Elektrotechnikunterricht/ Textbausteine/ Halbleiter

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  • Die bekanntesten Halbleiter sind Silizium, Germanium, Selen, Bor, Kohlenstoff und Tellur. Es gibt auch Verbindungen mit Halbleitereigenschaften: Galliumarsenid, Indiumantimonid und andere.
  • Das bekannteste und am meisten verwendete Halbleitermaterial ist Si: Siliziumoxid = Quarzkieselsteine sind preiswert. Nach einer chemischen Reinigung erfolgt eine mehrstufige Reinigung im Zonenschmelzverfahren und die Züchtung eines homogenen Kristalls. Dieser Kristall wird in Scheiben (= „Wafer“) zersägt und dient Chipfabriken als Ausgangsmaterial.
  • Elektrische Leitfähigkeit wird durch freie Elektronen ermöglicht. Halbleitermaterialien bilden eine Kristallstruktur. In Kristallen sind die Elektronen nicht frei, sie werden für die Kristallbildung benötigt. Darum sind reinste Halbleiter eigentlich Nichtleiter. Es gibt zwei Möglichkeiten, in Halbleitern freie Elektronen zu erzeugen, um eine geringe Leitfähigkeit zu erreichen:
    • Durch Energiezufuhr (Wärme oder Licht) werden Elektronen aus ihren Bindungen herausgerissen
      • Starke Erhitzung: Ist meist unerwünscht, darum müssen Halbleiter gekühlt werden
      • Bestrahlung mit Licht: Ist meist unerwünscht, darum werden Halbleiter lichtdicht gekapselt
    • Durch gezielte, präzise dosierte Verunreinigung mit solchen Fremdatomen, die leicht Elektronen abgeben oder aufnehmen (Dotierung). Ein Fremdatom kommt auf 1010 Atome.
      • Erfolgt die „Dotierung“ mit elektronenabgebenden Fremdatomen (Phosphor, Arsen, Antimon u. a.), entsteht ein Elektronenüberschuss und das Material nennt man „n-dotiert“.
      • Erfolgt die „Dotierung“ mit elektronenhungrigen Fremdatomen (Bor, Indium, Aluminium, Gallium u. a.), entsteht ein Elektronenmangel (= Elektronenfehlstellen, auch als „Defektelektronen“ oder „Löcher“ bezeichnet) und das Material nennt man „p-dotiert“. Benachbarte Elektronen können leicht in das Loch springen, dadurch „wandert“ das Loch durch den Kristall.