Was ist ein Halbleiter?

Neben den Stromleitern gibt es in der Natur viele Stoffe, die eine deutlich geringere elektrische Leitfähigkeit haben als metallische Leiter. Stoffe dieser Art nennt man Halbleiter.

Zu den Halbleitern gehören: bestimmte chemische Elemente wie Selen, Silizium und Germanium, Schwefelverbindungen wie Thalliumsulfid, Cadmiumsulfid, Silbersulfid, Karbide wie Karborund, Kohlenstoff (Diamant), Bor, Zinn, Phosphor, Antimon, Arsen, Tellur, Jod , und eine Reihe von Verbindungen, die mindestens eines der Elemente der 4-7-Gruppe des Mendelejew-Systems enthalten. Es gibt auch organische Halbleiter.

Die Art der elektrischen Leitfähigkeit des Halbleiters hängt von der Art der im Grundmaterial des Halbleiters vorhandenen Verunreinigungen und von der Herstellungstechnologie seiner Bestandteile ab.

Halbleiter – Substanz mit elektrische Leitfähigkeit 10-10 — 104 (Ohm x cm)-1 liegt aufgrund dieser Eigenschaften zwischen dem Leiter und dem Isolator.Der Unterschied zwischen Leitern, Halbleitern und Isolatoren gemäß der Bandtheorie ist wie folgt: Bei reinen Halbleitern und elektronischen Isolatoren gibt es ein verbotenes Energieband zwischen dem gefüllten (Valenz-)Band und dem Leitungsband.

Warum Halbleiter Strom leiten

Ein Halbleiter besitzt elektronische Leitfähigkeit, wenn die äußeren Elektronen in seinen Verunreinigungsatomen relativ schwach an die Kerne dieser Atome gebunden sind. Wenn in diesem Halbleitertyp ein elektrisches Feld erzeugt wird, verlassen die äußeren Elektronen der Verunreinigungsatome des Halbleiters unter dem Einfluss der Kräfte dieses Feldes die Grenzen ihrer Atome und werden zu freien Elektronen.

Die freien Elektronen erzeugen unter dem Einfluss der elektrischen Feldkräfte einen elektrischen Leitungsstrom im Halbleiter. Daher ist die Natur des elektrischen Stroms in elektrisch leitenden Halbleitern dieselbe wie in metallischen Leitern. Da aber pro Volumeneinheit eines Halbleiters um ein Vielfaches weniger freie Elektronen vorhanden sind als pro Volumeneinheit eines metallischen Leiters, ist es natürlich, dass unter sonst gleichen Bedingungen der Strom in einem Halbleiter um ein Vielfaches kleiner ist als in einem metallischen Dirigent.

Ein Halbleiter hat eine „Loch“-Leitfähigkeit, wenn die Atome seiner Verunreinigung nicht nur ihre äußeren Elektronen nicht abgeben, sondern im Gegenteil dazu neigen, die Elektronen der Atome der Hauptsubstanz des Halbleiters einzufangen. Entzieht ein Verunreinigungsatom einem Atom der Hauptsubstanz ein Elektron, so entsteht in diesem eine Art Freiraum für ein Elektron – ein „Loch“.

Ein Halbleiteratom, das ein Elektron verloren hat, wird „Elektronenloch“ oder einfach „Loch“ genannt.Wenn das „Loch“ mit einem von einem benachbarten Atom übertragenen Elektron gefüllt wird, wird es eliminiert und das Atom wird elektrisch neutral, und das „Loch“ wandert zum benachbarten Atom, das ein Elektron verloren hat. Wenn also ein elektrisches Feld an einen Halbleiter mit „Loch“-Leitung angelegt wird, bewegen sich die „Elektronenlöcher“ in Richtung dieses Feldes.

Die Ausrichtung von „Elektronenlöchern“ in der Wirkungsrichtung eines elektrischen Feldes ähnelt der Bewegung positiver elektrischer Ladungen in einem Feld und ist daher ein Phänomen des elektrischen Stroms in einem Halbleiter.

Halbleiter können nicht streng nach dem Mechanismus ihrer elektrischen Leitfähigkeit unterschieden werden, da dieser Halbleiter neben der „Loch“-Leitfähigkeit auch eine elektronische Leitfähigkeit in unterschiedlichem Maße aufweisen kann.

Halbleiter zeichnen sich aus durch:

• Art der Leitfähigkeit (elektronisch – n-Typ, Loch – p-Typ);

• Widerstand;

• Ladungsträgerlebensdauer (Minderheit) oder Diffusionslänge, Oberflächenrekombinationsrate;

• Versetzungsdichte.

Siehe auch: Strom-Spannungs-Kennlinien von Halbleitern Silizium ist das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial

Die Temperatur hat Wesenheiten, die die Eigenschaften von Halbleitern beeinflussen. Seine Erhöhung führt hauptsächlich zu einer Verringerung des Widerstands und umgekehrt, d. h. Halbleiter zeichnen sich durch das Vorhandensein von Negativ aus Temperaturkoeffizient des Widerstands… Nahe dem absoluten Nullpunkt wird der Halbleiter zum Isolator.

Viele Geräte basieren auf Halbleitern. In den meisten Fällen müssen sie in Form von Einkristallen gewonnen werden.Um die gewünschten Eigenschaften zu verleihen, werden Halbleiter mit verschiedenen Verunreinigungen dotiert. An die Reinheit der Ausgangshalbleitermaterialien werden erhöhte Anforderungen gestellt.

Halbleiterbauelemente

Wärmebehandlung von Halbleitern

Wärmebehandlung eines Halbleiters – Erhitzen und Abkühlen eines Halbleiters nach einem vorgegebenen Programm, um seine elektrophysikalischen Eigenschaften zu verändern.

Veränderungen: Kristallmodifikation, Versetzungsdichte, Konzentration von Leerstellen oder Strukturdefekten, Art der Leitfähigkeit, Konzentration, Mobilität und Lebensdauer von Ladungsträgern. Die letzten vier können außerdem mit der Wechselwirkung von Verunreinigungen und Strukturdefekten oder mit der Diffusion von Verunreinigungen in die Kristallmasse in Zusammenhang stehen.

Das Erhitzen der Germaniumproben auf eine Temperatur >550 °C und anschließendes schnelles Abkühlen führt zum Auftreten von thermischen Akzeptoren in Konzentrationen, je höher die Temperatur ist. Durch anschließendes Glühen bei gleicher Temperatur wird der ursprüngliche Widerstand wiederhergestellt.

Der wahrscheinliche Mechanismus dieses Phänomens ist die Auflösung von Kupfer im Germaniumgitter, das von der Oberfläche diffundiert oder zuvor auf Versetzungen abgelagert wurde. Langsames Glühen führt dazu, dass sich Kupfer auf strukturellen Defekten ablagert und aus dem Gitter austritt. Auch das Auftreten neuer Strukturfehler bei schneller Abkühlung ist möglich. Beide Mechanismen können die Lebensdauer verkürzen, was experimentell nachgewiesen wurde.

In Silizium kommt es bei Temperaturen von 350 – 500 °C zur Bildung thermischer Donatoren in Konzentrationen, die umso höher sind, je mehr Sauerstoff beim Kristallwachstum im Silizium gelöst wird. Bei höheren Temperaturen werden die Wärmespender zerstört.

Durch Erhitzen auf Temperaturen im Bereich von 700 bis 1300 °C wird die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger stark verkürzt (bei > 1000 ° spielt die Diffusion von Verunreinigungen aus der Oberfläche eine entscheidende Rolle). Das Erhitzen von Silizium auf 1000–1300 ° beeinflusst die optische Absorption und Streuung von Licht.

Anwendung von Halbleitern

In modernen Technologien haben Halbleiter die weiteste Anwendung gefunden; Sie haben den technischen Fortschritt sehr stark beeinflusst. Dank ihnen ist es möglich, das Gewicht und die Abmessungen elektronischer Geräte deutlich zu reduzieren. Die Entwicklung aller Bereiche der Elektronik führt zur Schaffung und Verbesserung einer Vielzahl unterschiedlicher Geräte auf Basis von Halbleiterbauelementen. Halbleiterbauelemente dienen als Basis für Mikrozellen, Mikromodule, harte Schaltkreise usw.

Elektronische Geräte auf Basis von Halbleiterbauelementen sind praktisch trägheitslos. Ein sorgfältig konstruiertes und gut abgedichtetes Halbleiterbauelement kann Zehntausende Stunden halten. Einige Halbleitermaterialien haben jedoch eine geringe Temperaturgrenze (z. B. Germanium), aber eine nicht sehr schwierige Temperaturkompensation oder der Austausch des Grundmaterials des Geräts durch ein anderes (z. B. Silizium, Siliziumkarbid) beseitigt diesen Nachteil weitgehend. Die Verbesserung Die Weiterentwicklung der Technologie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen führt zu einer Reduzierung der immer noch vorhandenen Parameterstreuung und -instabilität.

Halbleiter in der Elektronik

Der in Halbleitern erzeugte Halbleiter-Metall-Kontakt und der Elektron-Loch-Übergang (NP-Übergang) werden bei der Herstellung von Halbleiterdioden verwendet.Doppelte Übergänge (p-n-p oder n-R-n) – Transistoren und Thyristoren. Diese Geräte dienen hauptsächlich der Gleichrichtung, Erzeugung und Verstärkung elektrischer Signale.

Die fotoelektrischen Eigenschaften von Halbleitern werden zur Herstellung von Fotowiderständen, Fotodioden und Fototransistoren genutzt. Der Halbleiter dient als aktiver Teil der Oszillatoren (Verstärker) von Schwingungen Halbleiterlaser… Wenn ein elektrischer Strom in Vorwärtsrichtung durch den pn-Übergang fließt, rekombinieren die Ladungsträger – Elektronen und Löcher – unter Emission von Photonen, die zur Herstellung von LEDs genutzt werden.

LEDs

Die thermoelektrischen Eigenschaften von Halbleitern ermöglichten die Herstellung von thermoelektrischen Halbleiterwiderständen, Halbleiter-Thermoelementen, Thermoelementen und thermoelektrischen Generatoren sowie die thermoelektrische Kühlung von Halbleitern auf Basis des Peltier-Effekts – thermoelektrische Kühlschränke und Thermostabilisatoren.

Halbleiter werden in mechanischen Wärme- und Solarenergiewandlern, in elektrisch-thermoelektrischen Generatoren und fotoelektrischen Wandlern (Solarzellen) eingesetzt.

Durch mechanische Beanspruchung eines Halbleiters verändert sich dessen elektrischer Widerstand (der Effekt ist stärker als bei Metallen), der die Grundlage des Halbleiter-Dehnungsmessstreifens bildet.

Halbleiterbauelemente sind in der weltweiten Praxis weit verbreitet und revolutionieren die Elektronik. Sie dienen als Grundlage für die Entwicklung und Produktion von:

• Messgeräte, Computer,

• Ausrüstung für alle Arten von Kommunikation und Transport,

• für die industrielle Prozessautomatisierung,

• Forschungsgeräte,

• Rakete,

• medizinische Ausrüstung

• andere elektronische Geräte und Geräte.

Durch den Einsatz von Halbleiterbauelementen können Sie neue Geräte erstellen und alte verbessern, was bedeutet, dass sie deren Größe, Gewicht und Stromverbrauch reduzieren und damit die Wärmeentwicklung im Stromkreis reduzieren, die Festigkeit erhöhen und eine sofortige Einsatzbereitschaft ermöglichen Sie ermöglicht es Ihnen, die Lebensdauer und Zuverlässigkeit elektronischer Geräte zu erhöhen.