Was ist Halbleiter – Eigenschaften von Halbleitern – Definition

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 Leitungsband, in dem 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. Um zu verstehen, was Halbleiter ist, müssen wir diese Begriffe definieren.

Eigenschaften von Halbleitern

Um den Unterschied zwischen Metallen , Halbleitern und elektrischen Isolatoren zu verstehen , müssen wir die folgenden Begriffe aus der Festkörperphysik definieren:

• Valenzband . In der Festkörperphysik sind das Valenzband und das Leitungsband die dem Fermi-Niveau am nächsten liegenden Bänder und bestimmen so die elektrische Leitfähigkeit des Festkörpers. In elektrischen Isolatoren und Halbleitern ist das Valenzband der höchste Bereich von Elektronenenergien, in dem Elektronen normalerweise bei absoluter Nulltemperatur vorhanden sind. Zum Beispiel hat ein Siliziumatom vierzehn Elektronen. Im Grundzustand sind sie in der Elektronenkonfiguration [Ne] 3s ² 3p ^{2 angeordnet} . Von diesen sind vier Valenzelektronen, besetzt das 3s-Orbital und zwei der 3p-Orbitale. Die Unterscheidung zwischen den Valenz- und Leitungsbändern ist bei Metallen bedeutungslos, da die Leitung in einem oder mehreren teilweise gefüllten Bändern stattfindet, die die Eigenschaften sowohl der Valenz- als auch der Leitungsbänder annehmen.
• Leitungsband . In der Festkörperphysik sind das Valenzband und das Leitungsband die dem Fermi-Niveau am nächsten liegenden Bänder und bestimmen so die elektrische Leitfähigkeit des Festkörpers. In elektrischen Isolatoren und Halbleitern ist das Leitungsband der niedrigste Bereich von leeren elektronischen Zuständen . In einem Diagramm der elektronischen Bandstruktur eines Materials befindet sich das Valenzband unterhalb des Fermi-Niveaus, während sich das Leitungsband darüber befindet. In Halbleitern können Elektronen das Leitungsband erreichen, wenn sie beispielsweise durch ionisierende Strahlung angeregt werden (dh sie müssen eine Energie erhalten, die höher als die E- _{Lücke ist)}). Beispielsweise ist Diamant ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (E _gap  = 5.47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Bauelemente in vielen Bauelementen. Auf der anderen Seite hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E _Gap = 0,67 eV), die es erfordert, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben. Die Unterscheidung zwischen den Valenz- und Leitungsbändern ist bei Metallen bedeutungslos, da die Leitung in einem oder mehreren teilweise gefüllten Bändern stattfindet, die die Eigenschaften sowohl der Valenz- als auch der Leitungsbänder annehmen.
• Band Gap . In der Festkörperphysik ist die Energielücke oder die Bandlücke ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsband, in dem 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. Bandlücken sind natürlich für verschiedene Materialien unterschiedlich. Beispielsweise ist Diamant ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (E _gap  = 5.47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Bauelemente in vielen Bauelementen. Auf der anderen Seite hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E _Gap = 0,67 eV), die es erfordert, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben.
• Fermi-Level . Der Begriff „Ferminiveau“ stammt aus der Fermi-Dirac-Statistik , die eine Verteilung von Partikeln über Energiezustände in Systemen beschreibt, die aus Fermionen (Elektronen) bestehen, die dem Pauli-Ausschlussprinzip folgen . Da sie nicht in identischen Energiezuständen existieren können, bezeichnet der Begriff Fermi-Pegel die Spitze der Sammlung von Elektronenenergieniveaus bei absoluter Nulltemperatur . Die Fermi-Ebene ist die Oberfläche des Fermi-Meeresam absoluten Nullpunkt, wo keine Elektronen genug Energie haben, um über die Oberfläche zu steigen. Bei Metallen liegt das Fermi-Niveau im hypothetischen Leitungsband, das freie Leitungselektronen erzeugt. Bei Halbleitern liegt die Position des Fermi-Pegels innerhalb der Bandlücke, ungefähr in der Mitte der Bandlücke.
• Elektronen-Loch-Paar . Freie Ladungsträger im Halbleiter sind Elektronen und Elektronenlöcher (Elektron-Loch-Paare). Elektronen und Löcher entstehen durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband. Ein Elektronenloch (oft einfach als Loch bezeichnet) ist das Fehlen eines Elektrons an einer Stelle, an der man in einem Atom existieren könnteoder Atomgitter. Es ist eine der beiden Arten von Ladungsträgern, die für die Erzeugung von elektrischem Strom in Halbleitermaterialien verantwortlich sind. Da in einem normalen Atom- oder Kristallgitter die negative Ladung der Elektronen durch die positive Ladung der Atomkerne ausgeglichen wird, verbleibt beim Fehlen eines Elektrons eine positive Nettoladung am Ort des Lochs. Positiv geladene Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen. Wenn ein Elektron auf ein Loch trifft, rekombinieren sie und diese freien Ladungsträger verschwinden effektiv. Die Rekombination bedeutet, dass ein Elektron, das vom Valenzband zum Leitungsband angeregt wurde, in den leeren Zustand im Valenzband zurückfällt, der als Löcher bekannt ist.

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann im Sinne der Bandentheorie von Festkörpern modelliert werden . Das Bandmodell eines Halbleiters legt nahe, dass es bei normalen Temperaturen eine begrenzte Möglichkeit gibt, dass Elektronen das Leitungsband erreichen und zur elektrischen Leitung beitragen können. Im Halbleiter werden durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband freie Ladungsträger (Elektron-Loch-Paare) erzeugt. Diese Anregung hinterließ ein Loch im Valenzband, das sich als positive Ladung verhält, und es entsteht ein Elektron-Loch-Paar. Löcher können manchmal verwirrend sein, da sie nicht wie Elektronen physikalische Teilchen sind, sondern das Fehlen eines Elektrons in einem Atom. Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen.

Elektronenanregung in Halbleitern

Energie für die Anregung kann auf verschiedene Arten erhalten werden.

Thermische Anregung

Elektronen-Loch-Paare werden auch ohne externe Energiequelle ständig aus Wärmeenergie erzeugt. Die thermische Anregung erfordert keine andere Form des Startimpulses. Dieses Phänomen tritt auch bei Raumtemperatur auf. Es wird durch Verunreinigungen, Unregelmäßigkeiten im Strukturgitter oder durch Dotierstoffe verursacht. Es hängt stark von der E- _{Lücke ab} (ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband), so dass für eine geringere E- _Lückeeine Anzahl von thermisch angeregten Ladungsträgern nimmt zu. Da thermische Anregung zu Detektorrauschen führt, ist für einige Halbleitertypen (z. B. Germanium) eine aktive Kühlung erforderlich. Detektoren auf Siliziumbasis weisen selbst bei Raumtemperatur ein ausreichend geringes Rauschen auf. Dies wird durch die große Bandlücke von Silizium (Egap = 1,12 eV) verursacht, die es uns ermöglicht, den Detektor bei Raumtemperatur zu betreiben. Kühlung wird jedoch bevorzugt, um das Rauschen zu reduzieren.

Optische Anregung

Es ist zu beachten, dass die Energie eines einzelnen Photons des sichtbaren Lichtspektrums mit diesen Bandlücken vergleichbar ist. Photonen mit Wellenlängen von 700 nm – 400 nm haben Energien von 1,77 eV 3,10 eV. Infolgedessen kann auch sichtbares Licht Elektronen zum Leitungsband anregen. Tatsächlich ist dies das Prinzip von Photovoltaikmodulen, die elektrischen Strom erzeugen.

Anregung durch ionisierende Strahlung

Elektronen können das Leitungsband erreichen, wenn sie durch ionisierende Strahlung angeregt werden (dh sie müssen Energie erhalten, die höher als Egap ist). Im Allgemeinen übertragen schwer geladene Teilchen Energie hauptsächlich durch:

• Erregung. Das geladene Teilchen kann Energie auf das Atom übertragen und Elektronen auf ein höheres Energieniveau bringen.
• Ionisation. Ionisation kann auftreten, wenn das geladene Teilchen genug Energie hat, um ein Elektron zu entfernen. Dies führt zur Bildung von Ionenpaaren in der umgebenden Materie.

Eine bequeme Variable, die die Ionisationseigenschaften des umgebenden Mediums beschreibt, ist die Stoppkraft . Der klassische Ausdruck, der den spezifischen Energieverlust beschreibt, ist als Bethe-Formel bekannt . Für Alpha-Partikel und schwerere Partikel ist die Stoppkraft der meisten Materialien für stark geladene Partikel sehr hoch und diese Partikel haben sehr kurze Reichweiten.

Zusätzlich zu diesen Wechselwirkungen verlieren Beta-Partikel durch Strahlungsprozesse, die als Bremsstrahlung bekannt sind, Energie . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen beim Beschleunigen oder Abbremsen Energie ausstrahlen, und die Verzögerungsstrahlung wird als Bremsstrahlung („Bremsstrahlung“) bezeichnet .

Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt (obwohl sie elektrisch neutral sind) ionisieren, aber die sekundäre (indirekte) Ionisation ist viel bedeutender. Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie.

• Photoelektrischer Effekt
• Compton-Effekt
• Paarproduktion

In allen Fällen lagert ein Teilchen ionisierender Strahlung einen Teil seiner Energie auf seinem Weg ab. Durch den Detektor laufende Teilchen ionisieren die Halbleiteratome und erzeugen die Elektron-Loch-Paare . Zum Beispiel sind typische Dicke von Siliziumdetektor sind etwa 300 um , so dass die Anzahl der erzeugten Elektronen-Loch – Paare durch mindestens ionisierenden Teilchens (MIP) , die senkrecht durch den Detektor etwa beträgt 3,2 x 10 ⁴ . Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtzahl der freien Ladungsträger im intrinsischen Halbleiter mit einer Oberfläche von 1 cm ² und derselben Dicke gering . Es ist zu beachten, dass eine Probe von reinem Germanium bei 20 ° C etwa 1,26 × 10 ²¹ Atome enthält, aber auch 7,5 × 10 ¹¹freie Elektronen und 7,5 x 10 ¹¹ Löcher, die ständig aus Wärmeenergie erzeugt werden . Wie zu sehen ist, wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) minimal. Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzliche 10 ¹⁵ freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitfähigkeit wird um den Faktor 10.000 erhöht. In dotiertem Material wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) noch kleiner. Das Abkühlen des Halbleiters ist eine Möglichkeit, dieses Verhältnis zu senken.

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 Siliziumstrahlungsdetektoren ist. 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.