Die Anzahl freier Ladungsträger bei Halbleiterwerkstoffen ist stark material- und temperaturabhängig. Die Leitfähigkeit ist bei der Herstellung nicht nur einstellbar sondern darüber hinaus bei vielen Halbleiterbauelementen sogar im Betrieb veränderbar.
In diesem Artikel werden die Grundlagen der Halbleiterelektronik erklärt. Neben dem Leitungsmechanismus wird der Aufbau einer Diode erklärt.
1939 veröffentlichten die Physiker Walter Schottky und Eberhard Spenke eine wissenschaftliche Arbeit über die Wirkungsweise von Dioden mit Metall-Halbleiterübergang. Die Verdienste Schottkys wurden mit der Bauelementbezeichnung “Schottky-Diode” gewürdigt.
Die Entwicklung des Transistors 1947 geht auf einen zufällig in den Bell Laboratories beobachten Effekt zurück. William Schockley und andere Physiker beobachteten, dass eine Änderung der Flussspannung an der ersten Diode eine Änderung des Sperrstroms der zweiten Diode zur Folge hatte. 1950 wurde der erste Flächentransitor gebaut (pnp- Germanium-Transistor) bei dem die übergänge in den Kristall verlagert wurden.
1953 wurde das CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition) zur Herstellung von polykristallinem und monokristallinem Silizium entwickelt. Silizium hat eine Temperatur- beständigkeit bis 150 °C und hat aufgrund des höheren spezifischen Widerstandes bei Raumtemperatur einen geringeren Sperrstrom. Sein Vorkommen ist nahezu unbegrenzt. Der erste bipolare Transistor aus Silizium wurde 1954 von Gordon Teal in den Bell Laboratories gebaut.
Heinrich Welker entdeckte 1953 im Siemens & Halske – Forschungslabor, dass bestimmte Verbindungen aus drei- und fünfwertigen Stoffen Halbleitereigenschaften besitzen. Die Entdeckung dieser III-V Halbleiter führte Mitte der 60er Jahre zur Herstellung von rot abstrahlenden Leuchtdioden (LEDs) und später zu den Halbleiterlaserdioden (s. Abb. 1).
Halbleiterwerkstoff | Anwendung |
---|---|
Silizium (Si) | Dioden, Transistoren, ICs, Solarzellen, Thyristoren |
Germanium (Ge) | Hochfrequenz-Transistoren |
Galliumarsenid (GaAs) | rot-infrarote Leuchtdioden und Laser, Solarzellen, Fotodioden |
Indiumphosphid (InP) | infrarote Laser, Fotodioden |
Galliumphosphid (GaP) | grüne Leuchtdioden |
Galliumnitrid (GaN) | blaue Leuchtdioden und Laserdioden |
Die elektrische Leitfähigkeit von Festkörpern hängt in erster Linie von der Anzahl der freien Ladungsträger ab. Die Anzahl dieser freien Ladungsträger ist bei Halbleiterwerkstoffen stark material- und temperaturabhängig. Die am hä̈ufigsten verwendeten Halbleiterwerkstoffe und deren Anwendungsgebiete sind in Tab. 1 dargestellt.
Bei Halbleitern unterscheidet man prinzipiell zwischen zwei Leitungsmechanismen: die Eigenleitfähigkeit und die Störstellenleitfähigkeit. Während die Eigenleitfähigkeit material- und temperaturabhängig ist und eine fest vorgegebene Größe darstellt, lässt sich die Störstellenleitfähigkeit des Halbleiters sehr gezielt beeinflussen.
Die Eigenleitung (engl. intrinsic conduction) wird durch das Aufbrechen von Elektronenpaarbindungen verursacht. Durch Energiezufuhr in Form von Wärme oder Licht werden Gitterschwingungen (Phononen) verursacht, welche dafür sorgen, dass einzelne Valenzelektronen frei beweglich werden. Je höher die Temperatur in einem Kristall, desto höher dessen Leitfähigkeit.
Reines Silizium hat bei Zimmertemperatur eine sehr geringe Leitfähigkeit, da alle Elektronen für die Elektronenpaarbindung benötigt werden. Jedoch kann durch eine gezielte Verunreinigung des Kristalls (dotieren) die Leitfähigkeit um viele Größenordnungen erhöht werden. Dabei wird nur jedes Tausendste Atom ersetzt.
Dotiert man Silizium bspw. mit 5wertigem Phosphor bleibt ein Valenzelektron übrig, welches frei beweglich ist, wie in Abb. 2 gezeigt wird. Man spricht von n-dotiertem Silizium.
Dotiert man Silizium mit 3wertigem Aluminium, fehlt ein Elektron in der Bindung (s. Abb. 3). Benachbarte Elektronenpaarbindungen können aufbrechen und das Loch besetzen. Dadurch entsteht ein neues Loch welches wiederum von einem benachbarten Elektron besetzt werden kann. So entsteht ein sogenannter Löcherstrom. Dabei verhalten sich die Löcher wie positive Ladungsträger. Man spricht von p-dotiertem Silizium.
Man beachte, dass bei identischer Dotierung durch das notwendige Aufbrechen der Elektronenpaarbindungen, der Widerstand von p-dotierten Materialien höher ist als der von n-dotierten.
Wähle die korrekten Aussagen aus.
Erkläre den Begriff dotieren.
Wähle eine Antwort.
Erkläre den Begriff Eigenleitfähigkeit.
Wähle zwei Antworten.
Erkläre den Begriff Ion.
Wähle eine Antwort.
Erkläre den Begriff Störstellenleitfähigkeit
Wähle eine Antwort.
Begründe wieso ein n-Leiter leitfähig ist.
Wähle eine Antwort.
Begründe wieso ein p-Leiter leitfähig ist.
Wähle eine Antwort.
Rezept für 3 Stück Laugengebäck:
Teig kneten und alle 20-30 Minuten falten. Am Ende 30 Minuten ruhen lassen und direkt vor dem Backen mit 4 % Natronlauge bestreichen. Mit Rasierklinge einschneiden und mit grobem Salz bestreuen. Ohne Wasserdampf bei 200 °C circa 15 Minuten backen.
Dotiert man Silizium so, dass ein p-Gebiet unmittelbar an ein n-Gebiet grenzt (pn-Übergang, so diffundieren Elektronen aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet und besetzen dort die fehlenden Elektronen (Löcher). Umgekehrt diffundieren Löcher aus dem p-Gebiet in das n-Gebiet und werden dort von überschüssigen Elektronen besetzt (Abb. 4).
Die freien Ladungsträger verschwinden an der Grenze, so dass hier ein Isolator entsteht.
Man beachte, dass die Grenzschicht an frei beweglichen Ladungsträgern verarmt. Übrig bleiben ortsfeste (unbewegliche) Ladungen (Ionen): positive geladene Donatoren im n-Gebiet und negative Akzeptoren im p-Gebiet. Aus diesem Grund wird dieser Bereich als Raumladungszone (RLZ) bezeichnet.
Das so entstandene Bauelement nennt man Diode.
Abb. 6 zeigt das Schaltzeichen der Diode. Der Pfeil zeigt in Durchlassrichtung.
Legt man eine äußere Spannung UF (engl.forward voltage VF) zwischen p- und n-Gebiet in Durchlassrichtung an (p- Gebiet am Pluspol, Minuspol am n-Gebiet), so werden Elektronen Richtung p-Gebiet bewegt. Die Raumladungszone wird verkleinert. Erreicht die angelegte Spannung die Schleusenspannung US (engl. threshold voltage VT0) ist die Raumladungszone abgebaut und die Diode wird leitfähig. Der Strom IF (engl. forward current) nimmt exponentiell mit der angelegten Spannung zu (s. Abb. 7).
In Sperrrichtung (engl. reverse) hingegen werden am Rand der Raumladungszone weitere freie Ladungsträger in das gegenüberliegende Gebiet abgezogen und die Raumladungszone wird größer. Die Raumladungszone wirkt wie eine Kapazität, dessen Größe von der Sperrschichtweite abhängt und parallel zur Diode liegt.
In Abb. 7 kommt es oberhalb der Sperrspannung UBR (engl. breakthrough voltage VBR) kommt es zum sogenannten Lawinendurchbruch. Einzelne freie Ladungsträger in der Raumladungszone werden so stark beschleunigt, dass sie beim Zusammenstoß mit einem Si-Atom weitere Elektronen freisetzen, welche wiederrum entsprechend beschleunigt werden.
Die Diode kommt unter anderem als Verpolungsschutz zum Einsatz.
Dioden haben eine Sperrschichtkapazität CS. In hochfrequenten Anwendungen muss bei jedem Schaltvorgang CS auf-, bzw. abgebaut werden. Je größer die räumliche Ausdehnung der Sperrschicht, desto länger dauert der Vorgang. Abb. 8 zeigt den Schaltungsaufbau.
Beim Übergang vom Sperrzustand in den Durchlasszustand wird die Sperrschichtkapazität abgebaut und eine Diffusionsspannung aufgebaut werden, in dem die Raumladungszone mit Ladungsträgern durchsetzt wird. Typische Werte für die Anstiegszeit (engl. rise time) sind tr = 2 µs (s. Abb. 9).
Beim Übergang vom Durchlasszustand in den Sperrzustand müssen Ladungsträger aus der Raumladungszone ausgeräumt werden. Es fließt für kurze Zeit ts (engl. storage time) ein konstanter Strom in Sperrrichtung, welcher dann in der Zeit tf (engl. fall time) mit der Zeitkonstante τ die Sperrschichtkapazität CS entlädt (s. Abb. 9). Die Speicherzeit berechnet sich zu:
$$t_s=\tau \cdot \ln\left(1+I_F/I_R\right)$$Wähle die korrekten Aussagen aus.
Beschreibe den Strom in Durchlassrichtung einer Diode.
Wähle beliebig viele Antworten.
Beschreibe den Strom in Sperrrichtung einer Diode.
Wähle beliebig viele Antworten.
Beschreibe die Eigenschaften der Raumladungszone.
Wähle eine Antwort.
Beschreibe eine Diode
Wähle eine Antwort.
Beschreibe die Eigenschaften von CS.
Wähle eine Antwort.
Beschreibe das Verhalten von CS.
Wähle eine Antwort.
der Halbleiter, ~ | Kristall dessen Leitfähigkeit einstellbar ist |
das Valenzelektron, -en | Bindungselektron der Elektronenpaarbindung |
die Diode, -n | Bauteil welches nur in einer Richtung leitfähig ist |
dotieren | Halbleiter mit Fremdatome verunreinigen, damit diese leitfähig werden |
das Ion, -en | positiv oder auch negativ geladene Atome |
Eigenleitfähigkeit | Leitfähigkeit aufgrund von Gitterschwingungen durch Wärme |
Störstellenleitfähigkeit | Leitfähigkeit aufgrund von Dotierung |
der p-Halbleiter, ~ | leitfähiger Kristall aufgrund fehlender frei beweglicher Elektronen (Löcher) |
der n-Halbleiter, ~ | leitfähiger Kristall aufgrund frei beweglicher Elektronen |
die Raumladungszone | Sperrschicht zwischen p- und n-Leiter |
der pn-Übergang, -"e | Grenzschicht zwischen einem p- und n-Leiter |
die Anode, -n | der Pluspol einer Diode |
die Katode, -n | der Minuspol einer Diode |