3.1 Was sind Halbleiter? Dioden, Transistoren und ICs sind sogenannte Halbleiterbauelemente. Halbleiter sind Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Isolatoren (z. B. Hartgummi) und der von metallischen Leitern (z. B. Kupfer) liegt (35.1). Halbleiter haben eine besondere Eigenschaft: Sie sind bei tiefen Temperaturen Isolatoren, ihre Leitfähigkeit nimmt – im Gegensatz zu Metallen – mit steigender Temperatur zu. Da die spezifische Leitfähigkeit σ der Kehrwert des spezifischen Widerstandes ρ ist, nimmt daher der spezifische Widerstand bei steigender Temperatur ab. Der wichtigste Halbleiterstoff ist Silicium (Si). Im Kristallgitter hat jedes Siliciumatom vier nächste Nachbarn. Ihre Valenzelektronen bilden Elektronenpaare (Elektronenpaarbindung). Bei T = 0 K gibt es keine frei beweglichen Elektronen. Mit zunehmender Temperatur werden durch die Schwingungen des Kristallgitters Elektronen aus ihren Bindungen gelöst und stehen als frei bewegliche Leitungselektronen zur Verfügung. Durch Zugabe von Fremdatomen (Dotierung) kann die Leitfähigkeit von Halbleiterkristallen erhöht werden. Ersetzt man z. B. in einem Kristall einen kleinen Teil der Si-Atome (4. Hauptgruppe) durch Atome der 5. Hauptgruppe (z. B. Phosphor), so führt diese Dotierung zu einer Erhöhung der Zahl von frei beweglichen Elektronen. Dadurch wird die Leitfähigkeit wesentlich höher als bei reinen Halbleitern. Man spricht in diesem Fall von einem Elektronenüberschussleiter (n-Leiter) (35.2). Baut man Atome der 3. Hauptgruppe (z. B. Bor) in den Siliciumkristall ein, so fehlt den Boratomen jeweils ein Elektron, um die Bindung zu allen vier Siliciumnachbarn durch Elektronenpaare herzustellen. Die fehlenden Elektronen werden von umgebenden Siliciumatomen genommen – und damit fehlen diesen wieder Elektronen. Die entstandenen Leerstellen (so genannte „Elektronenlöcher“) verhalten sich wie positive Ladungsträger und tragen zur elektrischen Leitung bei. Man spricht von einem Elektronenmangelleiter (p-Leiter) (35.3). Sowohl n- als auch p-Leiter sind elektrisch neutral. Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die Leitfähigkeit von Halbleitern. Dotiertes Silicium ist das am meisten genutzte Ausgangsmaterial für Dioden und andere Halbleiterbauelemente. 3.2 Dioden und Transistoren Die Diode Dioden sind elektrische Bauelemente, die in der Mikroelektronik vielseitig einsetzbar sind. Sie bestehen aus je einer Schicht von n- und p-leitendem Material, deren Kontaktfläche je nach Polung der angelegten Spannung den Strom steuert. Die p-Schicht ist mit so genannten „Akzeptoren“ dotiert. Akzeptoratome in einem Halbleiter nehmen Elektronen auf, wodurch „Löcher“ (also positive Ladungsträger) entstehen. Die n-Schicht ist mit „Donatoren“ dotiert. Donatoratome geben Elektronen ab, wodurch Elektronen (negative Ladungsträger) überwiegen. An der Grenzfläche entsteht ein sogenannter pn-Übergang. Der Widerstand bzw. die Leitfähigkeit von Dioden ist abhängig von der Richtung des Stromflusses. In einer Richtung lässt die Halbleiterdiode den Strom fast ungehindert durch, in der anderen Richtung verhindert sie den Stromfluss fast vollständig. Dies ist abhängig von der Polung der anliegenden Spannungsquelle. Dioden werden als Gleichrichter zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, als Schutz bei Überspannung, zur Lichtemission (LED) und zur Lichtabsorption (Photodiode) eingesetzt. Dioden bestehen aus n-leitendem und p-leitendem Material. Sie können in Sperrrichtung oder in Durchlassrichtung geschaltet werden. 35.1 Typische spezifische Widerstände wichtiger Materialien. Die Leitfähigkeit ist der Kehrwert des spezifischen Widerstands. Material spezifischer Widerstand (Ωm) bei 20 °C Isolatoren Hartgummi 1016 Quarzglas 1014 Halbleiter reines Silicium 102 reines Germanium 1 dotiertes Silicium 10−1… 10−3 Leiter Kupfer, Silber 10−8 35.2 Das Phosphoratom (P) ist mit vier Elektronen im Siliciumgitter gebunden. Das fünfte Valenzelektron wird durch die thermische Bewegung der Gitterionen abgelöst. Phosphoratome sind sogenannte Donatoren. Silicium wird zum Elektronenüberschussleiter (n-Leiter). Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ P 5+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ 35.3 Silicium wird durch die Dotierung mit Boratomen zum Elektronenmangelleiter (p-Leiter). Boratome sind sogenannte Akzeptoren. Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ B 3+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Dotierung nennt man in der Halbleitertechnik das gezielte Einbringen von ganz kleinen Mengen bestimmter Fremdatome in ein Material – meist in Silicium – das in ICs und anderen elektronischen Bauteilen verwendet wird. Obwohl diese Fremdatome nur in sehr geringer Menge hinzugefügt werden (zwischen 0,1 und 100 Teilchen pro Million), verändern sie das Material so, dass es Strom besser leiten kann. Die Atome stören gewollt die Struktur des Halbleiters und sorgen dafür, dass sich die Elektronen darin anders verhalten. Schon ein winziger Anteil kann die elektrische Leitfähigkeit stark beeinflussen. 35 Erweiterung 3 Halbleiter y3f8sw Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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