Physik. Elektrizitätslehre INTERNETBIBLIOTHEK FÜR SCHULMATHEMATIK. Halbleiterstrukturen. Ein Beitrag von Daniel Michael Mayer

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1 Physik Elektrizitätslehre Halbleiterstrukture Datei Nummer Ei Beitrag vo Daiel Michael Mayer Oktober 2007 INTERNETBIBLIOTHEK FÜR SCHULMATHEMATIK

2 93252 E-Lehre Halbleiterstrukture 1 Halbleiterstrukture 1. Stoffliche Grudlage Halbleiter sid zuächst eimal Bauelemete, dere elektrische Leitfähigkeit zwische dee der Leiter ud dee der Nichtleiter liegt. Nichtleiter Halbleiter Leiter steigede elektrische Der bekateste Vertreter der Halbleiterstoffe ist lizium. Er wird vor allem aus Quarzsad hergestellt. Weitere wichtige Halbleiterstoffe sid Germaium, Sele ud Galliumarseid. e habe alle eie kristallie Aufbau, d.h. die Atome sid räumlich i eiem bestimmte Schema ageordet. Der Gegesatz zur Kristallstruktur ist die amorhe Struktur. Hier habe die Atome keie bestimmte Plätze im Raumgitter, sie liege ugeordet vor. Besteht die Kristallstruktur aus verschiedeartige Atome (uterschiedliche Stoffe), so sricht ma vo eiem Mischkristall. Die Eigeschafte vo Stoffe häge i hohem Maße vo der räumliche Aordug ihrer Atome ab. So ist Kohlestoff i amorher Struktur Ruß ud i Kristallstruktur Diamat! Besteht die Kristallstruktur aus eier ugestörte Gesamtkristallstruktur, sricht ma vo eiem Eikristall. Setzt sich der Kristall higege aus mehrere Kristallstrukture zusamme, sricht ma vo eier Polykristallstruktur. Wichtig zu wisse ist die Tatsache, dass Verureiiguge des Stoffes mit Fremdatome die Eigeschafte des Halbleiters stark veräder. Daher ist eie hohe stoffliche Reiheit gefragt, i.d.r. midestes :1 bzgl. der Atome. Um sich das zu veraschauliche stelle ma sich vor, eie Strecke vo km, ei Viertel des Erdumfags, auf 1 mm geau messe zu wolle.

3 93252 E-Lehre Halbleiterstrukture 2 Um die Kristallstruktur vo Halbleiter zu betrachte, beötige wir wieder das us scho bekate Atommodell. lizium hat 4 Elektroe auf seier äußerste Schale, die so geate Valezelektroe. Diese siele bei der Betrachtug der Verbidugsstruktur zu adere Atome eie besoders wichtige Rolle ud ma igoriert zumeist de,,rest des Atoms eifach Warum sid die Valezelektroe so wichtig? Nu, eriere dich a die Defiitio eies Edelgases. Das sid,,gesättigte Gase, also solche, die keie Biduge mehr eigehe, weil sie mit sich selbst völlig zufriede sid. Ud das wiederum sid sie ur, weil all ihre Schalte voll bestückt sid mit Elektroe! Also warum och mühselig mit adere Atome reagiere, we ma doch selbst ichts mehr davo habe ka? Aders das lizium. Mit 4 Valezelektroe ist da och Platz für 4 weitere, de 8 asse auf die äußerste Schale. Also geht lizium Kotakt mit 4 adere -Atome ei, es hat so zusage 4 Bidestelle. Etsreched ergibt sich folgede Bidugsstruktur i der Ebee: Ud diese Struktur setzt sich atürlich für die obig am Rad stehede -Atome fort. e selbst habe ja erst eie Bidugsarter gefude, also ist ja och Platz für 3 weitere. So ergibt sich die erwähte Kristallgitterstruktur des liziums.

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5 93252 E-Lehre Halbleiterstrukture 4 2. Dotierug Nu fragt ma sich sicherlich, was all diese schöe Materialeigeschafte für eie Nutze i der Elektroik habe solle. Das führt zum Begriff der Dotierug, der schließlich direkt zur Awedug vo Halbleiter, z.b. als Grudstoff für Trasistore, führt. Was assiert bei eiem 100% reie lizium bgzl. der elektrische Leitfähigkeit? Nu, gar ichts. Da alle Valezelektroe mit Bidugsarter gebude sid, gibt es keie freie Elektroe ud damit keie elektrische Leitfähigkeit! Nu ja, damit habe wir eie Isolator statt eie Halbleiter erhalte Auch was feies, doch icht das was wir ursrüglich wollte. Es ist allerdigs möglich, recht gezielt die Leitfähigkeit eies Halbleiters zu beeiflusse, idem wir eie bestimmte Mege Fremdatome eifüge. voller Weise wähle wir dazu 5wertige oder 3wertige Atome aus, so dass ach de Biduge mit beachbarte -Atome ei freies Elektro auf der äußerste Schale übrig bleibt bzw. eies zu weig vorhade ist. 2.1 N-Dotierug Ei oft verwedetes 5wertiges,,Fremdatom bzw. Dotierugsstoff ist der Phoshor (P). Er besitzt 5 Valezelektroe, vo dee ach der Bidug mit 4 -Atome demach 1 Elektro ugebude übrig bleibt. Da Elektroe eie egative Ladug habe sricht ma vo -Dotierug für egative-dotierug. Jedes Phoshoratom schekt dem Halbleiter ei freies Elektro, so zusage als Sede, lateiisch doare. N-Dotierugsstoffe (5wertige Stoffe) sid demach Doatore, Elektroeseder. P freies Elektro Aus dem Naturgesetz: Etgegegesetzt geladee Laduge ziehe sich a. leitet sich sofort der Elektroefluss eies -lizium-kristalls ab.

6 93252 E-Lehre Halbleiterstrukture 5 Elektroestrom - U Das ist im Prizi das Gleich wie bei Metalle. Auch leicht vorstellbar dürfte die Tatsache sei, dass es mehr freie Elektroe gibt, je höher der Dotierugsgrad des liziums ist, je mehr Fremdatome, z.b. Phoshor, dem also hizugefügt wurde. Ud je mehr freie Elektroe es gibt, desto größer der Stromfluss. Also Je höher der Dotierugsgrad, desto iederohmiger ist das Kristall, desto besser seie Leitfähigkeit. 2.2 P-Dotierug Verwedet ma statt de 5wertige Doate 3wertige, z.b. Alumiium, Gallium oder Idium, so muss eie Kristallbidug offe bleibe. Es etsteht ei,,bidugsloch, eifach Loch geat. Da dieses Loch aber ei fehledes Elektro ist, sricht ma auch vom Defektelektro. Al Defektelektro, offee Bidug Stoffe, die ei fehledes Elektro verursache, heiße Akzetore bzw. -Doatore. Das,,icht gebudee -Atom ist städig bereit ei Elektro zu bide, damit es seie Valezschale voll bekommt. Es ist sozusage ei,,elektroeloch, da jedes vorbeikommede Elektro gere gebude wird. So wird der Begriff des Akzetors ud des Lochs lausibel. Die Elektroe die,,vorbei komme müsse ja aderswo fehle ud erzeuge dort ei eues Loch! So betrachtet habe wir es hier mit eier,,löcherwaderug zu tu. Verlässt jedoch ei Elektro sei Atom, so bleibt ei ositiv geladees Restatom zurück, de wir erier us es gilt ja

7 93252 E-Lehre Halbleiterstrukture 6 Naturgesetz: Atome sid ohe extere Eiflüsse ach auße elektrisch eutral. Loch Ei Elektro eies Nachbaratoms wird i die offee Bidug (Loch) gezwuge. Dadurch etsteht ei Loch beim Nachbaratom. Ist dieses,,wegstehle ohe Saug och ugerichtet (Stichwort: Thermodyamik), so erfolgt die Löcherwaderug bei agelegter Saug gerichtet. Die Elektroe wader zum -Pol, die,,wegstehlbewegug läuft also zum -Pol hi. e - e - e - e - Löcherwaderu g - U Die Elektroe wader zum -Pol, was eie Elimiierug der Löcher i Richtug -Pol zur Folge hat. Schaut ma sich jedoch statt der Elektroe ur die Löcher a, so werde ja i Richtug egativem Pol eue erzeugt, der,,löcherstrom läuft also zum Mius-Pol. Löcherstrom - U Die Löcher verhalte sich also da sie ja zum Mius-Pol wader wie ositive Ladugsträger. Daher: Löcher werde als freie ositive Ladugsträger aufgefasst. Mit Akzetordoatore agereichertes lizium ethält also,,ositive Laduge ud wird demach -lizium geat, mit für ositiv.

8 93252 E-Lehre Halbleiterstrukture 7 Zusammefassug: Die Ladugsträger, welche durch die Dotierug i de Halbleiter eigebracht werde, heiße Majoritätsträger. Das sid also i de -dotierte Halbleiter die Elektroe ud i de - dotierte die Löcher. Um es klar zu sage: Freie Ladugsträger, egal ob u Elektroe oder Löcher, sid im Kristall frei beweglich ud verleihe ihm die Halbleitereigeschafte, jedoch ist das Kristall als Gazes wiederum elektrisch eutral! Die Laduge werde ja ur ierhalb des Kristalls hi ud her geschobe!

9 93252 E-Lehre Halbleiterstrukture 8 3. Grezschicht Wir wisse u, dass ma mit Hilfe der Dotierug gezielt die elektrische Leitfähigkeit eies Halbleiters beeiflusse ka. Nu ist ma auf die Idee gekomme, doch eifach mal beide Dotierugsvariate zusamme zu acke ud ka überrascht sei, was da alles assiert Das wolle wir us im Folgede mal geauer aschaue. Da ja Ladugsuterschiede ausgegliche werde (Naturgesetzt!) wird die Doatorschicht der -Zoe ihre freie Elektroe i die Akzetorschicht der -Zoe eiseise. e e e So weit so gut. Doch schaut ma vo weige Laduge auf eie große Zahl vo Laduge, wird ma folgedes feststelle. - P Das Phoshoratom (P) der -Schicht hat sei überschüssiges Elektro a de Akzetor i der -Schicht abgegebe ud ist damit ositiv gelade. Der Akzetor hat das Elektro aufgeomme, verfügt also über eie egative Ladugsträger mehr als ormal. Das führt zu eier elektrisch egative Ladug. Es sid zwei Ioe etstade, ei ositiv geladees Io ud ei egatives! Dieser Prozess der Ioebildug erfolgt am Grezübergag für sehr viele Atome i kurzer Zeit. Ma sricht vo Diffusio (hidurch wader). Dadurch bilde sich zwei geladee Zoe aus, die i der Gesamtheit als Raumladugszoe bezeichet wird. eutrale -Zoe - - eutrale -Zoe Raumladugszo e Was aber etsteht zwische etgegegesetzt geladee Ladugsträger? Ei elektrisches Feld.

10 93252 E-Lehre Halbleiterstrukture Elektrisches Feld Das führt dazu, dass eu vo der -Zoe i die Raumladugszoe eitretede Elektroe durch das elektrische Feld abgebremst werde. Dadurch bildet sich mit der Zeit ei Gleichgewicht zwische der Kraftwirkug des elektrische Feldes ud der Wärmeschwigug aus. Aus diesem Gleichgewichtszustad ergibt sich die Breite der Raumladugszoe. Mit höhere Temerature wird die Raumladugszoe breiter. Zwische Ladugsträger uterschiedlicher Ladug besteht aber immer auch eie elektrische Saug. So auch zwische der ositive ud der egative Seite der Grezschicht. e wird Diffusiossaug geat. Bei lizium ud Zimmertemeratur beträgt sie etwa 0,7 V, bei Germaium etwa 0,3 V. Allerdigs ka ma diese Saug icht zur Stromerzeugug utze, de verbidet ma de Halbleiter a seie Aschlüsse mit eier leitede Verbidug, so baut sich ach de gleiche Priziie eie zweite Grezschicht aus.

11 93252 E-Lehre Halbleiterstrukture Was assiert we ma eie extere Saugsquelle aschließt? Schließe wir de egative Pol a die -Zoe, so werde Elektroe vo der Saugsquelle i die Löcher der -Zoe hieigedrückt, was zu eier Vergrößerug der egative Raumladugszoe führt. Der Plusol der Saugsquelle saugt Elektroe aus der -Zoe ab. Diese Elektroe der Doatore fehle u ud hiterlasse ei ositiv geladees Io. Dadurch wird auch der ositive Teil der Raumladugszoe verbreitert Da sich die Raumladugszoe stabil ausbildet gelte folgede Aussage: Je breiter die Raumladugszoe, desto größer die zwische de eutrale Kristallzoe herrschede Saug. Die Raumladugszoe ethält keie bewegliche Ladugsträger. Versucht u ei Elektro aus der -Zoe i die -Zoe zu gelage, muss es erst die Raumladugszoe überwide. Dies geligt ihm aber icht mehr, die Raumladugszoe serrt die Ladugsträger, sie ist eifach zu breit, die Gegekraft des elektrische Feldes zu

12 93252 E-Lehre Halbleiterstrukture 11 stark. Daher sricht ma vo der Raumladugszoe bei dieser Polugsrichtug auch vo der Serrschicht. Der -Übergag ist i Serrichtug geolt, we Mius-a--Zoe liegt. Da es aber i jeder Zoe och die Mioritätsträger gibt, die sich ja immer aarweise bilde (wo ei Elektro abwadert etsteht geau ei Loch ud umgekehrt), geligt es diese weige Laduge die Serrschicht och beschleuigt durch das jetzt i Kraftrichtug beschleuiged wirkede elektrische Feld zu assiere. Also fließt auch i Serrichtug ei geriger Strom. Werfe wir och mal eie Blick auf die Serrschicht. - - getrete Laduge Wir habe es mit getrete Laduge zu tu. Doch welches Bauteil ka geau das, ämlich getrete Laduge als wesetliche Eigeschaft aufweise? Geau, der Kodesator! getrete Laduge Prizi des Kodesators Eie Raumladug / Serrschicht hat eie Kaazität. Was assiert u, we wir die Saugsquelle aders herum ole? Geau, die Serrschicht baut sich ab, bis sie raktisch gaz weg ist, das Bauteil wird sehr iederohmig. Deshalb wird zur Begrezug des Stromflusses auch ei Vorwiderstad mitbeschaltet.

13 93252 E-Lehre Halbleiterstrukture Zusammefassug Wir habe u also erkat, dass ei dotierter Halbleiter eie Serrschicht aufbaut. Schließt ma selbige a eie extere Saugsquelle a, so wird sie etweder sehr hochohmig oder sehr iederohmig, je ach Polug. e serrt also raktisch i die eie Richtug ud leitet sehr gut i die adere Richtug. Dieses Prizi ist so eifach wie mächtig ud wird vielfältig geutzt. Ma hat sich eie (mikro)elektroische Schalter gebaut!