Einführung in die Chemie (Deutsch)

• Halbleitereine Substanz mit elektrischen Eigenschaften zwischen denen eines guten Leiters und denen eines guten Isolators
• Leitfähigkeitendas kann Elektrizität, Wärme, Licht oder Schall übertragen
• dotiertes Beschreiben eines Halbleiters, dem kleine Mengen von Elementen hinzugefügt wurden, um Ladungsträger zu erzeugen

Halbleiter sind Materialien, die Eigenschaften sowohl normaler Leiter als auch von Isolatoren haben.., Halbleiter fallen in zwei große Kategorien:

• Intrinsische Halbleiter bestehen nur aus einer Art von Material; Silizium und Germanium sind zwei Beispiele. Diese werden auch als „undotierte Halbleiter“ oder „i-Typ-Halbleiter“ bezeichnet. „
• Extrinsische Halbleiter hingegen sind intrinsische Halbleiter, denen andere Substanzen zugesetzt werden, um ihre Eigenschaften zu verändern — das heißt, sie wurden mit einem anderen Element dotiert.,

Intrinsische Halbleiter

Bei den klassischen kristallinen Halbleitern können Elektronen Energien nur innerhalb bestimmter Bänder (Energiebereiche) aufweisen. Die Energie dieser Bänder liegt zwischen der Energie des Grundzustands und der freien Elektronenenergie (der Energie, die benötigt wird, damit ein Elektron vollständig aus dem Material entweichen kann). Die Energiebänder entsprechen einer großen Anzahl diskreter Quantenzustände der Elektronen. Die meisten Zustände mit niedriger Energie (näher am Kern) sind bis zu einem bestimmten Band, dem Valenzband, besetzt.,

Halbleiter und Isolatoren unterscheiden sich von Metallen durch die Population von Elektronen in jedem Band. Das Valenzband in jedem gegebenen Metall ist unter üblichen Bedingungen fast mit Elektronen gefüllt. In Halbleitern existieren nur wenige Elektronen im Leitungsband knapp über dem Valenzband, und ein Isolator hat fast keine freien Elektronen.

Halbleiter und Isolatoren werden durch den relativen Bandspalt weiter unterschieden. In Halbleitern ist der Bandspalt klein, so dass Elektronen das Leitungsband bevölkern können. In Isolatoren ist es groß, was es für Elektronen schwierig macht, durch das Leitungsband zu fließen.

Extrinsische Halbleiter

Der Name „extrinsischer Halbleiter“ kann etwas irreführend sein., Während Isoliermaterialien dotiert sein können, um Halbleiter zu werden, können auch intrinsische Halbleiter dotiert werden, was zu einem extrinsischen Halbleiter führt. Es gibt zwei Arten von extrinsischen Halbleitern, die aus der Dotierung resultieren: Atome mit einem zusätzlichen Elektron (n-Typ für negativ, aus Gruppe V, wie Phosphor) und Atome mit einem zusätzlichen Elektron (p-Typ für positiv, aus Gruppe III, wie Bor).

In der Halbleiterproduktion führt Dotierung absichtlich Verunreinigungen in einen extrem reinen oder intrinsischen Halbleiter ein, um seine elektrischen Eigenschaften zu verändern., Die Verunreinigungen hängen von der Art des Halbleiters ab. Leicht und mäßig dotierte Halbleiter werden als extrinsisch bezeichnet. Wenn ein Halbleiter auf ein so hohes Niveau dotiert ist, dass er eher wie ein Leiter als wie ein Halbleiter wirkt, wird er als degeneriert bezeichnet.

N-Typ-Halbleiter

N-Typ-Halbleiter sind eine Art extrinsischer Halbleiter, bei dem die Dotieratome in der Lage sind, dem Hostmaterial zusätzliche Leitungselektronen zuzuführen (z. B. Phosphor in Silizium). Dies erzeugt einen Überschuss an negativen (n-Typ) Elektronenladungsträgern.,

Dopingatome haben normalerweise ein Valenzelektron als einen Typ der Wirtsatome. Das häufigste Beispiel ist die atomare Substitution in Festkörpern der Gruppe IV durch Elemente der Gruppe V. Die Situation ist unsicherer, wenn der Host mehr als einen Atomtyp enthält., Beispielsweise kann Silizium in III-V-Halbleitern wie Galliumarsenid ein Spender sein, wenn es Gallium ersetzt, oder ein Akzeptor, wenn es Arsen ersetzt. Einige Spender haben weniger Valenzelektronen als der Wirt, wie Alkalimetalle, die in den meisten Feststoffen Spender sind.

Halbleiter vom P-Typ

Ein Halbleiter vom p-Typ (p für „positiv“) wird durch Hinzufügen eines bestimmten Atomtyps zum Halbleiter erzeugt, um die Anzahl der freien Ladungsträger zu erhöhen. Wenn das Dotiermaterial hinzugefügt wird, nimmt es schwach gebundene äußere Elektronen von den Halbleiteratomen weg (akzeptiert)., Diese Art von Dotiermittel wird auch als Akzeptormaterial bezeichnet, und die vom Elektron zurückgelassene Vakanz wird als Loch bezeichnet. Der Zweck der P-Typ-Dotierung besteht darin, eine Fülle von Löchern zu erzeugen.

Bei Silizium wird ein dreiwertiges Atom in das Kristallgitter substituiert., Das Ergebnis ist, dass ein Elektron in einer der vier kovalenten Bindungen fehlt, die normalerweise Teil des Siliziumgitters sind. Daher kann das dopante Atom ein Elektron aus der kovalenten Bindung eines benachbarten Atoms aufnehmen, um die vierte Bindung abzuschließen. Deshalb werden diese Dopantien Akzeptoren genannt.

Wenn das Dotierstoffatom ein Elektron akzeptiert, führt dies zum Verlust der Hälfte einer Bindung vom benachbarten Atom, was zur Bildung eines Lochs führt. Jedes Loch ist mit einem in der Nähe befindlichen negativ geladenen Dotierion assoziiert, und der Halbleiter bleibt insgesamt elektrisch neutral., Sobald jedoch jedes Loch in das Gitter gewandert ist, wird ein Proton im Atom an der Stelle des Lochs „freigelegt“ und nicht mehr von einem Elektron aufgehoben. Dieses Atom hat drei Elektronen und ein Loch, das einen bestimmten Kern mit vier Protonen umgibt.

Aus diesem Grund verhält sich ein Loch als positive Ladung. Wenn eine ausreichend große Anzahl von Akzeptoratomen hinzugefügt wird, sind die Löcher thermisch angeregten Elektronen weit überlegen. Somit sind Löcher die Mehrheitsträger, während Elektronen Minderheitsträger in Materialien vom p-Typ werden.