Halbleiter

Halbleiter sind Festkörper, die hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter betrachtet werden können. Halbleiter können verschiedene chemische Strukturen besitzen: Man unterscheidet zwischen Elementhalbleitern (aufgebaut aus einem einzigen Element) und Verbindungshalbleitern[1] (und hierbei speziell auch noch die organischen Halbleiter). Beispiele sind im Abschnitt „Verschiedene Halbleiter“ genannt.

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 z. B. 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 bzw. Solarzellen), thermoelektrische Generatoren, Peltierelemente sowie Strahlungs- bzw. Lichtquellen (Laserdiode, Leuchtdiode).

Ein Wafer (einkristalline Silicium-Scheibe) mit mikroelektronischen Bauelementen

Inhaltsverzeichnis

Physikalische Grundlagen

Die Halbleitereigenschaften von Stoffen gehen auf ihre chemischen Bindungen und somit ihren atomaren Aufbau zurück. Die Halbleiter kristallisieren in unterschiedlichen Strukturen, 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 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 der nach der Quantenmechanik keine erlaubten Zustände existieren (Energie- oder Bandlücke), getrennt sein.

Bei Halbleitern sind, aufgrund ihrer Kristallstruktur, das höchste besetzte Energieband (Valenzband) und das nächsthöhere Band (Leitungsband) durch eine Bandlücke getrennt. Das Ferminiveau liegt also 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 (Isolatoren).

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 auch „verbotene Zone“ genannt) bei Halbleitern ist im Gegensatz zu Isolatoren (EG > 3 eV) jedoch relativ klein (InAs: ≈ 0,4 eV, Ge: ≈ 0,7 eV, Si: ≈1,1 eV, GaAs: ≈ 1,4 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 nennt man Halbleiter auch Heißleiter oder NTC-Widerstände. Der Übergang von Halbleitern zu Isolatoren ist allerdings fließend. So wird beispielsweise Galliumnitrid (GaN; Einsatz in blauen LEDs) mit einer Bandlückenenergie von ≈ 3,6 eV ebenfalls zu den Halbleitern gezählt.

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, auch „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.

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.

Sowohl die angeregten Elektronen als auch die Defektelektronen tragen also zur elektrischen Leitung bei.

Direkte und indirekte Halbleiter

Bandstruktur eines indirekten Halbleiters
Bandstruktur eines direkten Halbleiters

Man teilt Halbleiter in zwei Gruppen ein, die direkten und die indirekten Halbleiter. Ihre unterschiedlichen Eigenschaften lassen sich nur durch die Betrachtung der Bandstruktur im sogenannten Impulsraum verstehen: Freie Ladungsträger im Halbleiter lassen sich als Materiewellen mit einem Quasiimpuls auffassen, das heißt, die Ladungsträger werden neben ihrem Energieniveau im Bänderschema auch durch ihre „Geschwindigkeit“ (Impuls = Masse × Geschwindigkeit) charakterisiert.

Betrachtet man nun das Bändermodell im Impulsraum, so stellt man fest, dass Leitungs- und Valenzbandkante nicht für jeden Impuls gleich ist, sondern dass beide Bandkanten mindestens ein Extremum aufweisen. Wenn nun 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 nun (nahezu) beim gleichen Quasiimpuls, so ist eine Anregung z. B. 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 wird die bei der Rekombination freiwerdende Energie als Gitterschwingung abgegeben. Hieraus folgt, dass nur direkte Halbleiter zur effektiven Strahlungserzeugung verwendet werden können. Direkte und indirekte Halbleiter kann man mittels Absorptionsversuch voneinander unterscheiden. 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, wo nahe der Leitungs- oder Valenzbandkante verschiedene Punkte im Impulsraum möglich sind, kann es zum sogenannten Gunn-Effekt kommen.

Eigenhalbleiter und Störstellenhalbleiter

Die Dichte freier Elektronen und Löcher in reinen, das heißt undotierten, Halbleitern nennt man intrinsische Ladungsträgerdichte oder Eigenleitungsdichte – 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) bzw. im Valenzband (Löcher) durch den Dotierstoff bestimmt, spricht man von einem Störstellenhalbleiter oder extrinsischen Halbleiter – hier ist der dominierende Leitungsmechanismus die Störstellenleitung.

Geschichte

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“) dann 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 allerdings 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 ca. 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]

Verschiedene Halbleiter

In der Mikroelektronik verwendete Halbleiter lassen sich in zwei Gruppen einordnen, den Elementhalbleitern und den Verbindungshalbleitern. Zu den Elementhalbleitern zählen Elemente mit vier Valenzelektronen, beispielsweise Silicium (Si) und Germanium (Ge). Die Gruppe der Verbindungshalbleiter umfasst Chemische Verbindungen, die im Mittel vier Valenzelektronen besitzen. Dazu zählen Elemente der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems (III-V-Halbleiter), wie Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumantimonid (InSb), und der II. und 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 Gruppe vielversprechender neuer Halbleiter sind beispielsweise die organischen Halbleiter, die in organischen Solarzellen oder in organischen Feldeffekttransistoren bereits Verwendung gefunden haben. Eine weitere Gruppe sind Kohlenstoffnanoröhren, die beispielsweise für Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldeffekttransistors benutzt werden können.

Chemische Einteilung
Elementare Halbleiter 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: SiC, SiGe  

Semimagnetische Halbleiter

Semimagnetische Halbleiter gehören zur wichtigen Gruppe der Verbindungshalbleiter (englisch compound semiconductors). Es handelt sich um Verbindungen wie Galliumnitrid (GaN), bei denen ein Ion durch z. B. Mangan ersetzt wurde. 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

Hauptartikel organische 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[8]. Polyacetylen ist ein lineares Polymer mit abwechselnder Doppelbindung und Einfachbindung (…C=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.

Halbleitertechnik

Hauptartikel Halbleitertechnik

Die Halbleitertechnik befasst sich mit der technischen Herstellung mikroelektronischer Bauelemente und Baugruppen. 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.

Dotierung und Störstellenleitung

Donatoren und Akzeptoren

Durch das Einbringen von Störstellen in einen Halbleiterkristall können die elektrischen Eigenschaften des (reinen) Halbleiters beeinflusst werden. Bei den Störstellen handelt es sich um Fremdatome unterschiedlicher Wertigkeit, beispielsweise Bor oder Phosphor bei Siliciumkristallen. Der Vorgang wird allgemein als Dotierung bzw. 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- bzw. Leitungsband können die Ladungsträger leichter zwischen den Bändern wechseln, die Beweglichkeit der Ladungsträger bei niedrigeren Temperaturen wird erhöht. 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 1 Donator auf 107 1 Akzeptor auf 106
Starke Dotierung / Silicium 1 Donator auf 104 1 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

Leitungsmechanismen im dotierten und undotiertem 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 nun 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- bzw. Leitungsband sehr viel geringer als der Bandabstand sind, können nun Elektronen vom Donatorniveau ins Leitungsband bzw. Löcher vom Akzeptorniveau ins Valenzband angeregt werden. Es stehen nun in Abhängigkeit von der Temperatur freie Ladungsträger zur Verfügung, die Leitfähigkeit von dotierten Halbleitern steigt. Da noch nicht alle Störstellenniveaus ionisiert bzw. besetzt sind, bezeichnet man diesen Bereich als Störstellenreserve. Wird die Temperatur weiter erhöht, bis alle Störstellenniveaus ionisiert bzw. 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 nun die Ladungsträgergeneration von Elektron-Loch-Paaren, dieser Bereich wird als intrisisch oder Eigenleitung des Halbleiters bezeichnet.

Grenzflächen

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, übereinanderliegen, dann 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]

Wirtschaft

Weltweite Umsätze mit Halbleitern von 1993 bis 2007

Der Markt für Polysilizium ist zurzeit (2010) im Umbruch. Nachdem Polysilizium auf Grund der hohen Nachfrage aus dem Solarmarkt in 2008/2009 nicht in ausreichenden Mengen verfügbar war, stieg der Preis sehr stark. Dies hat eine ganze Reihe von Firmen dazu veranlasst, mit der Errichtung neuer Produktionsanlagen zu beginnen. Die etablierten Hersteller (siehe unten) erweitern ihre Kapazitäten stark. Daneben drängen aber auch 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 nun stark gefallenen Preisen noch profitabel zu agieren, ist unsicher.[10] [11]

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 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.[12]

Anwendungsbereiche

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 bzw. Optoelektronik (z. B. Fotodetektoren und Leuchtdioden).

Siehe auch

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

Literatur

  • Peter Y. Yu, Manuel Cardona: Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties, Springer 2004, 3. Auflage, 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, John Wiley & Sons 2006, 3. Auflage, 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

Einzelnachweise

  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. C. K. Chiang et al.: Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene. In: Physical Review Letters 39, 1977, S. 1098–1101.
  9. Welt der Technik: Supraleitende Chips - reine Zukunftsmusik?
  10. Robert Schramm, Lauren Licuanan: Feedback form Solar Silicon Conference. 28. April 2010.
  11. Timothy Lam: Asia Solar View – May 2010, 3. Mai 2010.
  12. Gartner Says Worldwide Silicon Wafer Revenue Reached $12.5 Billion in 2007. Gartner, Inc., 11. Juni 2008, abgerufen am 5. Mai 2010 (Pressemitteilung).

Wikimedia Foundation.

Schlagen Sie auch in anderen Wörterbüchern nach:

  • Halbleiter — Halbleiter, so v.w. schlechte Leiter, z.B. feuchtes Holz, ein Ausdruck, der in der Physik wieder abgekommen ist …   Pierer's Universal-Lexikon

  • Halbleiter — Halbleiter, soviel wie schlechte Leiter der Elektrizität (s. Elektrischer Widerstand) …   Meyers Großes Konversations-Lexikon

  • Halbleiter — Hạlb|lei|ter 〈m. 3; Phys.〉 fester Stoff, der bei sehr tiefen Temperaturen den Strom nicht leitet, bei Erwärmung jedoch eine (oft schnell) mit der Temperatur anwachsende Leitfähigkeit zeigt (Germanium, Silicium, Selen, Zinkoxid) * * *… …   Universal-Lexikon

  • Halbleiter — puslaidininkis statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. semiconductor vok. Halbleiter, m rus. полупроводник, m pranc. semi conducteur, m …   Automatikos terminų žodynas

  • Halbleiter — puslaidininkis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Medžiaga, pagal elektrinį laidumą užimanti tarpinę padėtį tarp metalų ir dielektrikų. Jos savitoji elektrinė varža normaliomis sąlygomis nuo 0,1 Ω · m iki 10⁸ Ω · m.… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • Halbleiter — puslaidininkis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. semiconductor vok. Halbleiter, m rus. полупроводник, m pranc. semi conducteur, m; semiconducteur, m …   Fizikos terminų žodynas

  • Halbleiter — Hạlb·lei·ter der; Phys; ein Stoff, dessen elektrische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur sehr stark zunimmt …   Langenscheidt Großwörterbuch Deutsch als Fremdsprache

  • Halbleiter — Hạlb|lei|ter, der (Elektrotechnik Stoff, der bei Zimmertemperatur elektrisch leitet und bei tieferen Temperaturen isoliert) …   Die deutsche Rechtschreibung

  • Halbleiter-Kennbuchstaben — Halbleiter werden oft mit Kennbuchstaben beschrieben. Die Pro Electron Norm (Europa) sieht dazu folgendes Schema vor: 1. Zeichen Bedeutung A Germanium B Silizium C Galliumarsenid D Keramik R Cadmiumsulfid …   Deutsch Wikipedia

  • Halbleiter-Diode — Eine Diode (griech.: di zwei, doppelt; hodos Weg) ist ein elektrisches Bauelement, das Strom nur in einer Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung wie ein Isolator wirkt. Dioden bewirken eine Gleichrichtung von Wechselspannung,… …   Deutsch Wikipedia

Share the article and excerpts

Direct link
Do a right-click on the link above
and select “Copy Link”