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1 HalbleiterphysikProf. Goßner Lernziel: Wie lassen sich Halbleiter in das System von Leitern und Nichtleitern einordnen ? Wie ist ein (Festkörper-)Halbleiter.

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1 1 HalbleiterphysikProf. Goßner Lernziel: Wie lassen sich Halbleiter in das System von Leitern und Nichtleitern einordnen ? Wie ist ein (Festkörper-)Halbleiter aufgebaut ? Welche Leitungsmechanismen sind im Halbleiter wirksam ? Einführung in die Physik der Halbleiter Am Ende der Lektion soll der Leser Antworten auf folgende und ähnliche Fragen geben können: Was versteht man unter einem Halbleiter ?

2 2 Einordnung der Halbleiter zwischen Leitern und Nichtleitern Halbleiterphysik Prof. Goßner mm 2 m Spezifischer Widerstand unterschiedlicher Materialien in Metalle Ge - i (25°C) Si - i (25°C) Porzellan PVC.....Leiter Nichtleiter Halbleiter..

3 3 Stromleitung Halbleiterphysik Prof. Goßner Was verstehen wir unter Stromfluß ? Gerichtete Bewegung von Ladungsträgern. Welche Ladungsträger gibt es ? Ionen Elektronen (in Elektrolyten, z.B. H + -Ionen) (Elektronenleitung insbesondere in Festkörpern) Löcher (?) (nur in Halbleitern). Ladungsträger finden sich im atomaren Bereich Betrachtung des atomaren Aufbaus der Halbleiter notwendig

4 4 Aufbau von Atomen Aufbau von Atomen (Bohrsches Atommodell) Halbleiterphysik Prof. Goßner Jedes Elektron trägt eine negative Elementarladung Ein Atom ist daher nach außen elektrisch neutral Die Zahl der Protonen und Elektronen ist gleich Jedes Proton trägt eine gleich große positive Elementarladung Die Ladungen eines Elektrons und eines Protons kompensieren sich gegenseitig Ein Neutron ist elektrisch neutral, Elektronen und Neutronen Ein Atom besteht aus Protonen

5 5 14P 14N 14P 14N 14P 14N K L M Aufbau von Atomen Aufbau von Atomen (Bohrsches Atommodell) Halbleiterphysik Prof. Goßner Protonen und Neutronen bilden den Atomkern Die Elektronen umkreisen den Atomkern Nur bestimmte Bahnradien sind möglich Man spricht von Elektronenschalen Die Schalen werden von innen nach außen mit K, L, M usw. benannt

6 6 Belegung der Elektronenschalen Halbleiterphysik Prof. Goßner äußerste Schale Edelgaskonfiguration N max innere Schalen (98)(72)(50)321882N max n QPONMLKSchale Die maximale Zahl von Elektronen auf einer Schale beträgt N max = 2 n 2 N max = 2 n 2 (aber maximal 8 auf der äußersten Schale)

7 7 Belegung der Elektronenschalen verschiedener Elemente Halbleiterphysik Prof. S. Goßner Zunahme des metallischen Charakters

8 8 Verbindung mehrerer Atome Halbleiterphysik Prof. Goßner Warum gehen Atome (Ver-)Bindungen mit anderen Atomen ein ? Sie versuchen die maximal mögliche Zahl von Elektronen auf der äußeren Elektronenschale zu erreichen. Wodurch läßt sich dies erreichen ? Aufnahme von fremden Elektronen in die Valenzschale (wenn nur wenige Elektronen zur Edelgaskonfiguration fehlen) Abgabe aller Valenzelektronen (vorletzte Schale wird letzte) (wenn nur wenige Valenzelektronen vorhanden sind) Gemeinsame Nutzung von Elektronenpaaren durch je zwei Atome

9 9 Bindungsarten beim Aufbau von Kristallen Metallbindung Metallbindung Metallatome verbinden sich zu Kristallen ohne Beteiligung der Valenzelektronen Halbleiterphysik Prof. S. Goßner Die ursprünglichen Valenzelektronen sind zwischen den Atomen frei beweglich (sog. Elektronengas) (Dichte freier Elektronen in einem Metall n /cm 3 sehr gute elektrische Leiter) Bei der Metallbindung trennen sich die Valenzelektronen von ihren Atomen

10 10 Bindung zweier Atome durch ein gemeinsames Elektronenpaar Bindungsarten beim Aufbau von Kristallen Halbleiterphysik Prof. S. Goßner Elektronenpaarbindung Elektronenpaarbindung Das Elektronenpaar besteht aus je einem Elektron der beiden Atome Die Elektronen eines Elektronenpaares sind an die Atome gebunden

11 11 Elektronenpaarbindungen im Wassermolekül Halbleiterphysik Prof. S. Goßner 8P 8N Sauerstoffatom 1P Wasserstoffatom 1P Elektronenpaar

12 12 Vereinfachte Darstellung eines Halbleiteratoms Halbleiterphysik Prof. S. Goßner 4 + Atomrumpf (Atomkern + innere Elektronenschalen) äußerste Elektronenschale

13 13 4 Elektronenpaarbindungen eines Halbleiteratoms 4+ Halbleiterphysik Prof. S. Goßner

14 14 4+ Aufbau eines Halbleiterkristalls Halbleiterphysik Prof. S. Goßner 4+

15 15 Herstellung eines Halbleiterkristalls Halbleiterphysik Prof. Goßner In einem komplizierten Prozess wird aus Quarz (SiO 2 ) hochreines Silizium gewonnen. In der Regel wird für die Herstellung von Halbleiterbauelementen ein Einkristall z.B. aus hochreinem Silizium benötigt. Aus einer Schmelze hochreinen Siliziums wird ein Einkristall mit zylindrischer Form und einem Durchmesser von z.B. 10 cm gezogen. Der Einkristall wird in dünne Scheiben zersägt (sog. Wafer), aus denen in weiteren Prozessen die gewünschten Halbleiter- Bauelemente hergestellt werden.


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