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

Einordnung der Halbleiter zwischen Leitern und Nichtleitern mm2 m Spezifischer Widerstand unterschiedlicher Materialien in W Ge - i (25°C) Si - i (25°C) Porzellan Metalle PVC 10-4 100 104 108 1020 1016 1012 Nichtleiter . . . . . . . Halbleiter . . . . . . .Leiter Halbleiterphysik Prof. Goßner

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

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

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

Belegung der Elektronenschalen Die maximale Zahl von Elektronen auf einer Schale beträgt Nmax = 2×n2 (aber maximal 8 auf der äußersten Schale) äußerste Schale Edelgaskonfiguration 8 2 Nmax innere Schalen (98) (72) (50) 32 18 7 6 5 4 3 1 n Q P O N M L K Schale Halbleiterphysik Prof. Goßner

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

Verbindung mehrerer Atome 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 ? Abgabe aller Valenzelektronen (vorletzte Schale wird letzte) (wenn nur wenige Valenzelektronen vorhanden sind) Aufnahme von fremden Elektronen in die Valenzschale (wenn nur wenige Elektronen zur Edelgaskonfiguration fehlen) Gemeinsame Nutzung von Elektronenpaaren durch je zwei Atome Halbleiterphysik Prof. Goßner

Bindungsarten beim Aufbau von Kristallen Metallbindung Metallatome verbinden sich zu Kristallen ohne Beteiligung der Valenzelektronen Bei der Metallbindung trennen sich die Valenzelektronen von ihren Atomen Die ursprünglichen Valenzelektronen sind zwischen den Atomen frei beweglich (sog. Elektronengas) (Dichte freier Elektronen in einem Metall n  51022/cm3  sehr gute elektrische Leiter) Halbleiterphysik Prof. S. Goßner

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

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

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

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

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

Herstellung eines Halbleiterkristalls In der Regel wird für die Herstellung von Halbleiterbauelementen ein Einkristall z.B. aus hochreinem Silizium benötigt. In einem komplizierten Prozess wird aus Quarz (SiO2) hochreines Silizium gewonnen. 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. Halbleiterphysik Prof. Goßner