Halbleiter

Halbleiter, festes oder flüssiges Material, das bei Raumtemperatur (umgangssprachlich ist die Raumtemperatur der Temperaturbereich, den Menschen für Innenräume bevorzugen, bei dem sich die Luft beim Tragen typischer Innenkleidung weder heiß noch kalt anfühlt), in der Lage ist, Strom etwas besser zu leiten als ein Isolator (Ein elektrischer Isolator ist ein Material, dessen innere elektrische Ladungen nicht frei fließen; sehr geringer elektrischer Strom fließt unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes durch ihn) aber schlechter als ein Metall. Metalle wie Kupfer (Kupfer ist ein chemisches Element mit Symbol Cu und Ordnungszahl 29) Silber und Aluminium sind ausgezeichnete Leiter, aber Isolatoren wie Diamant und Glas sind sehr schlechte Leiter. Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich reine Halbleiter wie Isolatoren. Bei höheren Temperaturen oder unter Zugabe von Verunreinigungen (Dotierung) oder unter Lichteinfluss kann die Leitfähigkeit von Halbleitern erhöht werden. Die üblichen Halbleiter enthalten chemische Elemente und Verbindungen wie Silizium, Germanium (SiGe, oder Silizium-Germanium, ist eine Legierung mit beliebigem Molverhältnis von Silizium und Germanium, d.h. Selen, (Selen ist ein chemisches Element mit Symbol Se und Ordnungszahl 34) Galliumarsenid, Zinkselenid (Zinkselenid ist eine hellgelbe, feste Verbindung aus Zink und Selen) und Bleitellurid. (Blei-Tellurid i

st eine Verbindung aus Blei und Tellur) Die Erhöhung der Leitfähigkeit mit Temperatur, Licht oder Verunreinigungen steht im Zusammenhang mit der wachsenden Anzahl von Leitungselektronen, die den elektrischen Strom führen. (Ein elektrischer Strom ist ein Fluss elektrischer Ladung) In einem reinen, echten Halbleiter wie Silizium sind die äußeren Elektronen (Valenzelektronen) paarweise. Sie werden von den Atomen gemeinsam genutzt, um kovalente Bindungen zu erzeugen, die beispielsweise einen Kristall zusammenhalten. Diese Valenzelektronen sind nicht völlig frei beweglich, um elektrischen Strom zu transportieren. Sie sind aber fast kostenlos. Prinzipiell werden Leitungselektronen aus Valenzelektronen durch höhere Temperaturen oder Licht erzeugt. Bei diesem physikalischen Prozess werden die Elektronen aus dem sogenannten Valenzband in das Leitungsband gehoben dies wird auch als Erzeugung bezeichnet. (In der Festkörperphysik sind das Valenzband und das Leitungsband die Bänder, die dem Fermi-Niveau am nächsten liegen und somit die elektrische Leitfähigkeit des Festkörpers bestimmen) (Diese Löcher werden als Träger positiver Elektrizität bezeichnet.) Sowohl die Leitungselektronen als auch die zurückgelassenen Löcher leisten den größten Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit. (Der elektrische Widerstand ist eine intrinsische Eigenschaft, die angibt, wie stark ein bestimmtes Material dem Stromfluss entgegenwirkt) Die Energie, die benötigt wird, um ein freies Elektron und ein Loch zu erzeugen, wird als Energielücke bezeichnet, und wenn andere Fremdatome zunehmen, nimmt die Leitfähigkeit eines Halbleiters ab. Je reiner ein Halbleitermaterial ist, desto weniger Streuphänomene treten auf, die die Leitfähigkeit reduzieren. 1997 gelang es isländischen Forschern, einen nahezu perfekten Halbleiterkristall zu produzieren. In ihrem Kristall enthalten fünf Milliarden Galliumarsenid-(Galliumarsenid ist eine Verbindung der Elemente Gallium und Arsen ) Einheiten ein störendes Atom eines anderen Elements. Bei Probentemperaturen von 0,1 Kelvin (-273,26 C) konnten die Wissenschaftler in Leitfähigkeitsexperimenten Geschwindigkeiten von 14,4 Millionen Zentimetern pro Sekunde messen und damit den bisherigen Rekord um 40 Prozent übertreffen. Eine weitere Methode zur Herstellung freier Ladungsträger ist die Zugabe von Verunreinigungen (Dotierstoffen) zum Halbleiter. Die Differenz in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen dem Dotierstoff (entweder Spender oder Empfänger von Elektronen) und dem Empfänger führt zu einem Anstieg der negativen (n-Leiter) oder positiven (p-Leiter) Ladungsträger. Dieses Konzept soll das begleitende Diagramm eines dotierten Siliziumkristalls (Si) veranschaulichen: Jedes Siliziumatom hat vier Valenzelektronen (dargestellt durch Punkte). Zwei werden benötigt, um eine kovalente Bindung zu bilden. (Eine kovalente Bindung, auch Molekularbindung genannt, ist eine chemische Bindung, bei der Elektronenpaare zwischen den Atomen geteilt werden) In einem n-Siliziumhalbleiter ersetzen Atome wie Phosphor (Phosphor ist ein chemisches Element mit Symbol P und Ordnungszahl 15) (P) mit fünf Valenzelektronen einige Siliziumatome und stellen zusätzliche negative Ladungsträger dar. In einem p-Silizium (Silizium ist ein chemisches Element mit Symbol Si und Ordnungszahl 14) führen Atome mit drei Valenzelektronen, wie Aluminium (Al), zu einem Elektronenmangel, d.h. zu Löchern, die sich wie positive Elektronen verhalten. Wenn p- und n-Halbleiterbereiche benachbart sind, bilden sie eine Halbleiterdiode. (In der Elektronik ist eine Diode ein zweipoliges elektronisches Bauelement, das hauptsächlich in eine Richtung leitet; sie hat einen geringen Widerstand gegen den Strom in der einen Richtung und einen hohen Widerstand in der anderen) Die Kontaktfläche wird als p-n-Schnittstelle bezeichnet. (Eine Diode ist eine bipolare Vorrichtung mit einem hohen Widerstand gegen Strom in eine Richtung und einem niedrigen Widerstand in die andere). Die Leitungseigenschaften einer p-n-Schnittstelle hängen von der Richtung der angelegten Spannung ab. Andererseits kann die Schicht auch zur Steuerung der elektrischen Prozesse im Bauteil genutzt werden. Kombinationen von p-n-Schnittstellen werden verwendet, um Transistoren und andere Vorrichtungen wie Solarzellen, p-n-Schnittstellenlaser, Gleichrichter und viele andere zu bauen. Siehe Elektronik; Gleichrichtung; (Ein Gleichrichter ist ein elektrisches Gerät, das Wechselstrom, der periodisch die Richtung ändert, in Gleichstrom umwandelt, der nur in eine Richtung fließt) Sonnenenergie. (Solarenergie ist strahlendes Licht und Wärme von der Sonne , die mit einer Reihe von sich ständig weiterentwickelnden Technologien wie Solarthermie, Photovoltaik , Solarthermie, Solararchitektur, Salzschmelzkraftwerke und künstliche Photosynthese genutzt wird) Halbleiterkomponenten werden in vielen Bereichen der Elektrotechnik eingesetzt. (Elektrotechnik ist ein Gebiet der Technik, das sich im Allgemeinen mit der Erforschung und Anwendung von Elektrizität, Elektronik und Elektromagnetismus beschäftigt) Neue technische Entwicklungen führten zu kleinen Halbleiterchips (Halbleiter sind kristalline oder amorphe Feststoffe mit ausgeprägten elektrischen Eigenschaften), die Hunderttausende von Transistoren enthalten. Diese Chips ermöglichen einen hohen Grad an Miniaturisierung von elektronischen Geräten. Eine effizientere Nutzung dieser Chips wurde durch eine Technik namens Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) ermöglicht (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, kurz CMOS, ist eine Technologie zur Herstellung integrierter Schaltungen). Diese Chips bestehen aus Paaren von p- und n-Kanal-Transistoren, die von einer Schaltung gesteuert werden. Darüber hinaus werden mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy ist ein Epitaxieverfahren zur Dünnschichtabscheidung von Einkristallen) (Epitaxie = einheitliche Anordnung) extrem kleine Bauteile hergestellt.