Halbleiterphysik / Halbleitertechnik

Der spezifische Widerstand eines Halbleiters liegt um mehrere Zehnerpotenzen höher, als bei metallischen Leitern. Die Leitfähigkeit ist deutlich geringer, als bei Metallen oder Legierungen. Die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiter liegt zwischen der von Metallen und Isolatoren. Sie ist jedoch stark abhängig von

mechanische Kraft (beeinflusst die Beweglichkeit der Ladungsträger)
Temperatur (Zahl und Beweglichkeit der Ladungsträger)
Belichtung (Zahl der Ladungsträger)
zugefügten Fremdstoffen (Zahl und Art der Ladungsträger)

Bei Raumtemperatur ist die Leitfähigkeit der Halbleiter gering. Führt man Energie in Form von Wärme, Licht, Spannung, oder magnetischer Energie hinzu, so ändert sich die Leitfähigkeit. Die Empfindlichkeit der Halbleiter auf Druck, Temperatur und Licht macht sie zu geeigneten Sensoren.

Halbleiterwerkstoffe

Halbleiterwerkstoffe haben eine Kristallstruktur. Die Atome befinden sich auf einer vorgegebenen Stelle. Sie sind nach einem bestimmten Schema angeordnet. Die Eigenschaft des Halbleiters ist von der Kristallstruktur abhängig. Diese Kristalle müssen einen sehr hohen Reinheitsgrad haben. Sie dürfen nur aus einem Element bestehen. Verunreinigungen in Form andere Atome verändert die Eigenschaft des Halbleiterwerkstoffs.
Das bekannteste Halbleitermaterial ist Silizium (Si). Es kommt in der Natur sehr häufig vor. Zum Beispiel in Sand, Quarz und Steinen. Germanium (Ge) ist auch recht bekannt. Kommt aber nicht ganz so häufig vor und wird auch nicht so häufig verwendet.

Chemische Einteilung der Halbleiter

Elementare Halbleiter

Silizium (Si)
Germanium (Ge)
Bor (B)
Selen (Se)
Tellur (Te)

Verbindungshalbleiter

Galliumarsenid (GaAs)
Indiumphosphid (InP)
Indiumantimonid (InSb)
Indiumarsenid (InAs)
Galliumantimonid (GaSb)
Galliumnitrid (GaN)
Galliumphosphid (GaP)
Cadmiumsulfid (CdS)
Zinkoxid (ZnO)
Zinksulfid (ZnS)
Siliziumcarbid (SiC)

Organische Halbleiter

Phthalocyanin
Tetracen
Pentacen
Polyvinylcarbazol
TCNQ

Einteilung der Halbleiter nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit

Anwendungen von Halbleiterwerkstoffen

Anwendung/Bauelemente	Halbleiterwerkstoffe
Diode, Transistor, integrierter Schaltkreis	Ge, Si, GaAs
Dehnungsmessstreifen	Ge, Si
NTC-Widerstand	Si, Ge, GaAs
LED, Display	SiC, GaP, GaAs, InAs, InSb
Laserdiode	GaAs, InAs, InSb
Fotoelement, Solarzelle, LDR	Si, GaAs, CdS, CdSe
Hallgenerator, Feldplatte	InSb, InAs

Eigenleitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials ist von der Anzahl freier Elektronen auf der äußeren Schale eines Atoms (Bohrsches Atommodell) abhängig.
Die Elektronen in den Halbleitern sind in der Regel durch die Kristallbildung benutzt. Die Kristallbildung kann nicht einfach so aufgehoben werden. Ein Halbleiterkristall ist deshalb ein Nichtleiter.
Nur in den folgenden Ausnahmefällen entstehen freie Ladungsträger (Elektronen).

Durch Verunreinigung des Halbleiters.
Durch Licht und Wärme geraten die Atome in Schwingung und setzen Ladungsträger frei.
Die Atome an der Material-Oberfläche haben keine Nachbaratome und haben somit freie Elektronen.

Eigenleitfähigkeit und Temperatur

Durch Wärmezufuhr oder Lichteinstrahlung können auch undotierte Halbleiter freie Ladungsträger erzeugen. Mit steigender Temperatur nimmt die Zahl der Elektronen-Loch-Paare im Quadrat zu. Dadurch ergeben sich Grenzen für die maximale Betriebstemperatur in elektronischen Geräten.

Germanium (90...100 °C)
Silizium (150...200 °C)
Galliumarsenid (300..350 °C)

Die Eigenleitung in chemisch reinen Halbleiterkristallen ist wegen der starken Temperaturabhängigkeit nicht erwünscht und und macht die technische Nutzung von Halbleitern nahezu unbrauchbar. Daher verunreinigt man Halbleiterkristalle gezielt mit Fremdatomen. Diesen Vorgang nennt man Dotieren. Es entsteht wahlweise ein Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel. Der Halbleiter wird dadurch besser nutzbar. Durch das Zusammenführen verschiedener Halbleiterschichten entstehen Halbleiterbauelemente. Zum Beispiel die Diode und der Transistor.

Innerer fotoelektrischer Effekt

Halbleiterwerkstoffe haben eine Eigenleitfähigkeit, die durch Erwärmung und Lichteinstrahlung erhöht wird. Energie in Form von Wärme und Licht vergrößert die Leitfähigkeit. Es werden die Elektronen aus ihren Bindungen herausgerissen. Der Stromfluss wird größer. Bei der Lichteinstrahlung treffen die Lichtteilchen, Photonen genannt, auf den Halbleiterwerkstoff und zerschlagen die Kristallbindungen. Die Elektronen werden regelrecht herausgesprengt. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Elektronen und Löcher, also die Anzahl der freien Ladungsträger. Dieser Vorgang wird innerer fotoelektrischer Effekt genannt.
Da die elektrischen Eigenschaften aller Halbleiterbauelemente durch Licht beeinflusst werden, verwendet man lichtundurchlässige Gehäuse. Außer bei Fotoelementen, wie Fotowiderstand, Fotodiode, Fototransistor und Solarzelle. Dort wird das Licht gezielt zur Veränderung der elektrischen Eigenschaften genutzt. Bei der Solarzelle wird Licht sogar zur Stromerzeugung verwendet.

Übersicht: Halbleiterphysik

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