Halbleiter sind Stoffe, deren spezifischer Widerstand größer als der von Leitern, aber kleiner als der von Nichtleitern ist.
Folgende Stoffe finden in der Halbleitertechnik hauptsächlich Verwendung:
Die wichtigsten Halbleiterbauteile sind aus Si oder Ge. Beide Elemente gehören zur 4. Gruppe im Periodensystem (Sie besitzen vier Valenzelektronen)
Die Stoffe können als sogenannte Einkristalle hergestellt werden. (siehe Atombindung) Dort sitzt jedes Si - Atom an einem festen Platz. Die Technik erfordert höchste Reinheitsgrade (staubfreie Produktionsräume). So kommt auf etwa 1011 Siliziumatome ein Fremdatom. |
Sie bestehen aus Verbindungen der Elemente aus den Gruppen 3 und 5 des Periodensystems. Sie besitzen ähnliche Eigenschaften, wie die reinen Halbleiter.
Vier Valenzelektronen bedeuten, dass jedes Siliziumatom vier Nachbaratome bindet. Jedes Valenzelektron umkreist den eigenen und einen benachbarten Atomrumpf. Das Nachbaratom bindet sich ebenfalls mit einem seiner Valenzelektronen. So entsteht die sogenannte Elektronenpaarbindung. Die räumliche Aufteilung der Siliziumatome im Kristall ergibt eine Tetraederstruktur.
Da kein Elektron frei ist, sind reine Halbleiter auch theoretisch keine Stromleiter.
Die Leitfähigkeit eines Stoffes hängt von der Anzahl der freien Elektronen ab (Valenzelektronen ohne Bindungsaufgabe). Im reinen Halbleiter sind bei -273°C (dem absoluten Nullpunkt) alle Elektronen gebunden. Erst mit Zunahme der Temperatur beginnen sich die Gitterbindungen da und dort aufzulösen, wodurch einzelne Elektronen frei werden können. Je heißer, desto mehr!
Die Eigenleitung läßt sich kurz wie folgt erklären:
Dabei werden bewusst Fremdatome aus den Gruppen 3 oder 5 in das Kristallgitter eingebaut. So entstehen die sogenannten Störstellen. Je nach Anzahl der eingebauten Fremdatome (Stärke der Dotierung) wird die Störstellen-Leitfähigkeit verbessert.
Vergleich der durch Dotation entstandenen Halbleiterwerkstoffe
n-Schicht | |
p-Schicht |
Reines Si-Kristall |
leitet wegen instabiler Bindung |
n-dotiertes Si-Kristall |
Jedes Donatoratom schenkt dem Werkstoff ein freies Elektron |
p-dotiertes Si-Kristall |
Jedes Akzeptoratom bringt dem Werkstoff ein Loch |
Die Herstellung von Halbleitersilizium erfolgt in hoch spezialisierten Betrieben. Als Ausgangsmaterial für weitere Verarbeitung dienen die Waver (Siliziumscheiben), deren Herstellung in folgenden Schritten geschieht (Filme der Fa:Wacker Siltronic)