Halbleitergrundlagen (Wiederholung)

Halbleiterwerkstoffe

Aufbau

Wir unterscheiden:

  1. Reine Halbleiter wie Si, Se und Ge haben kristallinen Atomaufbau
  2. Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid bestehen aus Verbindungen von 3- und 5-wertigen Atomen.

Chemische Verbindung der Atome - Wertigkeit

Reine Halbleiter sind 4-wertig, das heißt jedes Atom stellt seine vier Valenz-Elektronen ab, die mit einem Elektron eines Nachbaratoms eine Elektronen-Paarbindung eingehen. Jedes Si-Atom hat vier Nachbaratome.

Die Wertigkeit steht für die Gruppe im Periodensystem und für die Fähigkeit, Nachbaratome zu binden.

Gitterstruktur von Silizium

Halbleiterkristall

Reine Halbleiter sind sehr schlechte Leiter, weil sich im Halbleiterkristall keine freien Ladungsträger befinden. Durch Dotation oder Hitzeeinwirkung werden sie zu Leitern.

Strom im Halbleiter

Eigenleitung

Die Eigenleitung des Halbleiters entsteht hauptsächlich durch Erwärmung. An der Eigenleitung sind Löcher und Elektronen beteiligt. (siehe Halbleitergrundlagen)

Störstellenleitung

p-leitendes Material wird mit 3-wertigem Fremdatomen dotiert, n-leitendes Material dagegen mit 5-wertigen Fremdatomen.

Die Fremdatome bilden die Störstellen im Halbleiter und sorgen dafür, das im Kristall freie Ladungsträger zur Verfügung stehen.

Die Störstellenleitung ist gewünscht und normalerweise wesentlich größer als die Eigenleitung.

Sperrschicht

Am Übergang von der n- zur p- Schicht bildet sich die sogenannte Sperrschicht ( = Raumladungszone mit einem elektrischen Feld E = UD / d ).

In der Sperrschicht kommt es durch Diffusion zu Ladungsverschiebungen, deshalb herrscht dort die Diffusionsspannung

  1. UD = 0,7 V bei Si,
  2. UD = 0,3 V bei Ge.
In der Kennlinie erkennt man diese UD als Schleusenspannung US

Bei enstsprechender Polung verändert sich die Sperrschicht und die Feldstärke in der Raumladungszone wird auf- oder abgebaut:

  • "+" an p-Schicht bedeutet, die Sperschicht wird abgebaut ( = niederohmig)
  • "-" an p-Schicht bedeutet, die Sperschicht wird aufgebaut ( = hochohmig)