Halbleiter

Der Masseneinsatz miniaturisierter
elektronischer Bauelemente hat die Welt
drastisch verändert. Besonders deutlich ist
dies im Bereich der Nachrichtenübermittlung.
Sie ermöglichen die moderne Rechen- und
Steuerungstechnik vom Taschenrechner
bis zum Industrieroboter. Einerseits ist
damit der Verlust an Arbeitsplätzen
verbunden, andererseits entstehen neue
Beschäftigungszweige.
Mit dem Handy ist der Anrufer nicht mehr an
Büro oder Wohnung gebunden, mit der
Direktübertragung von Fernsehreportagen
über Satelliten wird die ganze Welt sofort
Augenzeuge von Politik, Kultur und
Naturkatastrophen.
Diese Neuerungen führen
zu einer weiteren
»industriellen
Revolution«, vom
Übergang vom
industriellen Zeitalter ins
Informationszeitalter.
Am Beginn dieser Entwicklung stand eine
wissenschaftliche Entdeckung, die so wenig
in das Weltbild ihrer Zeit passte, dass sie
lange ignoriert wurde. In einem Vortrag im
Jahr 1876 führte Ferdinand Braun, der damals
als Physiklehrer in Leipzig wirkte und dessen
spätere Erfindung, die Braun'sche Röhre, die
wir in TV-Apparaten als Bildröhre finden,
Experimente zur Stromleitung durch Kristalle
vor.
Im Gegensatz zu früheren
Untersuchungen mit großflächigen
Kontakten presste er eine
Metallspitze auf einen
Schwefelkieskristall und fand:
In einer Richtung leitet der Kristall gut und zwar
umso besser, je größer der Strom ist, in der
anderen Richtung fließt nur wenig Strom.
Da man nur Ohm´sche Leiter und Isolatoren
kannte, widersprach dieser Gleichrichtereffekt
allen damals bekannten Eigenschaften der
Materie und tatsächlich dauerte es bis 1939,
bis eine Erklärung dieser Eigenschaften
gefunden werden konnte - die darauf
einsetzende Entwicklung hat die vorher
geschilderte Revolution ausgelöst.
Das von Braun gefundene
»elektrische Ventil« (Ventil,
weil nur in einer Richtung
durchlässig) spielte als
Germanium-Kristalldetektor
in der Frühzeit von
Telegrafie und Radio eine
wichtige Rolle, lange bevor
man seine Wirkung
»verstanden« hatte.
Den entscheidenden Impuls erhielt die
Nachrichtentechnik zu Beginn des 20.
Jahrhunderts allerdings durch die
Entwicklung der Elektronenröhre, die bis
etwa 1955 die Nachrichtentechnik prägte.
Da ihre Funktionsweise verstanden wurde,
konnte sie für die jeweilige Verwendung
optimiert werden:
Als Diode diente sie zur Gleichrichtung von
Wechselströmen, als Triode zur Verstärkung
elektrischer Signale.
Doch ihre Nachteile ließen sich nicht
leugnen: Sie war gegen Stöße empfindlich,
empfindlich
die Glühkathoden hatten kurze
Lebensdauern, zum Betrieb waren
beträchtliche Heizleistungen erforderlich. Je
mehr Elektronenröhren die elektronischen
Geräte enthielten, desto unzuverlässiger
wurden sie.
Der 1945 in den USA gebaute
ENIAC-Computer benötigte für seine 18 000
Röhren eine Leistung von 130 kW, ein
integrierter Schaltkreis (höherer
Rechenleistung) benötigt heute 1 W.
Die Gleichrichterwirkung von
Germanium-Kristallen wurde für den
Ausgang des 2.Weltkriegs entscheidend:
Radaranlagen benützen sehr kurzwellige,
also hochfrequente elektromagnetische
Wellen. Die Radarempfänger müssen die
schwachen reflektierten Signale empfangen
und verstärken.
Dafür erwies sich Brauns Kristalldetektor
aus Germanium geeignet. Die in Massen
produzierten Radargeräte entschieden den
Luftkrieg um England im 2. Weltkrieg mit.
Auch später trugen militärische Forschung
und die Raumfahrt zur stürmischen
Entwicklung der Halbleiter-Bauelemente bei.
Bei der Suche nach kompakten Bauteilen, die
ohne Nachteile der Elektronenröhren als
Steuerungs- und Verstärkungselement dienen
und elektrische Felder, Licht oder Temperatur
regeln konnten, wurden systematische
Eigenschaften der „Halbleiter“, Stoffen, die
eine Zwischenstellung zwischen Metallen und
Isolatoren einnehmen, untersucht. Silizium,
Germanium und Selen gehören zu ihnen.
Nach der Erfindung des
Transistors 1947 war die
Entwicklung der
integrierten Schaltkreise
ab 1965 eine weitere
entscheidende technische
Errungenschaft.
In den folgenden Abbildungen lernen wir
einige Eigenschaften von
Halbleiterbauelementen kennen. Bei den
LEDs, "lichtemittierende Dioden«, nutzt
man oft ihre beiden hauptsächlichen
Eigenschaften, nämlich Strom nur in einer
Richtung zu leiten und bei Überschreiten
einer Schwellenspannung den Stromfluss
durch Leuchten anzuzeigen.
An einem anderen
einfachen Bauteil, der
Halbleiterdiode, kann man
einige Eigenschaften von
Halbleitern erkennen.
Dazu betrachten wir die
nebenstehende Schaltung:
Symbol für Diode
Spannung an der Diode
Symbol für
Glühlampe
Strommessgerät
Schließt man eine Diode und ein Lämpchen
(zur Anzeige eines Stromes) in Serie an eine
Gleichspannungsquelle an, so leitet oder sperrt
je nach Polung der Stromversorgung die
Diode den elektrischen Strom.
Spannungsrichtung
umpolen!
Misst man, wie der Strom durch die
Diode von der angelegten Spannung
abhängt und gleichzeitig den Spannungsabfall am Lämpchen bzw. an der
Diode, so beginnt in Durchlassrichtung
erst ab einem Schwellenwert der angelegten Spannung (bei Dioden aus
Silizium etwa 0,7 V) ein nennenswerter
Strom zu fließen, der bei erhöhter Spannung rasch anwächst.
Der Spannungsabfall an der
Diode bleibt von nun an nahezu
konstant, sie hat jetzt einen sehr
kleinen Widerstand. Hingegen
fällt am Lämpchen fast die
gesamte Versorgungsspannung
ab.
Bei Polung in Sperrrichtung zeigt die Diode
einen sehr großen Widerstand, sie leitet
praktisch nicht. (Mit einem sehr empfindlichen Amperemeter lässt sich der ziemlich
geringe »Sperrstrom« nachweisen.)
Die Strom-Spannungs-Kurve zeigt den Unterschied
zu einem Ohm´scher Widerstand (z. B. metallische
Leiter bei gleich bleibender Temperatur) deutlich:
Ohm´sche Widerstände zeigen einen linearen
Zusammenhang zwischen Strom und Spannung, die
Strom-Spannungs-Kurve bei Halbleitern ist
hingegen nicht linear.
Der reine Halbleiter
Unter einem Halbleiter verstehen wir einen
Festkörper, der Strom besser als ein Isolator
(z. B. Hartgummi), aber schlechter als ein
metallischer Leiter (z. B. Kupfer) leitet. Der
Ladungstransport erfolgt durch Elektronen.
Material
spezifischer
Widerstand (Ωm)
Isolatoren
Hartgummi
1016
Glimmer
1014
Polyethylen
Halbleiter
Leiter
2*1011
Elfenbein
107
reines Silizium
102
reines Germanium
1
dotiertes Silizium
10-1... 10-3
Graphit (Kohlenstoff)
3,5 *10-5
Kupfer, Silber
10-8
Die wichtigsten Halbleiter sind Silizium
und Germanium. Sie stehen im
Periodensystem in der 4. Hauptgruppe
zwischen Kohlenstoff, der als
Diamantkristall ein Isolator ist, und dem
metallischen Zinn. Daneben gewinnt
Galliumarsenid, eine Verbindung aus
Elementen der 3. und 5. Hauptgruppe,
zunehmend an technischer Bedeutung.
Chemisch reine Halbleiter leiten Strom
sehr schlecht, bei sehr tiefen Temperaturen
verhalten sie sich wie Isolatoren. Eine
Erhöhung der Leitfähigkeit und weitere
Eigenschaften, die Halbleiterkristalle für
die Mikroelektronik interessant machen,
werden durch den gezielten Einbau von
Atomen anderer Elemente (Dotierung mit
Fremdatomen) erreicht.
Wodurch kommen die unterschiedlichen
Eigenschaften der im Festkörper
gebundenen Atome von Kohlenstoff,
Silizium, Germanium und Zinn zu Stande?
Betrachten wir zunächst die Extreme,
das Metall Zinn und den Nichtleiter
Diamant.
Bei der Bildung des Metallgitters verliert
jedes Zinnatom ein Elektron aus seiner
Elektronenhülle, das als Leitungselektron
sich nahezu frei zwischen den ortsfesten,
positiven Metallionen bewegen kann.
Im Diamantkristall ist jedes Atom von vier Nachbarn
umgeben, die Bindung erfolgt durch gemeinsame
Elektronenpaare (kovalente Bindung). Diese
Elektronenpaare kompensieren die gegenseitige Abstoßung
der positiven Atomrümpfe.
Um ein Elektron eines dieser Paare aus seiner
Bindung an die Atome zu lösen, muss ein
beträchtlicher Energiebetrag aufgewandt werden.
Bei Diamant beträgt diese Bindungsenergie pro
Elektron 6 eV.
Zur Erinnerung: 1eV ist jene Energie, die 1
Elektron durch die Beschleunigung von 1V
erhält.
Wie gelingt es dem Halbleiterkristall,
Elektronen aus der Bindung freizusetzen
und durch diese frei beweglichen
Elektronen zum schlechten Leiter zu
werden?
Die im Kristallgitter regelmäßig angeordneten
Atome ruhen nicht bewegungslos an ihren
Gitterplätzen, sie schwingen um ihre mittleren
Positionen. Diese Schwingungen sind umso
stärker, je höher die Temperatur ist.
Die mittlere Schwingungsenergie ist
proportional zur Temperatur und beträgt
bei Zimmertemperatur ungefähr 0,025 eV.
Viele Atome haben eine geringere Energie,
manche eine höhere und nur sehr wenige
Atome eine Energie, die ausreicht, um ein
Elektron aus seiner Bindung
herauszuschlagen.
Diese Elektronen stehen dann als frei
bewegliche Leitungselektronen zur
Verfügung, sie können einem angelegten
elektrischen Feld folgen. (Auch durch
Lichteinstrahlung kann die erforderliche
Energie zugeführt werden, wie dies bei der
Solarzelle ausgenützt wird.)
Damit lassen sich unter Annahme des
klassischen Atommodells zwei
Unterschiede zu den Metallen verstehen:
Im Metall steht pro Atom ein Leitungselektron zur
Verfügung, insgesamt etwa 1022 Elektronen pro
cm3. In einem Kristall aus reinem Silizium kommt
bei 50 °C auf 1012 Atome ein Leitungselektron,
insgesamt etwa 1010 Elektronen pro cm3. Die
Leitfähigkeit des reinen Halbleiters ist daher
beträchtlich kleiner als die eines Metalls.
Damit lassen sich unter Annahme des
klassischen Atommodells zwei
Unterschiede zu den Metallen verstehen:
Bei höherer Temperatur nimmt die Leitfähigkeit
eines Halbleiters zu, da die Gitteratome durch
stärkere thermische Bewegung mehr Elektronen
freisetzen. Im Metall nimmt hingegen die
Leitfähigkeit mit wachsender Temperatur ab, da die
Leitungselektronen immer häufiger mit den stärker
schwingenden Gitterbausteinen zusammenstoßen.
Den positiven Ionen, die nach Freisetzung
eines Elektrons ortsfest an ihren Gitterplatz
gebunden bleiben, fehlt ein Elektron, man
spricht daher von einem »Defektelektron«
oder »Elektronenloch«.
Den positiven Ionen, die nach Freisetzung
eines Elektrons ortsfest an ihren Gitterplatz
gebunden bleiben, fehlt ein Elektron, man
spricht daher von einem »Defektelektron«
oder »Elektronenloch«.
Jedes dieser Ionen kann einem benachbarten Gitteratom
ein Elektron »wegfangen« und wieder neutral werden.
Beim »beraubten« Gitteratom entsteht dadurch ein
Elektronenloch.
In einem äußeren Feld wandert das
Elektronenloch wie eine positive
Ladung - aber nicht durch Wanderung der
Ionen, sondern durch das Nachrücken der
Elektronen.
So tragen auch die
Elektronenlöcher zum
Ladungstransport bei.
Das Auffüllen eines
Loches im Atomgitter
mit einem freien
Elektron nennt man
Rekombination
(Wiedervereinigung,
recombination).
Beispiel: NTC-Widerstand
Elektronische Bauteile, deren Widerstandswert mit
steigender Temperatur besonders stark fällt, werden
als NTC-Widerstände (negative temperature
coefficient-resistors) verwendet. Sie verwenden die
Eigenschaft, dass mit steigender Temperatur mehr
und mehr Elektronen zur elektronischen Leitung
aus den Bindungen freigesetzt werden, sie heißen
deshalb Heißleiter.
Zusammenfassung:
Die Leitfähigkeit eines reinen
Halbleiterkristalls beruht auf der Bildung von
frei beweglichen Ladungsträgern:
Elektronen und Elektronenlöcher.
Die Elektronenlöcher verhalten sich wie
positive Ladungen.
Die Leitfähigkeit nimmt mit wachsender
Temperatur zu.
Der dotierte Halbleiter
Im reinen Halbleiterkristall befinden sich
immer gleichviel Leitungselektronen wie
Elektronenlöcher. Die Zahl der frei
beweglichen Ladungsträger und damit die
Leitfähigkeit eines Halbleiters kann durch die
Zugabe bestimmter Fremdatome beträchtlich
gesteigert werden. Man spricht dann von
dotierten Halbleitern.
a.) Elektronenüberschussleiter (n-Leiter)
Stellen wir uns vor, dass ein kleiner Teil der
Si-Atome im Kristall durch Atome der 5.
Hauptgruppe, z.B. Arsenatome, ersetzt wird.
Typischerweise wird eines von 10 000 bis 10
Mio. Siliziumatomen im Kristallgitter durch
ein Arsenatom ersetzt.
a.) Elektronenüberschussleiter (n-Leiter)
Arsen besitzt in der äußersten Elektronenhülle fünf
Elektronen, von denen nur vier an der Bindung mit
den benachbarten Siliziumatomen teilnehmen
können. Das fünfte Elektron ist nicht an das Gitter
gebunden und lässt sich daher leicht vom
Phosphoratom trennen. Das zurückbleibende
unbewegliche Arsenion ist positiv geladen. Da es
ein Elektron abgegeben hat, wird es
Elektronenspender, Donator, genannt.
a.) Elektronenüberschussleiter (n-Leiter)
a.) Elektronenüberschussleiter (n-Leiter)
Bereits bei Zimmertemperatur
verlieren daher praktisch alle
Arsenatome durch Stöße ihr fünftes
Elektron.
Man spricht daher von einem
Elektronenüberschussleiter oder wegen
der negativen Ladung der Elektronen
vom n-Leiter.
a.) Elektronenüberschussleiter (n-Leiter)
b.) Elektronenmangelleiter (p-Leiter)
Bauen wir jedoch dreiwertige Boratome
in den Siliziumkristall ein, so fehlt den
Boratomen ein Elektron, um die
Bindungen zu allen vier Siliziumnachbarn
durch Elektronenpaare herzustellen.
b.) Elektronenmangelleiter (p-Leiter)
Woher können die fehlenden Elektronen
genommen werden? Natürlich von den
umgebenden Siliziumatomen - und damit
fehlen diesen wieder Elektronen:
Elektronenlöcher als zusätzliche
Ladungsträger sind erzeugt worden.
b.) Elektronenmangelleiter (p-Leiter)
Boratome, die ein
Elektron eingefangen
haben, heißen
Akzeptoren. Die von
ihnen erzeugten
Elektronenlöcher stehen
für den Ladungstransport
zur Verfügung.
b.) Elektronenmangelleiter (p-Leiter)
Löcher verhalten sich
beim Anlegen einer
Spannung wie positive
Ladungsträger, man
spricht daher von
Elektronenmangelleitern
oder p-Leitern.
Zusammenfassung:
Die Dotierung mit Fremdatomen erhöht die
Leitfähigkeit von Halbleiterkristallen.
Durch Einbau von fünfwertigen Fremdatomen
(Donatoren) erhält man Elektronenüberschussleiter
(n-Leiter).
Durch Einbau von dreiwertigen Fremdatomen
(Akzeptoren) erhält man Elektronenmangelleiter
(p-Leiter).
Die Konzentration der Fremdatome bestimmt die
Leitfähigkeit.
c) Herstellung von Einkristallen und Dotierung
Silizium ist nach Sauerstoff das häufigste
Element der Erdkruste, doch kommt es nicht
rein, sondern als Si02, vor. Die Herstellung
von Siliziumkristallen erfordert daher zwei
Schritte: Herstellung von Reinsilizium und
Zucht möglichst vollkommener Kristalle.
c) Herstellung von Einkristallen und Dotierung
Zonenschmelzverfahren:
Das kristalline
Reinsilizium wird im
„Zonenschmelzverfahren“ gereinigt und
gleichzeitig zu großen
Einkristallen
umgeschmolzen
(Gitterfehler stören die
Elektronenbewegung).
c) Herstellung von Einkristallen und Dotierung
Der gezogene Einkristall
erreicht eine Reinheit von
einem Fremdatom auf 109
Siliziumatome und wird zur
Weiterverarbeitung in dünne
Scheiben, sog. Wafer,
zerschnitten.
c) Herstellung von Einkristallen und Dotierung
Dotierung: Die Zugabe der
Zusatzstoffe erfolgt entweder
beim Ziehen des Einkristalls,
indem sie dem geschmolzenen
Silizium in genauer Dosierung
beigemischt werden oder durch
Bedampfen der
Siliziumscheiben mit dem
Dotierstoff.
Lernziele & FRAGEN zur SELBSTKONTROLLE
?
Versuche, folgende Fragen zu beantworten bzw. überlege die Bedeutung
der Stichworte, gehe Deine Aufzeichnungen bzw. die Präsentation
nochmals durch!
• Weshalb
spricht man von unserer Zeit auch als Informations-
zeitalter?
•Von wem und wann wurde der Gleichrichtereffekt (von
Halbleitern) entdeckt?
•Bei welchen Geräten wurde zuerst die Gleichrichtung eingesetzt?
•Nenne Nachteile der Elektronenröhre gegenüber Halbleiterbauteilen?
Lernziele & FRAGEN zur SELBSTKONTROLLE
?
Versuche, folgende Fragen zu beantworten bzw. überlege die Bedeutung
der Stichworte, gehe Deine Aufzeichnungen bzw. die Präsentation
nochmals durch!
•Seit wann gibt es Transistoren bzw. integrierte Schaltkreise?
•Wie leitet ein reiner Halbleiter Strom und wovon hängt dies ab?
•Was bewirkt das Dotieren von Halbleitern?
•Was sind n-Leiter und p-Leiter?