Halbleiter

Bisher unterschieden wir Leiter  und  Isolatoren.  Leiter (Kupfer, Eisen, Silber, Gold, …) leiten den Strom besonders gut. Isolatoren (Porzellan, PVC, Luft, …) leiten den Strom fast gar nicht.

Ob ein Stoff den Strom besonders gut oder besonders schlecht leitet, dass ist u.a. von der Anzahl der frei beweglichen Ladungsträger abhängig.

In dieser Einheit sollen die Ladungsträger auf Elektronen und Elektronenlücken beschränkt werden.

Halbleiter sind Stoffe, die sowohl Eigenschaften der Leiter, als auch der Isolatoren haben. Wie gut ein Halbleiter den Strom leitet, das hängt wesentlich von seiner Temperatur ab. Je höher die Temperatur, desto besser sind die Leitungseigenschaften eines Halbleiters.

Die Temperatur des Halbleiters kann sowohl durch äußere Erwärmung, als auch durch den Stromfluss im Halbleiter verändert werden.  Die Abbildungen zeigen ein Stück Silizium, das über die Krokoklemmen in einen Stromkreis eingebracht wurde.

Wird eine Spannung angelegt, dann fließt ein Strom. Wenn das Silizium mit einer Kerze erwärmt wird, dann steigt der Strom.

Im zweiten Experiment werden wir eine Bleistiftmine verwenden. 

Hinweis: Auch wenn Graphit kein Halbleiter ist, so wird es sich im betrachteten Experiment wie ein Halbleiter verhalten. Das Experiment wird mit einer Bleistiftmine gezeigt, da das i.d.R. gut reproduzierbar ist und Siliziumkristalle nicht in alle Sammlungen vorliegen.

Die Temperatur kann sowohl durch äußere Erwärmung, als auch durch den Stromfluss im Halbleiter verändert werden. Die Abbildung links zeigt die Aufnahme der Kennlinie einer Bleistiftmine.

Durch die höhere Spannung erhalten die freibeweglichen Ladungsträger in der Bleistiftmine (Graphit) einen höheren Antrieb. Die Ladungen bewegen sich schneller und es kommt zu mehr Zusammenstößen mit den Gitterbausteinen des Graphits.

Dadurch erhöht sich die Temperatur.  Das Leitungsverhalten der Bleistiftmine wird besser, der Widerstand sinkt.  Der Strom steigt nicht proportional zur Spannung, sondern er steigt stärker an.

Die Mine erwärmt sich so stark, dass sie “durchbrennt”.  

Warum verbessern sich die Leitungseigenschaften bei Erwärmung?

Zur Erklärung des Leitungsverhaltens in Halbleitern können wir zunächst zwei Modelle nutzen:

  1. Kristallgitter – Modell
  2. Bändermodell
  1. Kristallgitter – Modell

Das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist Silizium (Si).  Weiter wird aber auch  Germanium (Ge) als Halbleitermaterial benutzt.

Halbleiter sind Stoffe aus der 4. Hauptgruppe des PSE.  Stoffe der 4. Hauptgruppe haben 4 Außenelektronen.  Diese ordnen sich in einem Gitter, wie in der nebenstehenden Skizze an.  Dabei verbindet sich jedes Si-Atom jeweils mit vier anderen Atomen des Kristalls.  Zwei  benachbarte Atome “teilen” sich  jeweils zwei ihrer Außenelektronen. Die Außenelektronen haben nur eine schwache Bindung an ihr Atom.  In Verbindungen streben Atome eine voll besetzte Außenschale, also 8 Außenelektronen, an.   Ist die Außenschale mit 8 Elektronen voll besetzt, dann sind die Elektronen stark gebunden. Es wird eine große Energie benötigt, um Elektronen aus diesem Verbund zu lösen. 

Bei Wärmezufuhr geraten die Atome des Siliziumkristalls in stärkere Bewegung.  Dabei trennen sich einige Verbindungen des Gitters.  Jetzt befinden sich einige Elektronen nicht mehr in der starken Bindung.  Es reicht eine relativ kleine äußere Kraft (z.B. das Anlegen einer Spannung), um die Elektronen von ihren Atomen zu trennen.  Sie stehen als Ladungsträger zur Verfügung.

Löst sich ein Elektron von seinem Atom, dann bleibt ein positiv geladener “Atomrumpf” zurück, also ein Siliziumatom, dem ein Elektron fehlt.  Dieses positiv geladene Atom zieht andere Elektronen an, die in die “Lücke” springen können.  Vom Minuspol der Spannungsquelle rücken weitere Elektronen nach, die sich über die “Lücken bzw. Löcher” in Richtung des Pluspols der Spannungsquelle bewegen.

Glas ist eigentlich ein klassischer Isolator.  Wenn man das Glas stark genug erhitzt, dann kann auch hier ein Strom fließen.

2. Bändermodell

Basis des Bänder – Modells ist die energetische Betrachtung.

Valenzband:  Das Valenzband ist das höchste besetzte Elektronenniveau (ohne äußere Energiezufuhr).  Ladungsträger im Valenzband sind  gebunden und benötigen Energie, um am Ladungstransport teilnehmen zu können.

Leitungsband:  Das Leitungsband ist die Energiestufe, über dem höchsten Elektronenniveau (ohne äußere Energiezufuhr).  Ladungsträger, die sich im Leitungsband befinden, sind frei beweglich.  Sie können am Stromfluss teilnehmen.  

Energienivaus a) Isolator bzw. Nichtleiter, b) Halbleiter, c)Leiter

Damit Ladungsträger am Stromfluss teilnehmen können, müssen sie sich im Leitungsband befinden. Um vom Valenzband in das Leitungsband zu gelangen, muss den Elektronen eine Energie zugeführt werden.  Die Abbildungen (a-c)  zeigen die Energieniveaus von Isolatoren, Halbleitern und Leitern.  Je größer der Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband, desto schlechter ist das Leitungsverhalten des Stoffes. Dem Stoff muss mehr Energie ΔE zugeführt werden, um Elektronen in das Leitungsband zu bekommen. Diese Energie ΔE kann von außen (z.B. durch Wärme) oder von innen, durch das Anlegen einer Spannung zugeführt werden.

verbotene Bereiche: Der weiße Bereich zwischen Valenz- und Ladungsband ist ein so genannter verbotener Bereich. Hier können sich keine Ladungsträger aufhalten.

Will man die Leitungseigenschaften von Halbleitermaterialien verändern, dann können sie dotiert werden.