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Halbleiter

Ein Halbleiter ist ein Werkstoff, dessen elektrische Leitfähigkeit sich durch äußere Einflüsse stark ändern lässt. Daher sind Halbeiter als Grundwerkstoffe besonders interessant für elektronische Bauelemente. Die Eigenschaften von Halbleitern lassen sich durch den Fertigungsprozess in sehr großen Bereichen variieren.Die Eigenschaften eines Halbleiters lassen sich am Besten auf Grundlage des Bändermodells erklären.

Bändermodell

Das Bändermodell beschreibt, wie sich die Elektronen in einem Festkörper hinsichtlich ihrer Energieniveaus verhalten.

Die Elektronen eines Festkörpers haben das Bestreben, sich immer in einen Zustand zu bewegen, in welchem sie in energetischem Gleichgewicht mit dem Atomkern stehen. Dies führt bei einem Einzelatom dazu, dass sich die Elektronen auf diskreten Energieniveaus befinden. Bei einem Festkörper, welcher ja aus einer Vielzahl von Atomen besteht, verschwimmen diese diskreten Energieniveaus zu sogenannten Energiebändern. Dies wird anschaulich durch das Bändermodell beschrieben.

Für elektrische Vorgänge sind dabei nur die Energiebänder auf den höchsten Energieniveaus interessant: das Valenzband und das Leitungsband. Das Valenzband ist das Energieband, in welchem Elektronen sich auf einem Energieniveau befinden, bei dem sie gerade noch an ein Atom gebunden sind. Das nächsthöhere Energieniveau ist dann das Leitungsband. Elektronen, die dieses Energieniveau erreicht haben, sind nicht mehr an ein Atom gebunden und stehen damit als Ladungsträger für die Übertragung elektrischer Energie bzw. für die Aufrechterhaltung eines elektrischen Stromes zur Verfügung.

Für Leiter, Isolatoren und Halbleiter ergeben sich nun unterschiedliche Bändermodelle:



Abbildung 1: Bändermodelle


Bei einem elektrischen Leiter überschneiden sich das Valenzband und das Leitungsband (grüne Zone). Es können sich ohne größeren Energieaufwand Elektronen in das Leitungsband bewegen. Somit stehen permanent ausreichend Ladungsträger zur Verfügung. Bei Anlegen einer Spannung kann ein elektrischer Strom fließen. Der Stoff ist elektrisch leitend.

Bei einem Isolator liegt zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband ein großer Energieabstand. Es ist dadurch nahezu unmöglich bzw. nur unter großem Energieaufwand möglich, Elektronen vom Leitungsband in das Valenzband zu bringen. Es stehen also keine freien Ladungsträger zur Verfügung. Der Stoff ist elektrisch nicht-leitend.

Ein Halbleiter stellt dementsprechend eine Zwischenstufe zwischen einem Leiter und einem Nicht-Leiter dar. Bei einem Halbleiter liegend das Valenzband und das Leitungsband noch so dicht zusammen, dass mit vertretbarem Energieaufwand ausreichend Elektronen in das Leitungsband gebracht werden können, um einen elektrischen Strom aufrecht zu erhalten. Unter welchen Bedingungen dies möglich ist, hängt stark von den Materialeigenschaften des Halbleiters ab. Durch gezielte Anpassung der Fertigungsprozesse lassen sich so Halbleiter mit großen Variation in ihren elektrischen Eigenschaften erzeugen.

Dotierung

In elektronischen Schaltungen werden in der Regel keine Halbleiter in Reinform eingesetzt. Die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern werden im Wesentlichen durch den Fertigungsprozess der Dotierung modifiziert. Dabei werden in einen reinen Halbleiter Fremdatome eingebracht. Je nach Art der Fremdatome unterscheidet man zwischen n-Halbleitern und p-Halbleitern.

n-Halbleiter

Bei einem n-dotierten-Halbleiter wird in den Grundwerkstoff ein Dotierstoff eingebracht, dessen Atome ein Elektron mehr gegenüber dem Grundmaterial aufweisen. Bei Silicium als Grundmaterial kann dies zum Beispiel Phosphor oder Arsen sein. Das zusätzliche Elektron ist nur schwach an den Atomkern gebunden und steht daher als Ladungsträger zur Verfügung. Im Bändermodell stellt sich dies durch einen zusätzlichen Energiezustand am unteren Bereich des Leitungsbandes dar, in den das freie Elektron schon bei leichter thermischer Anregung wechseln kann. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung bewegt sich dieses freie Elektron durch den Halbleiter, dies wird als n-Leitung bezeichnet.

p-Halbleiter

Bei einem p-dotierten-Halbleiter wird im Gegensatz zum n-Halbleiter ein Dotierstoff eingebracht, dessen Atome ein Elektron weniger gegenüber dem Grundmaterial besitzen. Dies sind zum Beispiel Bor oder Aluminium. Hierdurch wird ein neuer Energiezustand am oberen Bereich des Valenzbandes geschaffen, der zunächst unbesetzt ist. Schon durch leichte thermische Anregungen können allerdings Elektronen von benachbarten Atomen in diesen Zustand wechseln. Es wird also eine eine Elektronen-Fehlstelle im Halbleiter geschaffen, ein sogenanntes „Loch“. Legt man eine elektrische Spannung an, bewegt sich das Loch durch den Halbleiter. Bei diesem als p-Leitung bezeichneten Effekt ist die Bewegungsrichtung entgegengesetzt zur der eines Elektrons bei der n-Leitung.

pn-Übergang

Ein pn-Übergang ist ein Übergangsbereich, der entsteht, wenn man einen n-dotierten Halbleiter mit einem p-dotierten Halbleiter zusammenfügt. Dabei treten je nach Außenbeschaltung unterschiedliche Effekte in den Vordergrund:

pn-Übergang ohne Spannungsquelle

Im n-Gebiet des Übergangs herrscht ein Überschuss an freien Elektronen, also Ladungsträgern im Leitungsband, gegenüber dem p-Gebiet. Gleichzeitig gibt es im p-Gebiet einen Überschuss an Löchern, also freien Energiezuständen im Valenzband gegenüber dem n-Gebiet. Es ist also ein Konzentrationsgefälle vorhanden, welches dadurch ausgeglichen wird, dass Elektronen vom n-Gebiet in das p-Gebiet wandern und Löcher vom p-Gebiet in das n-Gebiet. Es fließt ein elektrischer Strom, der sogenannte Diffusionsstrom. Der ablaufende Ausgleichsvorgang wird als Rekombination bezeichnet. Durch die Rekombination werden aus den ortsfest im Halbleiter verankerten Fremdatomen geladene Ionen. In der n-Schicht entstehen positive Ionen, in der n-Schicht negative Ionen. Diese bilden eine sogenannte Raumladungszone, ein elektrisches Feld, welches dem Diffusionsstrom entgegenwirkt und bei Erreichen einer bestimmten Dicke der Raumladungszone ganz zum Erliegen bringt.



Abbildung 2: pn-Übergang




pn-Übergang in Sperrrichtung

Die Raumladungszone verbreitert sich. Es gelangen kaum Ladungsträger durch die Raumladungszone. Der Halbleiter sperrt. Lediglich durch Eigenleitung fließt ein geringer Sperrstrom in der Größenordnung einiger Nanoampere.





Abbildung 3: pn-Übergang in Sperrichtung


pn-Übergang in Durchlassrichtung

Die Sperrschicht wird durch die angelegte Spannung verkleinert. Ist die äußere Spannung größer als die Diffusionsspannung, wird der pn-Übergang niederohmig und mit Ladungsträgern überschwemmt. Der Halbleiter ist durchlässig. Es fließt ein Strom in Durchlassrichtung. Mit Überschreiten der Diffusionsspannung nimmt die U-I-Kennlinie einen extrem steilen Verlauf, das heißt, schon durch leichte Erhöhung der angelegten Spannung ergibt sich ein massiver Anstieg des Stroms in Flussrichtung.



Abbildung 4: pn-Übergang in Durchlassrichtung




Der pn-Übergang entsteht also durch Zusammenfügen zweier unterschiedlich dotierter Halbleiter. Durch die über die dotierung eingebrachten Fremdatome kann sich eine Sperrschicht ausbilden, die von außen aktiv beeinflusst werden kann. Aktive elektrische Bauteile weisen mindestens einen pn-Übergang auf. Das Bauteil reagiert dadurch je nach angelegter Spannung. Elektrische Stromkreise lassen sich somit durch Halbleiter-Bauelemente steuern. Das Funktionsprinzip des pn-Übergangs ist damit für das Verständnis von elektronischen Schaltungen von elementarer Bedeutung.

Rückwärtserholstrom

Der Rückwärtserholstrom entsteht an einem Halbleiter beim Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand, wenn Elektronen entgegen der ursprünglichen Stromrichtung fließen müssen, um die Sperrschicht wiederherzustellen. Beim schnellen Schalten, wie es oft im Bereich der Leistungselektronik vorkommt, kann es hier zu großen Strömen kommen, welche vom Steuerventil bereitgestellt und damit geschaltet werden müssen.

Halbleiterwerkstoffe

Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Halbleiterwerkstoffen. Dies sind zum einen die Elementarhalbleiter, bei welchen das Grundmaterial aus einem chemischen Element besteht. Dies sind vor allem Silicium und Germanium. Daneben gibt es auch Verbindungshalbleiter, bei denen es sich um chemische Verbindungen aus mehreren Elementen handelt, wie zum Beispiel Galliumarsenid. Diese werden häufig für Leuchtdioden verwendet. Eine weitere Gruppe sind die organischen Halbleiter. Diese bestehen aus organischen Verbindungen.



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