3. Halbleiter und Elektronik

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1 3. Halbleiter und Elektronik Halbleiter sind Stoe, welche die Eigenschaften von Leitern sowie Nichtleitern miteinander vereinen. Prinzipiell sind die Elektronen in einem Kristallgitter fest eingebunden und der Sto daher nichtleitend. Jedoch können diese Bindungen leicht aufgebrochen werden. Dadurch stehen Ladungsträger zur Stromleitung zur Verfügung. Bei einer Temperatur von 0K sind alle Ladungsträger gebunden. Die Zahl der Ladungsträger und somit die elektrische Leitfähigkeit nimmt stark mit der Temperatur zu. Die wichtigsten Halbleiterelemente sind: 1

2 Silizium (Si) Germanium (Ge) Galliumarsenid (GaAs) In Halbleitern gibt es zwei verschiedene Arten der elektrischen Leitung: Leitung durch die herausgelösten Elektronen Leitung der verbliebenen Löcher: Wird ein Elektron aus dem Kristallgitter herausgelöst, so entsteht dort ein Loch. Dieses ist positiv geladen. Nun kann es dazu kommen, dass Elektronen von anderen Atomen zu diesem freien Loch wandern. In diesem Falle fehlt dem anderen Atom ein Elektron. Konsequenz: Das Loch ist gewandert. Strom wird dadurch geleitet, dass positive Löcher wandern. Die Stromleitung durch negative Elektronen bzw. durch positive Löcher hat spezielle Eigenschaften. Daher möchte man gezielt Halbleiter herstellen, die besonders viele Löcher oder überzählige Elektronen haben. Si und Ge sind Elemente der 4. Gruppe im Periodensystem (4-wertig). Durch den Einbau von Fremdatomen (=Dotierung) lassen sich die gewünschten Eigenschaften erzielen. n-halbleiter: Baut man in einen Halbleiterkristall Elemente der 5. Gruppe im Periodensystem ein, so besitzen diese ein überzähliges Elektron, das mit keinem Nachbarn verbunden ist. Dieses kann leicht abgegeben werden. Die Stromleitung erfolgt durch die abgegebenen negativen Elektronen. (Daher n-halbleiter) p-halbleiter: Baut man in einen Halbleiter Elemente der dritten Gruppe ein, so besitzen diese ein 2

3 Elektron weniger als die Nachbarn. Dieses kann leicht ein Elektron der Nachbarn einfangen (es entsteht ein negativ geladenes Ion). Dadurch werden positiv geladene Löcher im Halbleiter erzeugt. Die Stromleitung erfolgt durch die positiven Löcher. (Daher p-halbleiter) Anwendung von p und n Halbleitern in Elektronischen Bauteilen: Diode: Eine Diode ist ein Bauelement, welches Strom nur in eine Richtung ieÿen lässt. Sie besteht im einfachsten Fall aus einem p- und n- Halbleiter. Anode (+) Kathode ( ) 3

4 Am Übergang zwischen p- und n- Halbleiter wandern Löcher vom p- in den n- Halbleiter und Elektronen vom n- in den p- Halbleiter. Löcher und Elektronen rekombinieren dort miteinander. Dadurch entsteht eine Zone mit wenigen Ladungsträgern (Sperrschicht). In der Sperrschicht stehen daher wenige Ladungsträger zur Verfügung, sie hat einen hohen Widerstand. Schlieÿt man den n- Halbleiter an den +Pol, den p- Halbleiter an den -Pol an, so werden die Elektronen im n- Halbleiter sowie die Löcher im p- Halbleiter angezogen. Konsequenz: Die Sperrschicht wird verbreitert, es ieÿt kein Strom. Wird umgekehrt der p-halbleiter an +, der n-halbleiter an - angeschlossen, so werden Elektronen im n- Halbleiter und Löcher im p-halbleiter abgestoÿen und in die Sperrschicht hineingedrückt. Konsequenz: Die Sperrschicht wird verkleinert, sie leitet Strom. 4

5 Kennlinie einer Diode: Spezielle Dioden: Leuchtdiode (LED): Durch Stromuss rekombinieren die Löcher und Elektronen in der Mitte der Diode. Die dadurch freiwerdende Energie wird als Licht abgestrahlt. Photodiode: Trit Licht auf die Diode, so werden in der Diode Ladungsträger erzeugt. Je stärker die auftreende Lichtintensität ist, desto geringer wird der Widerstand der Diode. Der Vollständigkeit wegen noch zu erwähnen sind: Zenerdiode Schottkydiode Tunneldiode Anwendungen von Dioden: Gleichrichtung von Wechselstrom Abfangen von Spannungsspitzen Logikschaltungen 5

6 Bipolarer Transistor: Ein bipolarer Transistor ist ein elektronisches Bauteil, welches den Stromuss verstärkt. Ein Transistor besitzt drei Anschlüsse. Diese heiÿen: Emitter, Basis, Kollektor Ein Transistor besteht aus drei abwechselnden Halbleiterschichten: pnp oder npn Halbleiter Schaltung, Funktion und Aufbau anhand eines npn Transistors: Aufbau des Transistors: Die Basis des Transistors ist relativ schwach dotiert. Flieÿt ein kleiner Strom von B nach E, so wird der Übergang BE durchlässig. Dadurch ieÿen viele Elektronen von E nach B. (Umgekehrt ieÿen wenige Löcher von B nach E, da B schwach dotiert ist). Die Elektronen in B können nun auch den Übergang von B nach C passieren (nur für die Löcher ist dieser Übergang gesperrt). Dadurch wird insgesamt der Übergang C E durchlässig und es 6

7 ieÿt Strom. Um den Kollektor durchlässig zu machen ist nur ein relativ kleiner Strom über BE notwendig. Der Stromuss CE ist ca. 100mal gröÿer als der über BE. D.h. der Stromuss über BE wird um den Faktor 100 verstärkt. Der Kollektor muss dazu immer auf einer höheren Spannung liegen Basis und Emitter. Beim Übergang BE kommt es zu einem Spannungsabfall wie bei einer Diode ( 0,6V) pnp Transistoren funktionieren analog. Anwendungen: Verstärker Schalter Weitere wichtige Halbleiterbauteile: Feldeekttransistor, NTC Widerstand,... Wichtiges zum Schluss: Halbleiter sind anfällig auf hohe Spannungen. Elektrostatische Entladungen sind tödlich für sämtliche elektronische Geräte, wenn diese an die Eingänge der Halbleiter gelangen. 7