtig, da direkte Übergänge zu eine Photonenemission führen. Diese Eigenschaft ist z.B. für den Bau von LEDs notwendig.

Direkte und Indirekte Halbleiter kann man mittels Absorptions versuch voneinander unterscheiden.

Direkte Halbleiter: GaAs, InP, GaN.._.

Indirekte Halbleiter: Si, Ge, SiC.._.

Semimagnetische Halbleiter

Semimagnetische Halbleiter sind Stoffe, die eine Bandlücke im eV-Bereich besitzen. Ihre Elektrische Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig. Bei 0 Kelvin ist die elektrische Leitfähigkeit gleich Null.

Semimagnetische Halbleiter gehören zur wichtigen Gruppe der Verbindungehalbleiter oder Compound Semiconductor. Es handelt sich um Verbindungen aus Elementen der II und VI bzw. III-IV Hauptgrupe des Periodensystems, bei denen ein Ion durch z.B. Mangan (Mangan ist magnetisch) ersetzt wurde. Eine charakteristische Eigenschaft dieser semimagnetischen Halbleiter ist die große Zeeman-Aufspaltung. Eigentlich nennt man semimagnetische Halbleiter diluted magnetic semiconductors, da sie magnetisch verdünnt sind.

Weblinks

• Britney Spears guide to Semiconductor Physics
• Power Semiconductors
• http://www.et.htwk-leipzig.de/kontakte/Fechner/projekte/physik/leitung/halbleit.htm

Siehe auch: ,