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

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

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

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

Ladungsträger-Generation Der positiv geladene Bereich um das Defektelektron wird „Loch“ genannt Wegen des fehlenden Elektrons ist diese Stelle positiv geladen (nicht kompensierte Ladung eines Protons) Da freie Elektronen und Löcher immer paarweise entstehen, spricht man von Paarbildung An der Ursprungsstelle des Elektrons bleibt eine defekte Elektronenpaarbindung zurück (sog. Defektelektron) 4 + freies Elektron Loch Die Konzentration n der freien Elektronen ist gleich der Konzentration p der Löcher n = p Halbleiterphysik Prof. Goßner

Ionisierungsenergie W Zum Auftrennen einer Elektronenpaarbindung ist Energie erforderlich 4 + freies Elektron Loch W Die Ionisierungsenergie beträgt bei Germanium ca. W  0,7 eV bei Silizium ca. W  1,1 eV Halbleiterphysik Prof. S. Goßner

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

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

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

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

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

Gleichgewichtskonzentration Werte der Intrinsic-Dichte ni bei T = 300 K Für Germanium: ni = 2,51013/cm3 Für Silizium: ni = 1,51010/cm3 Die Intrinsic-Dichte verdoppelt sich etwa bei einer Temperaturerhöhung um T = 10 K Im Vergleich zu den Metallen mit n  51022/cm3 sind Halbleiter schlechte Leiter Halbleiterphysik Prof. Goßner