Mrz 03

1. Definition

Halbleiter sind Stoffe, deren Leitfähigkeit zwischen der von Leitern (Metallen) und der von Isolatoren liegt.

2. Aufbau

Sie bestehen aus Elementen oder Verbindungen, die vier Valenzelektronen besitzen. Das können zum einen Elemente aus der vierten Hauptgruppe, wie z.B. Silizium oder Germanium, oder Verbindungen der dritten & fünften bzw. der zweiten & sechsten Hauptgruppe sein. Diese besitzen im Durchschnitt 4 Außenelektronen.

3. Leitfähigkeit

Die Leitfähigkeit von Halbleitern basiert zum einen auf Elektronen und zum anderen auf Defektelektronen, im Folgenden auch als Löcher bezeichnet. Als Defektelektronen bezeichnet man die „Löcher“, die Elektronen zurücklassen, wenn sie ihr aktuelles Energieband verlassen.

3.1 Energiebänder

Als Energieband bezeichnet man die Zusammenfassung extrem dicht beieinander liegender Energieniveaus von Elektronen. Zwischen diesen Energiebändern befinden sich sog. „Bandlücken“. Sie stellen Energiebereiche dar, die ein Elektron nicht annehmen kann. Das letzte, voll besetzte Band nennt man Valenzband, das nächst höhere, nicht (voll) besetzte Band heißt Leitungsband. Aus dem Abstand zwischen diesen beiden Energiebändern kann man in vielen Fällen schließen, ob ein Leiter (keine Energielücke), ein Halbleiter (kleine Lücke bis 3 eV [evtl. auch 5 oder 6 eV – keine Übereinstimmung der Quellen] oder ein Isolator (große Lücke) vorliegt.

Leitungsband

3.2 Heißleiter

Damit bei reinem Silizium die Elektronen ihr Band verlassen, muss Energie zugeführt werden. Diese Energie kann z.B. thermischen Ursprungs sein. So leitet Silizium bei 0 K nicht, da die innere Energie (Schwingung der einzelnen Atome) des Siliziumkristalls nicht ausreicht um die Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband zu befördern. Bei Zimmertemperatur ist das möglich, allerdings ist die Zahl der freien Elektronen und Defektelektronen dabei noch sehr gering (1 Defektelektron auf 10 Milliarden Si-Atome). Aufgrund dieser Eigenschaft (Temperatur steigt, Widerstand sinkt) zählen Halbleiter zu den sog. Heißleitern (NTC).

Durch Lichtenergie lässt sich ein bei manchen Halbleitern ein ähnlicher Effekt auslösen.

3.3 Dotierung

Eine andere Möglichkeit, Elektronen/Löcher zu erzeugen, ist das dotieren. Man „verunreinigt“ das Silizium, indem man ein 3- oder 5-wertiges Element einfügt. Dadurch erzeugt man gezielt zusätzliche Elektronen oder Löcher, die die Leitfähigkeit erhöhen.

3.3.1 n-leitend

Fügt man dem Silizium ein 5-wertiges Element bei, so gehen vier von dessen Valenzelektronen Elektronenverbindungen mit dem Silizium ein und ein Valenzelektron bleibt frei beweglich und kann im Kristall wandern. Das 5-wertige Element bildet dann eine ortsfeste, positive Ladung. Im Bändermodell bedeutet das ein zusätzliches Energieband knapp unter dem Leitungsband. Von diesem können die Elektronen mit kleinerem Energieaufwand in das Leitungsband übergehen, so dass sich dort die Konzentration der Elektronen erhöht. Diese sind negativ geladen und leiten dann den Strom, deshalb wird ein so dotierter Kristall als n-leitend bezeichnet.

3.3.2 p-leitend

Fügt man dem Silizium ein 3-wertiges Element bei, so gehen dessen drei Valenzelektronen Elektronenverbindungen mit dem Silizium ein, wobei ein Valenzelektron des Siliziums frei beweglich bleibt. Das 3-wertige Element bildet dann eine ortsfeste, negative Ladung. Im Bändermodell bedeutet das ein zusätzliches Energieband knapp über dem Valenzband. In dieses können die Elektronen mit kleinerem Energieaufwand aus dem Valenzband übergehen, so dass sich im Valenzband die Konzentration der Löcher erhöht. Diese sind positiv geladen und leiten dann den Strom, deshalb wird ein so dotierter Kristall als p-leitend bezeichnet.

3.3.3 p-n-Übergang

Kombiniert man diese Dotierungen in einem Kristall (z.B. n-leitend in der linken, p-leitend in der rechten Hälfte), so bildet sich eine Grenzschicht an der Stelle, wo die beiden aufeinander treffen. In dieser Region findet eine Diffusion von Elektronen und Löchern statt, die dort rekombinieren. Dadurch entsteht ein ladungsträgerarmes Gebiet, das als Sperrschicht bezeichnet wird. Außerdem entstehen durch die ortsfesten positiven/negativen Ladungen der Ionen Raumladungen, die ein elektrisches Feld aufbauen, das so gerichtet ist, dass es einer weiteren Diffusion entgegenwirkt. Die Spannung dieses Feldes wird als Diffusionsspannung (UD) bezeichnet. Im Bändermodell entspricht das einem Knick an dieser Stelle, so dass keine weiteren Elektronen bzw. Löcher in den jeweils anders dotierten Kristall eindringen können.

3.3.3.1 Durchlassrichtung

Legt man an den gesamten Kristall eine Spannung an, deren positiver Pol an der p-leitenden Seite und deren negativer Pol an der n-leitenden Seite liegt, so kann ein Strom fließen, wenn diese Spannung größer als die Diffusionsspannung ist, da sie dem elektrischen Feld entgegen gerichtet ist. Diese Spannung wird auch als Schleusenspannung (US) bezeichnet. Diese hebt den „Knick“ auf und ermöglicht einen Stromfluss. Bei einer so angelegten Spannung wird der Halbleiter in Durchlassrichtung betrieben.

3.3.3.2 Sperrrichtung

Legt man die Spannung genau umgekehrt an, so ist sie gleich dem elektrischen Feld gerichtet und verstärkt dessen Effekt – den Knick -, so dass keine Leitfähigkeit vorhanden ist. Diese Spannungsrichtung nennt man Sperrrichtung.

4. Dioden

Diese Eigenschaften werden z.B. bei einer Diode angewandt. Sie besteht immer aus 2 Polen, der Kathode (am Ende des n-leitenden Bereiches) und der Anode (am Ende des p-leitenden Bereiches) und ihre Kennlinie (I in Abhängigkeit von U) ist unsymmetrisch und nicht linear.
Dioden werden z.B. zur Gleichrichtung von Wechselstrom oder als Lichterzeuger verwendet.

4.1 Gleichrichterdioden

Dadurch, dass eine Diode nur in eine Richtung betrieben werden kann, kann man sie mit einem Rückschlagventil vergleichen. Schaltet man eine Diode in einen Stromkreis, der mit Wechselstrom betrieben wird, so lässt sie die positive Spannung durch, da sie in Durchlassrichtung betrieben wird, sperrt aber bei negativer Spannung. So kommt nur positive Spannung durch den Gleichrichter. Setzt man vier dieser Dioden gemäß der Brückenschaltung ein, so wird bei jeder Schwingung der Strom geleitet, allerdings immer noch in die Selbe Richtung. Dadurch erhöht sich die Frequenz der Spannung.

Brückenschaltung

Brückenschaltung

4.2 LED

Die Leuchtdioden erzeugen ihr Licht durch die Rekombination der Elektronen und Defektelektronen in der Sperrschicht. Durch Anlegen der Spannung in Durchlassrichtung werden immer neue Löcher und Elektronen erzeugt. Die Farbe des emitierten Lichtes hängt von den Ausgangsstoffen des Halbleiters ab.

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