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1 Eigenleitung von Halbleitern Halbleiterphysik Prof. Goßner Unter Eigenleitung versteht man die Stromleitung im reinen (nicht verunreinigten) Halbleiter.

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1 1 Eigenleitung von Halbleitern Halbleiterphysik Prof. Goßner Unter Eigenleitung versteht man die Stromleitung im reinen (nicht verunreinigten) Halbleiter Die Betrachtung der Leitungsmechanismen der Eigenleitung erfolgt daher in zwei Schritten: bei T = 0 K und bei T > 0 K Die Eigenleitung ist sehr stark temperaturabhängig

2 2 4+ Eigenleitung von Halbleitern Temperatur = 0 K Temperatur = 0 K Halbleiterphysik Prof. S. Goßner Alle Valenzelektronen sind in Paarbindungen festgehalten Es sind keine freien Elektronen vorhanden Der Halbleiter verhält sich wie ein Isolator

3 3 4+ Eigenleitung von Halbleitern Halbleiterphysik Prof. S. Goßner Temperatur > 0 KTemperatur > 0 K Temperatur > 0K bedeutet Energiezufuhr zu den Atomen und ihren (Valenz-)Elektronen Energiereichste Elektronen brechen aus den Elektronenpaarbindungen aus

4 4 Ladungsträger-Generation Halbleiterphysik Prof. Goßner freies Elektron Beim Aufbrechen einer Elektronenpaarbindung entsteht ein freies, d.h. ein bewegliches Elektron

5 5 Ladungsträger-Generation An der Ursprungsstelle des Elektrons bleibt eine defekte Elektronenpaarbindung zurück (sog. Defektelektron) Wegen des fehlenden Elektrons ist diese Stelle positiv geladen (nicht kompensierte Ladung eines Protons) Halbleiterphysik Prof. Goßner Loch Die Konzentration n der freien Elektronen ist gleich der Konzentration p der Löcher n = p freies Elektron Der positiv geladene Bereich um das Defektelektron wird Loch genannt Da freie Elektronen und Löcher immer paarweise entstehen, spricht man von Paarbildung

6 6 Ionisierungsenergie Halbleiterphysik Prof. S. Goßner Loch Die Ionisierungsenergie beträgt bei Germanium ca. W 0,7 eV bei Silizium ca. W 1,1 eV Zum Auftrennen einer Elektronenpaarbindung ist Energie erforderlich W freies Elektron

7 4 + Loch 4 + Dadurch wandert das Loch zum Nachbaratom Ein Loch kann wandern Halbleiterphysik Prof. Goßner Löcherwanderung Ein Nachbarelektron wechselt zur defekten Paarbindung (in das Loch)

8 Rekombination Rekombination Auslöschung eines freien Elektrons und eines Loches 4 + freies Elektron Loch Halbleiterphysik Prof. Goßner 4 + Ein freies Elektron kann von einem Loch eingefangen werden Das Loch verschwindet, das Elektron ist nicht mehr frei Die Rekombination ist das Gegenstück zur Paarbildung

9 9 Gleichgewicht zwischen Paarbildung und Rekombination Halbleiterphysik Prof. Goßner Thermisches Gleichgewicht Bei einer bestimmten Konzentration von Elektronen und Löchern treten gleich viele Rekombinationen wie Paarbildungen auf (Gleichgewicht zwischen Generation und Rekombination) Durch thermische Generation entstehen ständig neue bewegliche Elektronen und Löcher Die Zahl der freien Ladungsträger wächst jedoch nicht unbegrenzt an

10 10 Gleichgewicht zwischen Paarbildung und Rekombination Halbleiterphysik Prof. Goßner Thermisches Gleichgewicht Steigt die Temperatur, dann stellt sich ein Gleichgewicht bei höherer Ladungsträgerkonzentration ein Die Gleichgewichtskonzentration ist temperaturabhängig steigt die Generationsrate

11 11 Ladungsträgerkonzentration bei Eigenleitung Halbleiterphysik Prof. Goßner n = p = n i = f(T) Im thermischen Gleichgewicht gilt: n = p = n i = f(T) (n i = Intrinsic-Zahl = Ladungsträgerkonzentration des reinen Halbleiters) Bei reiner Eigenleitung ist die Konzentration von freien Elektronen und Löchern gleich

12 12 Gleichgewichtskonzentration Halbleiterphysik Prof. Goßner Werte der Intrinsic-Dichte n i bei T = 300 K Für Germanium:n i = 2, /cm 3 Für Silizium:n i = 1, /cm 3 Im Vergleich zu den Metallen mit n /cm 3 sind Halbleiter schlechte Leiter Die Intrinsic-Dichte verdoppelt sich etwa bei einer Temperaturerhöhung um T = 10 K


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