Facebook Instagram Youtube Twitter

Was ist Halbleitermaterial – Reine und dotierte Halbleiter – Definition

Es gibt viele Halbleitermaterialien in der Natur und andere, die in Laboratorien synthetisiert werden. Pure Semiconductor vs Doped Semiconductor. Die bekanntesten sind Silizium (Si) und Germanium (Ge). Strahlendosimetrie
Siliziumstreifendetektor - Halbleiter
Silicin Strip Detector Quelle: micronsemiconductor.co.uk

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.

Halbleitermaterialien

Es gibt viele Arten von Halbleitern in der Natur und andere, die in Laboratorien synthetisiert werden. Am bekanntesten sind jedoch Silizium (Si) und Germanium (Ge).

Arten von Halbleitern:

  • Silizium - Halbleitermaterial
    Gereinigtes Silizium. Quelle: wikipedia.org Lizenz: Public Domain

    Silizium. Silizium ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 14, was bedeutet, dass sich 14 Protonen und 14 Elektronen in der Atomstruktur befinden. Das chemische Symbol für Silizium ist Si . Silizium ist ein harter und spröder kristalliner Feststoff mit einem blaugrauen metallischen Glanz, es ist ein vierwertiges Metalloid und ein Halbleiter. Silizium wird hauptsächlich für Detektoren geladener Teilchen (insbesondere zum Verfolgen geladener Teilchen) und weiche Röntgendetektoren verwendet. Die Energie mit großer Bandlücke (Egap = 1,12 eV) ermöglicht es uns, den Detektor bei Raumtemperatur zu betreiben, aber die Kühlung wird bevorzugt, um das Rauschen zu reduzieren. Detektoren auf Siliziumbasis sind in der Hochenergiephysik sehr wichtig. Da Detektoren auf Siliziumbasis sehr gut zur Verfolgung geladener Teilchen geeignet sindSie sind ein wesentlicher Bestandteil des Erkennungssystems am LHC im CERN.

  • Germanium - Halbleiter
    12 Gramm polykristallines Germanium. Quelle: wikipedia.org Lizenz: CC BY 3.0

    Germanium. Germanium ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 32, was bedeutet, dass sich 32 Protonen und 32 Elektronen in der Atomstruktur befinden. Das chemische Symbol für Germanium ist Ge . Germanium ist ein glänzendes, hartes, grauweißes Metalloid in der Kohlenstoffgruppe, das chemisch den Nachbarn Zinn und Silizium seiner Gruppe ähnlich ist. Reines Germanium ist ein Halbleiter mit einem ähnlichen Aussehen wie elementares Silizium. Germanium wird häufig für die Gammastrahlenspektroskopie verwendet. In der Gammaspektroskopie wird Germanium bevorzugt, da seine Ordnungszahl viel höher als die von Silizium ist und die Wahrscheinlichkeit einer Gammastrahlenwechselwirkung erhöht. Germanium wird für die Strahlungsdetektion häufiger als Silizium verwendet, da die zur Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares erforderliche durchschnittliche Energie 3,6 eV für Silizium und 2,9 eV für Germanium beträgt, was letzterem eine bessere Energieauflösung bietet. Andererseits hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E- Lücke = 0,67 eV), die es erforderlich macht, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben.

  • Diamant . Diamant ist eine feste Form des Elements Kohlenstoff, dessen Atome in einer Kristallstruktur angeordnet sind, die als Diamantkubik bezeichnet wird. Diamanten sind auch sehr gute elektrische Isolatoren, was seltsamerweise sowohl nützlich als auch problematisch für elektrische Geräte ist. Diamant ist ein Halbleiter mit breiter Bandlücke (Egap = 5,47 eV) mit hohem Potenzial als Material für elektronische Geräte in vielen Geräten. Diamantdetektoren haben viele Ähnlichkeiten mit Siliziumdetektoren, es wird jedoch erwartet, dass sie signifikante Vorteile bieten, insbesondere eine hohe Strahlungshärte und sehr niedrige Driftströme.
  • Halbleiterdetektoren - ParametertabelleCdTe und CdZnTe. Cadmiumtellurid (CdTe) und Cadmiumzinktellurid (CdZnTe) gelten als vielversprechende Halbleitermaterialien für die Detektion von harten Röntgen- und Gammastrahlen. Aufgrund der hohen Ordnungszahl und der hohen Dichte dieser Materialien können sie Röntgen- und Gammastrahlen mit Energien von mehr als 20 keV, die herkömmliche Sensoren auf Siliziumbasis nicht erfassen können, effektiv abschwächen. Dies erhöht ihre Quanteneffizienz im Vergleich zu Silizium signifikant. Die große Bandlückenenergie (Egap = 1,44 eV) ermöglicht es uns, den Detektor bei Raumtemperatur zu betreiben. Andererseits führt ein beträchtlicher Ladungsverlust in diesen Detektoren zu einer verringerten Energieauflösung.

Reiner Halbleiter

Ein intrinsischer Halbleiter ist ein vollständig reiner Halbleiter, ohne dass signifikante Dotierstoffspezies vorhanden sind. Daher sind intrinsische Halbleiter auch als reine Halbleiter oder Halbleiter vom i-Typ bekannt.

intrinsische HalbleiterDie Anzahl der Ladungsträger bei einer bestimmten Temperatur wird daher durch die Eigenschaften des Materials selbst anstelle der Menge an Verunreinigungen bestimmt. Es ist zu beachten, dass eine 1 cm 3 -Probe von reinem Germanium bei 20 ° C ungefähr 4,2 × 10 22 Atome enthält, aber auch ungefähr 2,5 × 10 13 freie Elektronen und 2,5 × 10 13 Löcher enthält. Diese Ladungsträger werden durch thermische Anregung erzeugt. In intrinsischen Halbleitern sind die Anzahl der angeregten Elektronen und die Anzahl der Löcher gleich: n = p . Elektronen und Löcher werden durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband erzeugt. 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. Diese Gleichheit kann sogar nach dem Dotieren des Halbleiters der Fall sein, allerdings nur, wenn er sowohl mit Donoren als auch mit Akzeptoren gleichermaßen dotiert ist. In diesem Fall gilt immer noch n = p, und der Halbleiter bleibt intrinsisch, obwohl er dotiert ist.

Halbleiter haben eine Energielücke von weniger als 4 eV (etwa 1 eV). Bandlücken sind natürlich für verschiedene Materialien unterschiedlich. Beispielsweise ist Diamant ein Halbleiter mit großer Bandlücke (Egap = 5,47 eV) mit hohem Potenzial als elektronisches Gerätematerial in vielen Geräten. Auf der anderen Seite hat Germanium eine kleine Bandlückenenergie (E- Lücke = 0,67 eV), die es erforderlich macht, den Detektor bei kryogenen Temperaturen zu betreiben. 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) erhalten, um die Bandlücke zu überwinden und das Leitungsband zu erreichen.

Eigenhalbleiter sind jedoch nicht sehr nützlich, da sie weder sehr gute Isolatoren noch sehr gute Leiter sind. Ein wichtiges Merkmal von Halbleitern ist jedoch, dass ihre Leitfähigkeit durch Dotieren mit Verunreinigungen und Ansteuern mit elektrischen Feldern erhöht und gesteuert werden kann . Es sei daran erinnert, dass eine 1 cm 3 -Probe von reinem Germanium bei 20 ° C etwa 4,2 × 10 22 Atome enthält, aber auch etwa 2,5 × 10 13 freie Elektronen und 2,5 × 10 13 Löcher, die ständig aus Wärmeenergie erzeugt werden. Die Gesamtabsorption eines 1 MeV-Photons erzeugt etwa 3 x 10 5 Elektron-Loch-Paare . Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtzahl der freien Träger in einem 1 cm 3 geringintrinsischer Halbleiter. Wie zu sehen ist, wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) minimal. Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzliche 10 17 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. Da Germanium eine relativ geringe Bandlücke aufweist, müssen diese Detektoren gekühlt werden, um die thermische Erzeugung von Ladungsträgern auf ein akzeptables Maß zu reduzieren. Andernfalls zerstört durch Leckstrom induziertes Rauschen die Energieauflösung des Detektors. Dotierung und Gating bewegen entweder das Leitungs- oder das Valenzband viel näher an das Fermi-Niveau und erhöhen die Anzahl der teilweise gefüllten Zustände erheblich.

Dotierte Halbleiter

Ein extrinsischer Halbleiter oder dotierter Halbleiter ist ein Halbleiter, der absichtlich dotiert wurde, um seine elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften zu modulieren. Im Fall von Halbleiterdetektoren ionisierender Strahlung ist Dotierung das absichtliche Einbringen von Verunreinigungen in einen intrinsischen Halbleiter zum Zwecke der Änderung ihrer elektrischen Eigenschaften. Daher sind intrinsische Halbleiter auch als reine Halbleiter oder Halbleiter vom i-Typ bekannt.

Die Zugabe eines kleinen Prozentsatzes von Fremdatomen in das reguläre 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 Struktur bereitstellen Halbleiter. In einem extrinsischen Halbleiter sind es diese fremden Dotierstoffatome im Kristallgitter, die hauptsächlich die Ladungsträger bereitstellen, die elektrischen Strom durch den Kristall führen. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von Dotierstoffatomen, die zu zwei Arten von extrinsischen Halbleitern führen. Diese Dotierstoffe, die die gewünschten kontrollierten Veränderungen hervorrufen, werden entweder als Elektronenakzeptoren oder als Donoren klassifiziert und die entsprechenden dotierten Halbleiter sind bekannt als:

Extrinsische Halbleiter sind Bestandteile vieler gängiger elektrischer Geräte sowie vieler Detektoren ionisierender Strahlung. Zu diesem Zweck besteht eine Halbleiterdiode (Bauelemente, die Strom nur in einer Richtung zulassen) normalerweise aus Halbleitern vom p-Typ und n-Typ, die in Verbindung miteinander angeordnet sind.

 

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.