Halbleiter

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Halbleiter sind Festkörper, die abhängig von ihrer Temperatur elektrische Leiter oder Nichtleiter sind. Halbleiter können verschiedene chemische Strukturen besitzen. Unterschieden wird zwischen Elementhalbleitern, die aus einem einzigen Element aufgebaut sind, und Verbindungshalbleitern[1], hierbei speziell den organischen Halbleitern.

Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark temperaturabhängig. In der Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts sind Halbleiter Isolatoren. Bei Raumtemperatur sind sie je nach materialspezifischem Abstand von Leitungs- und Valenzband leitend oder nichtleitend. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern nimmt mit steigender Temperatur zu, sie gehören damit zu den Heißleitern. Des Weiteren lässt sich die Leitfähigkeit durch das Einbringen von Fremdatomen (Dotieren) aus einer anderen chemischen Hauptgruppe in weiten Grenzen gezielt beeinflussen.

Halbleiter werden in einkristalliner, polykristalliner und amorpher Form verwendet. Bedeutung haben Halbleiter für die Elektrotechnik und insbesondere für die Elektronik, hierbei kann ihre Leitfähigkeit durch Anlegen einer Steuerspannung oder eines Steuerstroms wie zum Beispiel beim Transistor an geeignete Strukturen verändert werden oder sie weisen eine richtungsabhängige Leitfähigkeit auf (Diode, Gleichrichter). Weitere Anwendungen sind Heißleiter, Varistoren, Strahlungssensoren (Photoleiter, Fotowiderstände, Photodioden beziehungsweise Solarzellen), thermoelektrische Generatoren, Peltierelemente sowie Strahlungs- beziehungsweise Lichtquellen (Laserdiode, Leuchtdiode).

Ein Wafer (einkristalline Silicium-Scheibe) mit mikroelektronischen Bauelementen

Geschichte[Bearbeiten]

Stephen Gray entdeckte 1727 den Unterschied zwischen Leiter und Nichtleiter. Nachdem Georg Simon Ohm 1821 das Ohmsche Gesetz aufstellte, womit die Proportionalität zwischen Strom und Spannung in einem elektrischen Leiter beschrieben wird, konnte auch die Leitfähigkeit eines Gegenstandes bestimmt werden.

Der Nobelpreisträger Ferdinand Braun entdeckte den Gleichrichtereffekt der Halbleiter 1874. Er schrieb: „[…] bei einer großen Anzahl natürlicher und künstlicher Schwefelmetalle […] der Widerstand derselben war verschieden mit Richtung, Intensität und Dauer des Stroms. Die Unterschiede betragen bis zu 30 % des ganzen Wertes.“ Er beschrieb damit erstmals, dass der ohmsche Widerstand veränderlich sein kann.

Greenleaf Whittier Pickard erhielt 1906 das erste Patent für eine auf Silicium basierende Spitzendiode zur Demodulation des Trägersignals in einem Detektorempfänger.[2][3] Anfangs wurde im gleichnamigen Empfänger („Pickard Crystal Radio Kit“) meistens Bleiglanz als Halbleiter verwendet, wobei in den 1920er Jahren robustere und leistungsfähigere Dioden auf Basis von Kupfersulfid-Kupfer-Kontakten entstanden. Die Funktionsweise des auf einem Halbleiter-Metall-Übergang basierenden Gleichrichtereffektes blieb trotz technischer Anwendung über Jahrzehnte ungeklärt. Erst Walter Schottky konnte 1939 die theoretischen Grundlagen zur Beschreibung der nach ihm benannten Schottky-Diode legen.

Das erste Patent zum Prinzip des Transistors wurde schon 1925 von Julius Edgar Lilienfeld (US-Physiker österreichisch-ungarischer Abstammung) angemeldet [4]. Lilienfeld beschreibt in seiner Arbeit ein elektronisches Bauelement, welches im weitesten Sinne mit heutigen Feldeffekttransistoren vergleichbar ist, ihm fehlten seinerzeit die notwendigen Technologien, Feldeffekttransistoren praktisch zu realisieren [5].

Als 1947 in den Bell Laboratories die Wissenschaftler John Bardeen, William Bradford Shockley und Walter Houser Brattain zwei Metalldrahtspitzen auf ein Germaniumplättchen steckten und somit die p-leitende Zone mit der zweiten Drahtspitze mit einer elektrischen Spannung steuern konnten, war der Spitzentransistor (Bipolartransistor) realisiert worden. Dies brachte ihnen den Physik-Nobelpreis von 1956 ein und begründete die Mikroelektronik.

Die Herstellung von hochreinem Silicium gelang 1954 Eberhard Spenke und seinem Team in der Siemens & Halske AG mit dem Zonenschmelzverfahren. Dies brachte Mitte der 1950er Jahre zusammen mit der Verfügbarkeit eines Isolationsmaterials (Siliciumdioxid) mit günstigen Eigenschaften (nicht wasserlöslich wie Germaniumoxid, einfach herstellbar, usw.) den Durchbruch von Silicium als Halbleitermaterial für die Elektronikindustrie und etwa 30 Jahre später auch für die ersten Produkte der Mikrosystemtechnik. Für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen wird heute (2009) fast ausschließlich mit dem Czochralski-Verfahren kostengünstiger hergestelltes Silicium verwendet.

Alan Heeger, Alan MacDiarmid und Hideki Shirakawa zeigten 1976, dass bei einer Dotierung von Polyacetylen – einem Polymer, das im undotierten Zustand ein Isolator ist – mit Oxidationsmitteln der spezifische elektrische Widerstand bis zu 10−5 Ω·m (Silber: ≈ 10−8 Ωm) sinken kann. Im Jahre 2000 erhielten sie dafür den Chemienobelpreis (siehe Abschnitt organische Halbleiter).[6] [7]

Einteilung[Bearbeiten]

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In der Mikroelektronik verwendeten klassischen Halbleiter lassen sich in zwei Gruppen einordnen, den Elementhalbleitern und den Verbindungshalbleitern. Zu den Elementhalbleitern zählen Elemente mit vier Valenzelektronen, beispielsweise Silizium (Si) und Germanium (Ge). Die Gruppe der Verbindungshalbleiter umfasst Chemische Verbindungen, die im Mittel vier Valenzelektronen besitzen. Dazu zählen Verbindungen von Elementen der III. mit der V. Hauptgruppe des Periodensystems (III-V-Halbleiter), wie Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumantimonid (InSb), und der II. Neben- mit der VI. Hauptgruppe (II-VI-Halbleiter), wie Zinkselenid (ZnSe) oder Cadmiumsulfid (CdS).

Neben diesen häufig eingesetzten Halbleitern gibt es noch die I-VII-Halbleiter, wie Kupfer(I)-chlorid. Auch Materialien, die im Durchschnitt nicht vier Valenzelektronen haben, können als Halbleiter bezeichnet werden, wenn sie einen spezifischen Widerstand im Bereich von größer 10−4 Ω·m und kleiner 106 Ω·m haben.

Eine weitere große Klasse sind die organischen Halbleiter. Als organisch werden sie bezeichnet, weil sie hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Sie werden unterteilt in halbleitende Polymere (unterschiedlich lange Ketten aus einzelnen Monomeren) und kleine Moleküle (einzelne, abgeschlossene Einheiten). Obwohl Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren und deren Derivate streng genommen auch kleine Moleküle darstellen, werden sie oft als alleinstehende Untergruppe wahrgenommen. Klassische Beispiele für organische Halbleiter sind P3HT (Poly-3-hexylthiophen, Polymer), Pentacen (kleines Molekül) oder PCBM (Phenyl-C61-butyric acid methyl ester, Fulleren-Derivat). Eingesetzt werden organische Halbleiter in Leuchtdioden (OLEDs), Solarzellen (OPVs) und Feldeffekttransistoren.

Mehrere halbleitende Moleküle oder Atome bilden im Verbund einen Kristall oder erzeugen einen ungeordneten (amorphen) Festkörper. Grob können die meisten anorganischen Halbleiter als kristallin, die meisten organischen Halbleiter als amorph klassifiziert werden. Ob jedoch wirklich ein Kristall oder ein amorpher Festkörper gebildet wird hängt im wesentlichen vom Herstellungsprozess ab. So kann beispielsweise Silizium kristallin (c-Si) oder amorph (a-Si) sein, beziehungsweise auch eine polykristalline Mischform (nc-Si) bilden. Ebenso existieren Einkristalle aus organischen Molekülen.

Chemische Einteilung
Elementhalbleiter Verbindungshalbleiter Organische Halbleiter
Ge, Si, α-Sn, C (Fullerene), B, Se, Te III-V: GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, AlN, InN, AlxGa1-xAs, InxGa1-xN Tetracen, Pentacen, Phthalocyanine, Polythiophene, PTCDA, MePTCDI, Chinacridon, Acridon, Indanthron, Flavanthron, Perinon, Alq3
Unter Druck: Bi, Ca, Sr, Ba, Yb, P, S, I II-VI: ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, Hg(1-x)Cd(x)Te, BeSe, BeTe, HgS Mischsysteme: Polyvinylcarbazol, TCNQ Komplexe
  III-VI: GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe, InTe  
  I-III-VI: CuInSe2, CuInGaSe2, CuInS2, CuInGaS2  
  IV-IV: SiC, SiGe  
  IV-VI: SnTe  

Kristalline Halbleiter[Bearbeiten]

Physikalische Grundlagen[Bearbeiten]

Die Halbleitereigenschaften von Stoffen gehen auf ihre chemischen Bindungen und somit ihren atomaren Aufbau zurück. Halbleiter können in unterschiedlichen Strukturen kristallisieren, so kristallisieren Silicium und Germanium in der Diamantstruktur (rein kovalente Bindung), III-V- und II-VI-Verbindungshalbleiter hingegen meist in der Zinkblende-Struktur (gemischt kovalent-ionische Bindung).

Typisches Bändermodell von Metallen, Eigenhalbleiter und Isolatoren (E = Energie – kann mit Arbeit W gleichgesetzt werden; x = räumliche Ausdehnung in eindimensionaler Richtung); EF stellt die Lage der Fermienergie bei T = 0 K dar.

Die grundlegenden Eigenschaften von kristallinen Halbleitern lassen sich anhand des Bändermodells erklären: Die Elektronen in Festkörpern wechselwirken über sehr viele Atomabstände hinweg miteinander. Dies führt faktisch zu einer Aufweitung der (im Einzelatom noch als diskrete Niveaus vorliegenden) möglichen Energiewerte zu ausgedehnten Energiebereichen, den sogenannten Energiebändern. Da die Energiebänder je nach Aufweitung und Atomart verschieden zueinander liegen, können Bänder sich überlappen oder durch Energiebereiche, in denen nach der Quantenmechanik keine erlaubten Zustände existieren (Energie- oder Bandlücke), getrennt sein.

Bei Halbleitern sind nun das höchste besetzte Energieband (Valenzband) und das nächsthöhere Band (Leitungsband) durch eine Bandlücke getrennt. Das Ferminiveau liegt genau in der Bandlücke. Bei einer Temperatur in der Nähe des absoluten Nullpunktes ist das Valenzband voll besetzt und das Leitungsband vollkommen frei von Ladungsträgern. Da unbesetzte Bänder mangels beweglicher Ladungsträger keinen elektrischen Strom leiten und Ladungsträger in vollbesetzten Bändern mangels erreichbarer freier Zustände keine Energie aufnehmen können, was zu einer beschränkten Beweglichkeit führt, leiten Halbleiter den elektrischen Strom nicht bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt.

Für den Leitungsvorgang sind teilbesetzte Bänder notwendig, die bei Metallen durch eine Überlappung der äußeren Bänder bei jeder Temperatur zu finden sind. Dies ist – wie oben erwähnt – bei Halbleitern und Isolatoren nicht gegeben. Die Bandlücke („verbotenes Band“ oder „verbotene Zone“ genannt) bei Halbleitern ist im Gegensatz zu Isolatoren (EG > 4 eV[8]) jedoch relativ klein (InAs: ≈ 0,4 eV, Ge: ≈ 0,7 eV, Si: ≈1,1 eV, GaAs: ≈ 1,4 eV, SiC: ≈ 2,39 - 3,33 eV, Diamant: ≈ 5,45 eV), so dass beispielsweise durch die Energie der Wärmeschwingungen bei Raumtemperatur oder durch Absorption von Licht Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt werden können. Halbleiter haben also eine intrinsische, mit der Temperatur zunehmende elektrische Leitfähigkeit. Deshalb werden Halbleiter auch zu den Heißleitern gezählt. Der Übergang von Halbleitern zu Isolatoren ist fließend. So wird beispielsweise Galliumnitrid (GaN; Einsatz in blauen LEDs) mit einer Bandlückenenergie von ≈ 3,2 eV ebenfalls zu den Halbleitern gezählt. Halbleiter mit einer Bandlücke deutlich größer als 1 eV werden auch als Halbleiter mit großer Bandlücke (englisch wide-bandgap semiconductor) bezeichnet.

Wird, wie oben beschrieben, ein Elektron in einem Halbleiter aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt, so hinterlässt es an seiner ursprünglichen Stelle ein Defektelektron, „Loch“ genannt. Gebundene Valenzelektronen in der Nachbarschaft solcher Löcher können durch Platzwechsel in ein Loch „springen“, hierbei wandert das Loch. Es kann daher als bewegliche positive Ladung aufgefasst werden. Sowohl die angeregten Elektronen als auch die Defektelektronen tragen somit zur elektrischen Leitung bei.

Elektronen aus dem Leitungsband können mit den Defektelektronen rekombinieren (Elektron-Loch-Rekombination). Dieser Übergang zwischen den beteiligten Niveaus kann unter Abgabe von elektromagnetischer Rekombinationsstrahlung (Photon) und/oder unter der Abgabe eines Impulses an das Kristallgitter (Phonon) erfolgen.

Direkte und indirekte Halbleiter[Bearbeiten]

Bandstruktur eines indirekten Halbleiters
Bandstruktur eines direkten Halbleiters

Halbleiter werden in zwei Gruppen eingeteilt, die direkten und die indirekten Halbleiter. Ihre unterschiedlichen Eigenschaften lassen sich nur durch die Betrachtung der Bandstruktur im sogenannten Impulsraum verstehen: Die Ladungsträger im Halbleiter lassen sich als Materiewellen mit einem Quasiimpuls auffassen. Innerhalb eines Bandes hängt die Energie vom Quasiimpuls (oft als Wellenvektor angegeben) ab.

Die Extremwerte der Energie innerhalb der Bänder, also die Bandkanten, liegen bei unterschiedlichen Wellenvektoren - wo genau, hängt vom Material und der Struktur ab. Wenn ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband angeregt wird, so ist es energetisch am günstigsten (und somit am wahrscheinlichsten), wenn es vom Maximum des Valenzbandes zum Minimum des Leitungsbandes angeregt wird.

Liegen diese Extrema nahezu beim gleichen Quasiimpuls, ist eine Anregung zum Beispiel durch ein Photon ohne weiteres möglich, da das Elektron lediglich seine Energie, nicht aber seinen Impuls ändern muss. Man spricht von einem direkten Halbleiter. Liegen die Extrema jedoch bei unterschiedlichen Quasiimpulsen, so muss das Elektron zusätzlich zu seiner Energie auch seinen Impuls ändern, um ins Leitungsband angeregt zu werden. Dieser Impuls kann nicht von einem Photon (welches einen sehr kleinen Impuls hat) stammen, sondern muss von einer Gitterschwingung (auch Phonon) beigesteuert werden.

Bei der Rekombination von Elektronen-Loch-Paaren gilt im Prinzip dasselbe. In einem direkten Halbleiter kann bei der Rekombination ein Lichtquant ausgesandt werden. Bei einem indirekten Halbleiter hingegen müsste zum Photon für die Energie noch ein Phonon für den Impuls erzeugt (oder absorbiert) werden und die strahlende Rekombination wird weniger wahrscheinlich. Es dominieren dann oft andere, nicht strahlende Rekombinationsmechanismen, z. B. über Verunreinigungen. Hieraus folgt, dass nur direkte Halbleiter zur effektiven Strahlungserzeugung verwendet werden können. Direkte und indirekte Halbleiter werden mittels Absorptionsversuch voneinander unterschieden. In der Regel sind Elementhalbleiter (Silicium, Germanium) und Verbindungshalbleiter aus der IV. Hauptgruppe indirekt und Verbindungshalbleiter aus verschiedenen Hauptgruppen (III/V: GaAs, InP, GaN) direkt.

Bei einer Bandstruktur, bei der nahe der Leitungs- oder Valenzbandkante verschiedene Punkte im Impulsraum möglich sind, kann es zum sogenannten Gunn-Effekt kommen.

Eigenhalbleiter und Störstellenhalbleiter[Bearbeiten]

Die Dichte freier Elektronen und Löcher in reinen, das heißt undotierten, Halbleitern werden intrinsische Ladungsträgerdichte oder Eigenleitungsdichte genannt – ein Eigenhalbleiter wird deshalb auch intrinsischer Halbleiter genannt, der dominierende Leitungsmechanismus ist die Eigenleitung. Die Ladungsträgerdichte im undotierten Halbleiter ist stark von der Temperatur abhängig und steigt mit ihr an. Wird dagegen die Konzentration der Ladungsträger im Leitungsband (Elektronen) beziehungsweise im Valenzband (Löcher) durch den Dotierstoff bestimmt, spricht man von einem Störstellenhalbleiter oder extrinsischen Halbleiter – hier ist der dominierende Leitungsmechanismus die Störstellenleitung.

Dotierung und Störstellenleitung[Bearbeiten]

Donatoren und Akzeptoren[Bearbeiten]

Durch das Einbringen von Störstellen in einen Halbleiterkristall können die elektrischen Eigenschaften des (reinen) Halbleiters beeinflusst werden. Störstellen sind Fremdatome, welche sich beispielsweise in ihrer Wertigkeit von den Atomen des Wirtsmaterials unterscheiden, Beispiele sind Bor oder Phosphor in einem Siliciumkristall. Der Vorgang wird allgemein als Dotierung beziehungsweise als „Dotieren“ bezeichnet. Außerdem können durch örtlich begrenztes Dotieren die Kombination von unterschiedlich dotierten Gebieten verschiedene Bauelemente, z. B. ein Bipolartransistor, hergestellt werden.

Das Einbringen von Störstellen erzeugt zusätzliche, örtlich gebundene Energieniveaus im Banddiagramm des Kristalls. Die Niveaus liegen im Allgemeinen in der für das Wirtsmaterial ansonsten vorhandenen Energielücke (Bandlücke) zwischen Valenz- und Leitungsband. Durch die im Vergleich zu undotierten Halbleitern geringeren Energiedifferenzen der „Zwischenniveaus“ zum Valenz- beziehungsweise Leitungsband können diese Niveaus leichter angeregt werden und so bewegliche Ladungsträger zur Verfügung stellen. Das Chemische Potential verschiebt sich aus der Mitte der Bandlücke in die Nähe der zusätzlichen Niveaus. Es stehen daher mehr Ladungsträger für die Leitung des elektrischen Stroms zur Verfügung, was sich in einer gegenüber dem reinen Halbleiter erhöhten Leitfähigkeit äußert. Man nennt diesen Leitungsmechanismus daher auch Störstellenleitung. Es werden dabei zwei Arten von Störstellen unterschieden: Donatoren und Akzeptoren.

Übliche Dotiergrade
Stärke / Substrat n-leitend p-leitend
Normale Dotierung / Silicium ein Donator auf 107 ein Akzeptor auf 106
Starke Dotierung / Silicium ein Donator auf 104 ein Akzeptor auf 104

Als (Elektronen-)Donatoren (lat. donare = schenken) werden Fremdatome bezeichnet, die ein Elektron mehr im Valenzband haben als der reine Halbleiter, man bezeichnet solche Gebiete auch als n-dotierte Halbleiter. Werden solche Fremdatome in den Halbleiter eingebracht (substituiert), so bringt jedes dieser Fremdatome (im Fall von mit Phosphor dotiertem Silicium) ein Elektron mit, das nicht für die Bindung benötigt wird und leicht abgelöst werden kann. Es bildet sich ein Störstellenniveau in der Nähe der unteren Energie des Leitungsbandes.

Analog werden als (Elektronen-)Akzeptoren (lat. accipere = annehmen) Fremdatome bezeichnet, die ein Elektron weniger im Valenzband haben. Dieses Elektron fehlt für die Bindung zum Nachbaratom. Sie wirken als ein zusätzliches Defektelektron (Loch) mit (p-Dotierung), welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann – daher findet sich auch in einigen Betrachtungen der Begriff Löcherdonatoren. Im Bänderschema liegt ein solches Störstellenniveau nahe oberhalb der Valenzbandkante.

In einem intrinsischen Halbleiter sind die Ladungsträgerkonzentrationen von Elektronen und Löchern gleich (Elektronen-Loch-Paare). Daher sind beide Ladungsträgerarten näherungsweise zu gleichen Teilen am Ladungstransport beteiligt. Durch das Einbringen von Donatoren und Akzeptoren lässt sich dieses Gleichgewicht gezielt beeinflussen. Bei Dotierung mit Donatoren sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband, bei Dotierung mit Akzeptoren die gedachten, positiv geladenen Löcher im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. Im ersten Fall spricht man von Elektronenleitung oder n-Leitung (n → negativ), im anderen Fall von Löcherleitung oder p-Leitung (p → positiv). Halbleiterbereiche mit Elektronenüberschuss bezeichnet man (wie oben erwähnt) als n-dotiert, solche mit Mangel, also mit „Löcherüberschuss“, als p-dotiert. Im n-Leiter werden die Elektronen als Majoritätsladungsträger (mehrheitlich vorhandene Ladungsträger), die Löcher als Minoritätsladungsträger bezeichnet, im p-Leiter gilt die entsprechende Umkehrung. Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen (siehe p-n-Übergang) kann man einzelne, sogenannte diskrete Halbleiterbauelemente wie Dioden und Transistoren und komplexe, aus vielen Bauelementen in einem einzigen Kristall aufgebaute integrierte Schaltungen aufbauen.

Leitungsmechanismen in dotierten Halbleitern[Bearbeiten]

Leitungsmechanismen im dotierten und undotierten Halbleiter in Abhängigkeit von der Temperatur

Am absoluten Nullpunkt (T = 0 K) unterscheiden sich dotierte und undotierte Halbleiter hinsichtlich der Ladungsträgerdichte nicht – es steht nicht ausreichend Energie zur Verfügung, um Elektronen in das Leitungsband oder auf Störstellenniveaus anzuregen. Wird die Temperatur erhöht (damit steigt die zur Verfügung stehende Energie durch thermische Anregung), ändern sich die Verhältnisse. Da die energetischen Abstände der Störstellen zum Valenz- beziehungsweise Leitungsband sehr viel geringer als der Bandabstand sind, können Elektronen vom Donatorniveau ins Leitungsband beziehungsweise Löcher vom Akzeptorniveau ins Valenzband angeregt werden. Es stehen in Abhängigkeit von der Temperatur freie Ladungsträger zur Verfügung, die Leitfähigkeit von dotierten Halbleitern steigt. Da noch nicht alle Störstellenniveaus ionisiert beziehungsweise besetzt sind, bezeichnet man diesen Bereich als Störstellenreserve. Wird die Temperatur weiter erhöht, bis alle Störstellenniveaus ionisiert beziehungsweise besetzt sind, spricht man von Störstellenerschöpfung. Die Ladungsträgerdichte und somit die Leitfähigkeit hängt in diesem Bereich im Wesentlichen nur noch von der Dotierungskonzentration ab. Bei noch weiterer Erhöhung der Temperatur steht anschließend genug Energie zur Verfügung um Elektronen direkt vom Valenzband in das Leitungsband anzuheben. Da typische Dotierungskonzentrationen deutlich geringer sind als die Anzahl der Halbleiteratome (mindestens 6 Größenordnungen) überwiegt die Ladungsträgergeneration von Elektron-Loch-Paaren, dieser Bereich wird als intrinsisch oder Eigenleitung des Halbleiters bezeichnet.

Grenzflächen[Bearbeiten]

Durch die Kombination eines p-dotierten und eines n-dotierten Halbleiters entsteht an der Grenzfläche ein p-n-Übergang. Die Kombination eines dotierten Halbleiters mit einem Metall (z. B. Schottky-Diode) oder einem Nichtleiter ist ebenfalls von Interesse, und wenn zwei Halbleiter, beispielsweise Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid, übereinander liegen, entsteht ein Heteroübergang. Dabei sind nicht nur p-n-Übergänge von Bedeutung, sondern ebenfalls p-p-Übergänge und n-n-Übergänge, die sogenannten isotypen Hetero-Übergänge, die beispielsweise in einem Quantentopf verwendet werden.

In jüngster Zeit gibt es Anstrengungen, Halbleiter, Supraleiter und Silicium- und III-V-Halbleiter auf einem Chip zusammenzuführen. Da die Kristallstrukturen nicht kompatibel sind, entstehen in der Grenzfläche Brüche und Gitterfehler, wenn es nicht gelingt, geeignete Materialien für eine wenige Atomlagen dicke Zwischenschicht zu finden, in der die Gitterabstände sich angleichen können.[9]

Semimagnetische Halbleiter[Bearbeiten]

Semimagnetische Halbleiter gehören zur Gruppe der Verbindungshalbleiter (englisch compound semiconductors). Es handelt sich um Verbindungen wie Indiumantimonid (InSb), die mit wenigen Prozent Mangan (Mn) dotiert sind und semimagnetische Eigenschaften noch bei Raumtemperatur zeigen.[10] Auch Indiumarsenid (InAs) und Galliumarsenid (GaAs) zeigen, bei hoher Dotierung mit Mangan und dann als InMnAs bzw. GaMnAs bezeichnet, semimagnetische Eigenschaften. Die Curietemperatur liegt bei InMnAs bei ca. 50-100 K und bei GaMnAs bei 100-200 K und damit unter Raumtemperatur.[11] Eine charakteristische Eigenschaft dieser semimagnetischen Halbleiter ist der große Zeeman-Effekt. Im Englischen nennt man semimagnetische Halbleiter diluted magnetic semiconductors, da sie magnetisch verdünnt sind.

Organische Halbleiter[Bearbeiten]

Hauptartikel: organischer Halbleiter

Im Allgemeinen sind organische Materialien elektrisch isolierend. Besitzen Moleküle oder Polymere ein konjugiertes Bindungssystem, bestehend aus Doppelbindungen, Dreifachbindungen und aromatischen Ringen, können auch diese elektrisch leitend werden und als organische Halbleiter verwendet werden. Als erstes wurde dies 1976 bei Polyacetylen beobachtet[12]. Polyacetylen ist ein unverzweigtes Polymer mit abwechselnder Doppelbindung und Einfachbindung (–C=C–C=C–). Wird diesem Kunststoff noch ein Akzeptor wie etwa Chlor, Brom oder Iod angefügt (oxidative Dotierung), liegen zusätzliche Löcher vor. Durch das Hinzufügen von einem Donator wie etwa Natrium (reduktive Dotierung) erhält der Kunststoff zusätzliche Elektronen. Durch diese chemische Änderung brechen die Doppelbindungen auf, und es entsteht ein durchgehendes Leitungsband: Das ursprünglich nichtleitende Polymer wird elektrisch leitend. Besitzen Moleküle oder Polymere auch im undotierten Zustand halbleitende Eigenschaften, spricht man wie bei anorganischen Halbleitern von der intrinsischen Leitfähigkeit (Eigenleitfähigkeit), z. B. Pentacen oder Poly(3-Hexylthiophen). Wenn der Kunststoff in Form einer dünnen Schicht (etwa 5 nm bis 1 µm dick) erzeugt wird, ist er geordnet genug, um eine elektrisch ununterbrochene Schicht zu bilden.

Anwendungsbereiche[Bearbeiten]

Mikroprozessor

Halbleiter werden in der Elektronik in vielfältiger Form verwendet. Das zugehörige Teilgebiet wird als Halbleiterelektronik bezeichnet. Dazu zählen vor allem die halbleiterbasierten integrierten Schaltungen (ICs, wie Mikroprozessoren, Mikrocontroller, usw.) und diverse Bauelemente der Leistungselektronik (z. B. IGBTs). Weitere Anwendungsbereiche mit zunehmender Bedeutung sind die Photovoltaik (Solarzellen) sowie Detektoren und Strahlungsquellen in der Optik und Optoelektronik (zum Beispiel Fotodetektoren und Leuchtdioden). Der Fachbereich, der sich mit der Herstellung von halbleiterbasierten mikroelektronischer Bauelemente und Baugruppen befasst wird als Halbleitertechnik bezeichnet. Voraussetzung ist die Kenntnis, wie der Halbleiter bearbeitet werden muss, um das gewünschte elektrische Verhalten zu erreichen. Dazu gehört das Dotieren des Halbleiters und das Gestalten der Grenzfläche zwischen Halbleiter und einem weiteren Material.

Wirtschaft[Bearbeiten]

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Weltweite Umsätze mit Halbleitern von 1993 bis 2007

Der Markt für Polysilicium ist zurzeit (2010) im Umbruch. Nachdem Polysilicium aufgrund der hohen Bedarfe aus dem Solarmarkt in 2008/2009 stark nachgefragt wurde, stieg der Preis stark. Dies hat eine Reihe von Firmen dazu veranlasst, mit der Errichtung neuer Produktionsanlagen zu beginnen. Die etablierten Hersteller erweiterten zudem ihre Kapazitäten. Daneben drängen neue Anbieter – vor allem aus Asien – auf den Markt. Welcher dieser Hersteller in der Lage sein wird, seine Anlagen wie angekündigt in Betrieb zu nehmen und bei stark gefallenen Preisen noch profitabel zu agieren, ist unsicher.[13] [14]

Der weltweit größte Hersteller von Wafern ist das japanische Unternehmen Shin-Etsu Handotai (SEH) mit einem Wafer-Umsatz von 4 Milliarden Dollar im Jahre 2007. Der weltweit zweitgrößte, ebenfalls japanische Hersteller Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp. (Sumco) hatte im selben Jahr einen Umsatz von 2,7 Milliarden Dollar. Dem folgen die deutsche Siltronic AG (Wacker) mit 1,8 Milliarden Dollar und das amerikanische Unternehmen MEMC Electronic Materials mit 1,2 Milliarden Dollar. Diese vier Unternehmen teilen sich etwa 75 % des gesamten Wafermarktes von 12,5 Milliarden Dollar.[15]

Während der weltweiten Finanzkrise halbierten sich die Umsätze nahezu, 2009 wurde nur noch Silicium für 6,7 Milliarden $ umgesetzt. Bereits 2010 hatten sich die Umsätze schon wieder auf 9,7 Milliarden $ erholt.[16]

Siehe auch[Bearbeiten]

 Portal: Mikroelektronik – Übersicht zu Wikipedia-Inhalten zum Thema Mikroelektronik

Literatur[Bearbeiten]

  • Peter Y. Yu, Manuel Cardona: Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties. 3. Auflage. Springer 2004, ISBN 3-540-41323-5.
  • Marius Grundmann: The Physics of Semiconductors. An Introduction Including Device and Nanophysics, Springer 2006, ISBN 3-540-25370-X.
  • Simon M. Sze, Kwok K. Ng: Physics of Semiconductor Devices. 3. Auflage. John Wiley & Sons 2006, ISBN 0-471-14323-5.
  • Michael Reisch: Halbleiter-Bauelemente, Springer 2004, ISBN 3-540-21384-8.
  • Ulrich Hilleringmann: Silizium-Halbleitertechnologie, Teubner 2004, ISBN 3-519-30149-0.
  • Bernhard Hoppe: Mikroelektronik 1., Vogel Fachbuch Kamprath-Reihe. 1997. ISBN 3-8023-1518-9.
  • Werner Gans: Die Kunst, Kunststoffe unter Strom zu setzen. Nobelpreis für Chemie 2000. In: Spektrum der Wissenschaft Nr. 12, 2000, S. 16–19.
  •  Kai Handel: Anfänge der Halbleiterforschung und -entwicklung. Dargestellt an den Biographien von vier deutschen Halbleiterpionieren. Aachen 1999 (Doktorarbeit, PDF).

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Halbleiter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Halbleiter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Graham Chedd: Halbmetalle. Verlag DVA, Stuttgart 1971, ISBN 3-421-02246-1.
  2. Patent US836531: Means For Receiving Intelligence Communicated By Electric Waves. Veröffentlicht am 20. November 1905, Erfinder: Greenleaf Whittier Pickard.
  3. Jed Margolin: The Road to the Transistor. 2004.
  4. Patent US1745175: Method and Apparatus For Controlling Electric Currents. Erfinder: Julius Edgar Lilienfeld (Erstanmeldung am 22. Oktober 1925 in Kanada.).
  5. Reinhold Paul: Feldeffekttransistoren – physikalische Grundlagen und Eigenschaften. Verlag Berliner Union [u. a.], Stuttgart 1972, ISBN 3-408-53050-5.
  6.  Hideki Shirakawa, Edwin J. Louis, Alan G. MacDiarmid, Chwan K. Chiang, Alan J. Heeger: Synthesis of electrically conducting organic polymers: halogen derivatives of polyacetylene, (CH)x. In: J. Chem. Soc., Chem. Commun.. Nr. 16, 1977, S. 578-580, doi:10.1039/C39770000578.
  7.  C. K. Chiang, C. R. Fincher, Y. W. Park, A. J. Heeger, H. Shirakawa, E. J. Louis, S. C. Gau, A. G. MacDiarmid: Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene. In: Physical Review Letters. 39, Nr. 17, 1977, S. 1098–1101, doi:10.1103/PhysRevLett.39.1098.
  8.  Arnold F. Holleman, Egon Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. Walter de Gruyter, 1995, ISBN 9783110126419, S. 1313.
  9. Welt der Technik: Supraleitende Chips - reine Zukunftsmusik?
  10. Muons in Magnetic Semiconductors. Triumf.info. Abgerufen am 19. September 2010.
  11. H. Ohno, A. Shen, F. Matsukura, A. Oiwa, A. Endo, S. Katsumoto, Y. Iye: (Ga,Mn)As: A new diluted magnetic semiconductor based on GaAs. In: Applied Physics Letters. 69, Nr. 3, 15. Juli 1996, S. 363–365. Bibcode: 1996ApPhL..69..363O. doi:10.1063/1.118061.
  12. C. K. Chiang et al.: Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene. In: Physical Review Letters 39, 1977, S. 1098–1101.
  13. Robert Schramm, Lauren Licuanan: Feedback form Solar Silicon Conference. 28. April 2010.
  14. Timothy Lam: Asia Solar View – May 2010, 3. Mai 2010.
  15. Gartner Says Worldwide Silicon Wafer Revenue Reached $12.5 Billion in 2007. Gartner, Inc., 11. Juni 2008, abgerufen am 5. Mai 2010 (Pressemitteilung).
  16. Semi.org