Halbleiter sind im Allgemeinen anorganische oder organische Materialien, deren Leitfähigkeit von der chemischen Struktur, der Temperatur, der Beleuchtung und dem Vorhandensein von Dotierstoffen abhängt. Der Name Halbleiter kommt von der Tatsache, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Metall wie Kupfer, Gold usw. und einem Isolator wie Glas aufweisen. Sie haben eine Energielücke von weniger als 4 eV (etwa 1 eV). In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsbandwo Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in einem Halbleiter Energie (z. B. aus ionisierender Strahlung) gewinnen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen. Die Eigenschaften von Halbleitern werden durch die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband bestimmt.
Extrinsische Halbleiter – Dotierte Halbleiter
Ein externer Halbleiter oder dotierter Halbleiter ist ein Halbleiter, der absichtlich dotiert wurde, um seine elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften zu modulieren. Bei Halbleiterdetektoren für ionisierende Strahlung ist Dotieren das absichtliche Einbringen von Verunreinigungen in einen intrinsischen Halbleiter zum Zweck der Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften. Intrinsische Halbleiter werden daher auch als reine Halbleiter oder i-Halbleiter bezeichnet.
Die Zugabe eines kleinen Prozentsatzes von Fremdatomen in das regelmäßige Kristallgitter von Silizium oder Germanium führt zu dramatischen Änderungen ihrer elektrischen Eigenschaften, da diese in die Kristallstruktur des Halbleiters eingebauten Fremdatome freie Ladungsträger (Elektronen oder Elektronenlöcher) in der Zelle liefern Halbleiter. In einem externen Halbleiter liefern diese Fremddotierungsatome im Kristallgitter hauptsächlich die Ladungsträger, die elektrischen Strom durch den Kristall transportieren. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Dotierungsatomen, die zu zwei Arten von externen Halbleitern führen. Diese Dotierstoffe, die die gewünschten kontrollierten Änderungen erzeugen, werden entweder als Elektronenakzeptoren oder als Donoren klassifiziert und die entsprechenden dotierten Halbleiter sind bekannt als:
- Halbleiter vom n-Typ.
- p-Halbleiter.
Extrinsische Halbleiter sind Bestandteile vieler gängiger elektrischer Geräte sowie vieler Detektoren für ionisierende Strahlung. Zu diesem Zweck besteht eine Halbleiterdiode (Bauelemente, die Strom nur in einer Richtung zulassen) normalerweise aus Halbleitern vom p-Typ und vom n-Typ, die in Verbindung miteinander angeordnet sind.
Halbleiter vom n-Typ
Ein extrinsischer Halbleiter, der mit Elektronendonoratomen dotiert wurde, wird als n-Halbleiter bezeichnet, weil die Mehrheit der Ladungsträger im Kristall negative Elektronen sind. Da Silizium ein vierwertiges Element ist, enthält die normale Kristallstruktur 4 kovalente Bindungen von vier Valenzelektronen. In Silizium sind die häufigsten Dotierstoffe Elemente der Gruppe III und der Gruppe V. Elemente der Gruppe V (fünfwertig) haben fünf Valenzelektronen, wodurch sie als Donor fungieren können. Das heißt, die Zugabe dieser fünfwertigen Verunreinigungen wie Arsen, Antimon oder Phosphor trägt zu freien Elektronen bei, wodurch die Leitfähigkeit des intrinsischen Halbleiters stark erhöht wird. Beispielsweise erzeugt ein mit Bor dotierter Siliziumkristall (Gruppe III) einen Halbleiter vom p-Typ, während ein mit Phosphor dotierter Kristall (Gruppe V) einen Halbleiter vom n-Typ ergibt.
Die Leitungselektronen werden vollständig von der Anzahl der Donorelektronen dominiert . Deshalb:
Die Gesamtzahl der Leitungselektronen ist in etwa gleich der Zahl der Spenderstellen, n≈N D .
Die Ladungsneutralität des Halbleitermaterials bleibt erhalten, da angeregte Donorstellen die Leitungselektronen ausgleichen. Das Nettoergebnis ist, dass die Anzahl der Leitungselektronen erhöht wird, während die Anzahl der Löcher verringert wird. Das Ungleichgewicht der Trägerkonzentration in den jeweiligen Bändern wird durch die unterschiedliche absolute Anzahl von Elektronen und Löchern ausgedrückt. Elektronen sind Majoritätsträger, während Löcher Minoritätsträger in n-Typ-Material sind.
p-Halbleiter
Ein extrinsischer Halbleiter, der mit Elektronenakzeptoratomen dotiert wurde , wird als p-Halbleiter bezeichnet , da die Mehrheit der Ladungsträger im Kristall Elektronenlöcher (positive Ladungsträger) sind. Das reine Halbleitersilizium ist ein vierwertiges Element , die normale Kristallstruktur enthält 4 kovalente Bindungen von vier Valenzelektronen. In Silizium sind die häufigsten Dotierstoffe Elemente der Gruppe III und der Gruppe V.. Elemente der Gruppe III (dreiwertig) enthalten alle drei Valenzelektronen, wodurch sie als Akzeptoren fungieren, wenn sie zum Dotieren von Silizium verwendet werden. Wenn ein Akzeptoratom ein vierwertiges Siliziumatom im Kristall ersetzt, entsteht ein leerer Zustand (ein Elektronenloch). Ein Elektronenloch (oft einfach als Loch bezeichnet) ist das Fehlen eines Elektrons an einer Position, an der man in einem Atom oder Atomgitter existieren könnte. Es ist eine der beiden Arten von Ladungsträgern, die für die Erzeugung von elektrischem Strom in halbleitenden Materialien verantwortlich sind. Diese positiv geladenen Löcher können sich in halbleitenden Materialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen. Die Zugabe von dreiwertigen Verunreinigungen wie Bor , Aluminium oder Galliumzu einem intrinsischen Halbleiter erzeugt diese positiven Elektronenlöcher in der Struktur. Beispielsweise erzeugt ein mit Bor dotierter Siliziumkristall (Gruppe III) einen Halbleiter vom p-Typ, während ein mit Phosphor dotierter Kristall (Gruppe V) einen Halbleiter vom n-Typ ergibt.
Die Anzahl der Elektronenlöcher wird vollständig von der Anzahl der Akzeptorstellen dominiert. Deshalb:
Die Gesamtzahl von Löchern ist ungefähr gleich der Anzahl der Spenderstellen, p ≈ N A .
Die Ladungsneutralität dieses Halbleitermaterials bleibt ebenfalls erhalten. Das Nettoergebnis ist, dass die Anzahl der Elektronenlöcher erhöht wird, während die Anzahl der Leitungselektronen verringert wird. Das Ungleichgewicht der Trägerkonzentration in den jeweiligen Bändern wird durch die unterschiedliche absolute Anzahl von Elektronen und Löchern ausgedrückt. Elektronenlöcher sind Majoritätsträger , während Elektronen Minoritätsträger in p-Material sind.
Die PN-Verbindung – Reverse Bias Junction
Der Halbleiterdetektor arbeitet viel besser als Strahlungsdetektor, wenn eine externe Spannung in umgekehrter Vorspannungsrichtung über den Übergang angelegt wird . Der Verarmungsbereich fungiert als Strahlungsdetektor. Eine Verbesserung kann durch Verwendung einer Sperrspannung am PN-Übergang erreicht werden, um den Detektor von freien Ladungsträgern zu befreien, was das Prinzip der meisten Halbleiterdetektoren ist. Die umgekehrte Vorspannung eines Übergangs erhöht die Dicke des Verarmungsbereichs, da die Potentialdifferenz über den Übergang erhöht wird. Germaniumdetektoren haben eine Stiftstrukturin dem der intrinsische (i) Bereich gegenüber ionisierender Strahlung, insbesondere Röntgen- und Gammastrahlen, empfindlich ist. Unter Sperrvorspannung erstreckt sich ein elektrisches Feld über den intrinsischen oder abgereicherten Bereich. In diesem Fall wird eine negative Spannung an die p-Seite und eine positive an die zweite Seite angelegt. Löcher im p-Bereich werden vom Übergang zum p-Kontakt und ähnlich zu Elektronen und dem n-Kontakt angezogen. Diese Ladung, die proportional zu der vom einfallenden Photon im Detektor abgelagerten Energie ist, wird von einem integrierten ladungsempfindlichen Vorverstärker in einen Spannungsimpuls umgewandelt.
Siehe auch: Germaniumdetektoren, MIRION Technologies. <verfügbar unter: https://www.mirion.com/products/germanium-detectors>.
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