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Was ist ein Halbleiter?

Was ist ein Halbleiter?

Halbleiter und Halbleitertechnologie bilden heutzutage die Grundlage für den größten Teil der Elektronikindustrie. Transistoren, Dioden, integrierte Schaltkreise und viele weitere Bauelemente haben die Halbleitertechnologie gemeinsam. Aufgrund der enormen Flexibilität, die die Halbleitertechnologie bietet, konnte die Elektronik viele Bereiche des täglichen Lebens übernehmen, die vor fünfzig Jahren nicht denkbar waren.

Leiter und Nichtleiter

Ein elektrischer Strom tritt auf, wenn Elektronen in eine bestimmte Richtung fließen. Da Elektronen eine negative Ladung haben, bedeutet ihre Bewegung, dass Ladung von einem Punkt zum anderen fließt und dies ist ein elektrischer Strom.

Damit der Strom fließen kann, müssen sich die Elektronen im Material frei bewegen können. In einigen Materialien bewegen sich Elektronen frei um das Gitter, obwohl sich die Anzahl der Elektronen und die verfügbaren Räume für sie ausgleichen, so dass das Material selbst keine Ladung trägt. In diesen Materialien bewegen sich die Elektronen frei, aber zufällig. Durch Platzieren einer Potentialdifferenz über dem Leiter können die Elektronen dazu gebracht werden, in eine Richtung zu driften, und dies stellt einen elektrischen Strom dar. Viele Materialien können Elektrizität leiten, aber Metalle sind die häufigsten Beispiele.

Im Gegensatz zu Metallen gibt es viele andere Materialien, in denen alle Elektronen fest an ihre Ausgangsmoleküle gebunden sind und sich nicht frei bewegen können. Dementsprechend können sich nur sehr wenige Elektronen bewegen, wenn ein Potential über die Substanz gelegt wird, und es fließt nur sehr wenig oder gar kein Strom. Diese Substanzen werden als Nichtleiter oder Isolatoren bezeichnet. Dazu gehören die meisten Kunststoffe, Keramiken und viele natürlich vorkommende Substanzen wie Holz.

Halbleiter

Halbleiter fallen weder in die Kategorie der Leiter noch in die Kategorie der Nichtleiter. Stattdessen fallen sie dazwischen. Eine Vielzahl von Materialien fallen in diese Kategorie, darunter Silizium, Germanium, Galliumarsenid und eine Vielzahl anderer Substanzen.

In seinem reinen Zustand ist Silizium ein Isolator ohne freie Elektronen im Kristallgitter. Um jedoch zu verstehen, wie es als Halbleiter wirkt, betrachten Sie zunächst die Atomstruktur von Silizium in seinem reinen Zustand. Jedes Molekül im Kristallgitter besteht aus einem Kern mit drei Ringen oder Bahnen, die Elektronen enthalten, und jedes Elektron hat eine negative Ladung. Der Kern besteht aus Neutronen, die neutral sind und keine Ladung haben, und Protonen, die eine positive Ladung haben. Im Atom gibt es die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen, so dass das gesamte Atom keine Gesamtladung hat.

Die Elektronen im Silizium sind wie in jedem anderen Element in Ringen mit einer strengen Anzahl von Elektronen in jeder Umlaufbahn angeordnet. Der erste Ring kann nur zwei enthalten, der zweite acht. Der dritte und äußere Ring des Siliziums hat vier. Die Elektronen in der Außenhülle werden mit denen benachbarter Atome geteilt, um ein Kristallgitter zu bilden. In diesem Fall befinden sich keine freien Elektronen im Gitter, was Silizium zu einem guten Isolator macht. Ein ähnliches Bild ist für Germanium zu sehen. Es hat zwei Elektronen in der innersten Umlaufbahn, acht in der nächsten, 18 in der dritten und vier in der äußeren. Wieder teilt es seine Elektronen mit denen benachbarter Atome, um ein Kristallgitter ohne freie Elektronen zu bilden.

Verunreinigungen

Um Silizium oder einen anderen Halbleiter zu einem teilweise leitenden Material zu machen, ist es notwendig, dem Material eine sehr kleine Menge an Verunreinigungen hinzuzufügen. Dies verändert die Eigenschaften erheblich.

Wenn Spuren von Verunreinigungen von Materialien mit fünf Elektronen im äußeren Ring ihrer Atome hinzugefügt werden, treten sie in das Kristallgitter ein und teilen Elektronen mit dem Silizium. Da sie jedoch ein zusätzliches Elektron im äußeren Ring haben, kann sich ein Elektron frei um das Gitter bewegen. Dadurch kann ein Strom fließen, wenn ein Potential über das Material angelegt wird. Da diese Art von Material einen Überschuss an Elektronen im Gitter aufweist, ist es als Halbleiter vom N-Typ bekannt. Typische Verunreinigungen, die häufig zur Herstellung von Halbleitern vom N-Typ verwendet werden, sind Phosphor und Arsen.

Es ist auch möglich, Elemente mit nur drei Elektronen in ihrer Außenhülle in das Kristallgitter zu platzieren. In diesem Fall möchte das Silizium seine vier Elektronen mit einem anderen Atom mit vier Atomen teilen. Da die Verunreinigung jedoch nur drei hat, gibt es einen Raum oder ein Loch für ein anderes Elektron. Da bei diesem Materialtyp Elektronen fehlen, wird es als Material vom P-Typ bezeichnet. Typische Verunreinigungen, die für Materialien vom P-Typ verwendet werden, sind Bor und Aluminium.

Löcher

Es ist leicht zu erkennen, wie sich Elektronen um das Gitter bewegen und einen Strom führen können. Bei Löchern ist dies jedoch nicht ganz so offensichtlich. Dies geschieht, wenn sich ein Elektron aus einer vollständigen Umlaufbahn bewegt, um ein Loch zu füllen, und ein Loch hinterlässt, aus dem es stammt. Ein anderes Elektron aus einer anderen Umlaufbahn kann sich dann bewegen, um das neue Loch zu füllen und so weiter. Die Bewegung der Löcher in eine Richtung entspricht einer Bewegung der Elektronen in der anderen, daher einem elektrischen Strom.

Daraus ist ersichtlich, dass entweder Elektronen oder Löcher Ladung oder elektrischen Strom führen können. Infolgedessen sind sie als Ladungsträger bekannt, wobei Löcher die Ladungsträger für einen Halbleiter vom P-Typ und Elektronen für einen Halbleiter vom N-Typ sind.

Zusammenfassung

Das Prinzip hinter Halbleitern kann ziemlich einfach aussehen. Es dauerte jedoch viele Jahre, bis viele seiner Eigenschaften genutzt werden konnten, und viele weitere, bis sie verfeinert werden konnten. Heutzutage sind viele der mit Halbleitern verwendeten Prozesse hochoptimiert und die Komponenten wie integrierte Schaltkreise sind hochentwickelt. Sie beruhen jedoch auf der Tatsache, dass verschiedene Bereiche des Halbleiters dotiert werden können, um Halbleiter vom P-Typ und N-Typ herzustellen.

Liste der gebräuchlichen Halbleiterbegriffe

  • Ladungsträger - Der Ladungsträger ist ein freies, freies (mobiles, ungebundenes) Teilchen, das eine elektrische Ladung trägt, z. ein Elektron oder ein Loch.
  • Dirigent - Ein Material, in dem sich Elektronen frei bewegen und Elektrizität fließen kann.
  • Elektron - Ein subatomares Teilchen, das eine negative Ladung trägt.
  • Loch - Das Fehlen eines Valenzelektronen in einem Halbleiterkristall. Die Bewegung eines Lochs entspricht der Bewegung einer positiven Ladung, d. H. Der Bewegung eines Elektrons entgegengesetzt.
  • Isolator - Ein Material, in dem keine freien Elektronen für den Stromtransport verfügbar sind.
  • Mehrheitsbetreiber - Stromträger, entweder freie Elektronen oder Löcher, die im Überschuss sind, d. H. Meistens in einem bestimmten Bereich eines Halbleitermaterials. Elektronen sind die Hauptträger in Halbleitern vom N-Typ und Löcher in einem Bereich vom P-Typ.
  • Minderheitsträger - Stromträger, entweder freie Elektronen oder Löcher, die in einem bestimmten Bereich eines Halbleitermaterials in der Minderheit sind
  • N-Typ - Ein Bereich eines Halbleiters, in dem sich ein Elektronenüberschuss befindet.
  • P-Typ - Ein Bereich eines Halbleiters, in dem ein Überschuss an Löchern vorhanden ist.
  • Halbleiter - Ein Material, das weder ein Isolator noch ein Vollleiter ist, der eine mittlere elektrische Leitfähigkeit aufweist und in dem die Leitung mittels Löchern und Elektronen erfolgt.

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