Grundlagen der Halbleitertechnik

Allgemeine Grundlagen

Halbleiter sind Stoffe, deren spezifischer Widerstand größer als der von Leitern, aber kleiner als der von Nichtleitern ist.

Leitfähigkeit von Stoffen

Folgende Stoffe finden in der Halbleitertechnik hauptsächlich Verwendung:

  • Si (Silizium hat derzeit die größte Bedeutung)
  • Ge (Germanium)
  • Se (Selen)
  • Ga & As (Galliumarsenid)
  • In & P (Indiumphosphid) und
  • In & Sb (Indiumantimonid)

Reiner Halbleiter

Silizium Atommodell Die wichtigsten Halbleiterbauteile sind aus Si oder Ge.
 
Beide Elemente gehören zur 4. Gruppe im Periodensystem (Sie besitzen vier Valenzelektronen)  

Gruppe 3

Gruppe 4

Gruppe 5

Bor    
Aluminium Silizium Phosphor
Gallium Germanium Arsen
Indium   Antimon

Akzeptoren

Halbleiter

Donatoren


 
Die Stoffe können als sogenannte Einkristalle hergestellt werden. (siehe Atombindung) Dort sitzt jedes Si - Atom an einem festen Platz.
 
Die Technik erfordert höchste Reinheitsgrade (staubfreie Produktionsräume). So kommt auf etwa 1011 Siliziumatome ein Fremdatom.

Verbindungshalbleiter

Sie bestehen aus Verbindungen der Elemente aus den Gruppen 3 und 5 des Periodensystems. Sie besitzen ähnliche Eigenschaften, wie die reinen Halbleiter.

Kristallaufbau

Vier Valenzelektronen bedeuten, dass jedes Siliziumatom vier Nachbaratome bindet. Jedes Valenzelektron umkreist den eigenen und einen benachbarten Atomrumpf. Das Nachbaratom bindet sich ebenfalls mit einem seiner Valenzelektronen. So entsteht die sogenannte Elektronenpaarbindung. Die räumliche Aufteilung der Siliziumatome im Kristall ergibt eine Tetraederstruktur.
 
Da kein Elektron frei ist, sind reine Halbleiter auch theoretisch keine Stromleiter.

Eigenleitung

Die Leitfähigkeit eines Stoffes hängt von der Anzahl der freien Elektronen ab (Valenzelektronen ohne Bindungsaufgabe). Im reinen Halbleiter sind bei -273°C (dem absoluten Nullpunkt) alle Elektronen gebunden. Erst mit Zunahme der Temperatur beginnen sich die Gitterbindungen da und dort aufzulösen, wodurch einzelne Elektronen frei werden können. Je heißer, desto mehr!

Die Eigenleitung läßt sich kurz wie folgt erklären:

  1. Verunreinigtes Kristallgitter (Fremdatome)
  2. Oberflächen-Leitfähigkeit (an der Oberfläche gibt es keine Nachbaratome mehr)
  3. Thermische Eigenleitung

Dotierung von Halbeitern

Dabei werden bewusst Fremdatome aus den Gruppen 3 oder 5 in das Kristallgitter eingebaut. So entstehen die sogenannten Störstellen. Je nach Anzahl der eingebauten Fremdatome (Stärke der Dotierung) wird die Störstellen-Leitfähigkeit verbessert.

Vergleich der durch Dotation entstandenen Halbleiterwerkstoffe

n-Schicht
  • Dotierung mit 5-wertigem Fremdatom
  • es entstehen freie Elektronen
  • = Donatoren
  • p-Schicht
  • Dotierung mit 3-wertigem Fremdatom
  • es entstehen Löcher
  • Löcher können freie Ladungsträger aufnehmen, sind selbst aber ortsfest
  • = Akzeptoren
  •  
    Reines Si-Kristall
    Si-Kristall in der Fläche
    leitet wegen instabiler Bindung
    n-dotiertes Si-Kristall
    Si-Kristall mit Donatoratom
    Jedes Donatoratom schenkt dem Werkstoff ein freies Elektron
    p-dotiertes Si-Kristall
    Si-Kristall mit Akzeptoratom
    Jedes Akzeptoratom bringt dem Werkstoff ein Loch

    Herstellungsverfahren

    Die Herstellung von Halbleitersilizium erfolgt in hoch spezialisierten Betrieben. Als Ausgangsmaterial für weitere Verarbeitung dienen die Waver (Siliziumscheiben), deren Herstellung in folgenden Schritten geschieht (Filme der Fa:Wacker Siltronic)

  • Zonenziehverfahren
  • Tiegelziehverfahren
  • in Scheiben sägen (Wafer-Herstellung)
  • Reinigen