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Halbleiter

Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper, den man hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter betrachten kann. Halbleiter ist ein Überbegriff und umfasst Elementhalbleiter und Verbindungshalbleiter gleichermaßen[1]. Die Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig. In der Nähe des absoluten Temperaturnullpunktes 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.

Die Leitfähigkeit lässt sich durch das Einbringen von Fremdatomen (Dotieren) aus einer anderen chemischen Hauptgruppe in weiten Grenzen gezielt beeinflussen.

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).

Anwendungen sind Heißleiter, Varistoren, Strahlungssensoren (Photoleiter, Fotowiderstände, Photodioden bzw. Solarzellen), thermoelektrische Generatoren, Peltierelemente sowie Strahlungs- bzw. Lichtquellen (Laserdiode, Leuchtdiode).

Halbleiter werden in einkristalliner, polykristalliner und amorpher Form verwendet.

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen und Eigenschaften

Die Halbleitereigenschaften der oben genannten Stoffe 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 Zinkblendestruktur (gemischt kovalent-ionare Bindung).

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 leer 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 und 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 am energetisch 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 (Si, Ge) und Verbindungshalbleiter aus der IV. Hauptgruppe indirekt und Verbindungshalbleiter aus verschiedenen Hauptgruppen (III/V: GaAs, InP, GaN) direkt.

Es kann vorkommen, dass ein Halbleiter nach der Anregung des Elektrons ins Leitungsband schlechter leitet als vorher, also trotz steigender Spannung der Strom sinkt. Dieser Effekt heißt Gunn-Effekt.

Eigenhalbleiter und Störstellenhalbleiter

Die Dichte freier Elektronen und Löcher in reinen, d. h. undotierten Halbleitern, nennt man intrinsische Ladungsträgerdichte oder Eigenleitungsdichte – ein Eigenhalbleiter wird deshalb auch intrinsischer Halbleiter genannt. Wird dagegen die Konzentration der Elektronen im Leitungsband überwiegend durch den Dotierstoff bestimmt, spricht man von einem Störstellenhalbleiter oder extrinsischen Halbleiter.

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 Silizium 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.

Als 1947 in den Bell Laboratories die Wissenschaftler John Bardeen, William Bradford Shockley und Walter Houser Brattain zwei Metalldrahtspitzen auf das 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. 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].

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).

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 Silizium (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(II)-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 (s. a.: Organic semiconductor), die in organischen Solarzellen oder in organischen Feldeffekttransistoren bereits Verwendung gefunden haben.

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 Tetracen, Pentacen, Phthalocyanine, Polythiophene, PTCDA, MePTCDI, Chinacridon, Acridon, Indanthron, Flavanthron, Perinon
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: CuInSe2, CuInGaSe2, CuInS2, CuInGaS2  
  SiC  

Semimagnetische Halbleiter

Semimagnetische Halbleiter gehören zur wichtigen Gruppe der Verbindungshalbleiter oder Compound Semiconductors. Es handelt sich um Verbindungen, bei denen ein Ion durch z. B. Mangan ersetzt wurde. Eine charakteristische Eigenschaft dieser semimagnetischen Halbleiter ist der große Zeeman-Effekt. Eigentlich nennt man semimagnetische Halbleiter diluted magnetic semiconductors, da sie magnetisch verdünnt sind.

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. Als erstes wurde dies 1976 bei Polyacetylen beobachtet[6]. Polyacetylen ist ein lineares Polymer mit abwechselnder Doppelbindung und Einfachbindung (…C=C−C=C−C…). Wird diesem Kunststoff noch ein Donator wie etwa Chlor, Brom oder Iod angefügt (Oxidative Dotierung), liegen zusätzliche Elektronen vor. Durch das Hinzufügen eines Atomes wie etwa Natrium (Reduktive Dotierung) erhält der Kunststoff einen Akzeptor. 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). Siehe auch Kategorie Organischer Halbleiter).

Wenn der Kunststoff in Form einer dünnen Schicht (etwa 5 nm–1 µm dick) erzeugt wird, ist er geordnet genug, um eine elektrisch ununterbrochene Schicht zu bilden.

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 zeigen. Dazu gehört das Dotieren des Halbleiters und das Gestalten der Grenzfläche zwischen Halbleiter und einem weiteren Material.

Dotierung und Störstellenleitung

Wenn man Fremdatome in das Kristallgitter eines Halbleitermaterials einbaut, nennt man das Dotieren. Durch das Dotieren wird die Leitfähigkeit der reinen Halbleiter vergrößert. Außerdem können durch die Kombination von unterschiedlich dotierten Gebieten verschiedene Bauelemente, z. B. ein Bipolartransistor, hergestellt werden.

Durch das Dotieren werden bewegliche Ladungsträger erzeugt. Werden Fremdatome, die ein Elektron mehr im Valenzband haben als der reine Halbleiter, in einen Halbleiter eingebracht (n-dotierter Halbleiter), so bringt jedes dieser Fremdatome ein Elektron mit, das nicht für die Bindung benötigt wird und leicht abgelöst werden kann. Im Bänderschema liegt ein solches Elektron nahe unter der Leitungsbandkante. Ein Fremdatom, das ein Elektron abgibt, wird Donator (lat. donare = schenken) genannt. Analog bringen Fremdatome, die ein Elektron weniger im Valenzband haben, ein zusätzliches Defektelektron (Loch) mit (p-Dotierung), welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann. Im Bänderschema liegt ein solches Loch nahe über der Valenzbandkante. Ein Fremdatom, welches ein Loch „abgibt“, also ein Elektron aufnimmt, wird Akzeptor (lat. accipere = annehmen) genannt.

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 als n-dotiert, solche mit Mangel, also mit „Löcherüberschuss“, als p-dotiert.

Wurde die Temperatur so weit erhöht, dass alle Dotieratome ionisiert sind, d. h. zur Leitung beitragen, spricht man von Störstellenerschöpfung. Die Eigenleittemperatur stellt den Übergang zwischen der Störstellenerschöpfung zur Eigenleitung des Halbleiters dar.

Im n-Leiter werden die Elektronen als Majoritätsträger (mehrheitlich vorhandene Ladungsträger), die Löcher als Minoritätsträger 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 oder Mikrochips aufbauen.

Übliche Dotiergrade

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 Silizium- 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.

Wirtschaft

Die Hauptproduzenten von Silizium (etwa 10.000 Tonnen) sind Hemlock Semiconductor und MEMC Electronic Materials aus den USA, Renewable Energy Corporation AS (REC) aus Norwegen, Tokuyama aus Japan und Wacker aus Deutschland (Stand 2005).

Der weltweit größte Hersteller von Wafern ist das japanische Unternehmen Shin-Etsu Handotai (SEH) mit einem Umsatz von 2,2 Milliarden Dollar im Jahre 2004. Der weltweit zweitgrößte japanische Hersteller Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp. (Sumco) hatte im selben Jahr einen Umsatz von 1,6 Milliarden Dollar. Dem folgen das amerikanische Unternehmen MEMC Electronic Materials und die deutsche Siltronic AG mit 1 Milliarde Dollar und 900 Millionen Dollar. Diese vier Unternehmen teilen sich etwa 75 % des gesamten Wafermarktes von 7,3 Milliarden Dollar.

Siehe auch

Literatur

Quellen

  1. Graham Chedd: Halbmetalle. Verlag DVA, Stuttgart 1971, ISBN 3-421-02246-1
  2. Patent US 836531 Greenleaf Whittier Pickard: "Means For Receiving Intelligence Communicated By Electric Waves" veröffentlicht am 20.11.1906.
  3. Jed Margolin: "The Road to the Transistor"
  4. Patent US 1745175 Julius Edgar Lilienfeld: "Method and Apparatus For Controlling Electric Currents" Erstanmeldung am 22.10.1925 in Kanada.
  5. Reinhold Paul: Feldeffekttransistoren – physikalische Grundlagen und Eigenschaften. Verlag Berliner Union [u. a.], Stuttgart 1972, ISBN 3-408-53050-5
  6. C. K. Chiang et al.: Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene. In: Physical Review Letters 39, 1977, S. 1098–1101.