Was ist ein Halbleiter? Beispiele für Halbleiter. Typen, Eigenschaften, praktische Anwendungen

Wir haben über Leiter und Dielektrika gesprochen und kurz erwähnt, dass es eine Zwischenform der Leitfähigkeit gibt, die unter bestimmten Bedingungen die Eigenschaften eines Leiters oder Dielektrikums annehmen kann. Diese Art von Substanz wird als Halbleiter bezeichnet.

Ich möchte Sie daran erinnern: In Bezug auf die elektrischen Eigenschaften nehmen Halbleiter einen Mittelplatz zwischen Stromleitern und Nichtleitern ein.
Am häufigsten werden Germanium und Silizium zur Herstellung von Halbleitern verwendet, seltener Selen, Kupferoxid und andere Substanzen.

Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern hängt stark von der Umgebungstemperatur ab. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) verhalten sie sich gegenüber elektrischem Strom wie Isolatoren. Die meisten Leiter hingegen werden bei dieser Temperatur supraleitend, das heißt, sie bieten dem Strom nahezu keinen Widerstand mehr. Mit zunehmender Temperatur der Leiter steigt ihr Widerstand gegenüber elektrischem Strom und der Widerstand von Halbleitern nimmt ab. Die elektrische Leitfähigkeit von Leitern ändert sich bei Lichteinwirkung nicht. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern unter Lichteinfluss, die sogenannte Photoleitfähigkeit, erhöht sich.

Halbleiter können Lichtenergie in elektrischen Strom umwandeln. Das ist absolut untypisch für Dirigenten. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern steigt stark an, wenn Atome anderer Elemente in sie eingebracht werden. Die elektrische Leitfähigkeit von Leitern nimmt ab, wenn Verunreinigungen in sie eingebracht werden.

Germanium und Silizium, die Ausgangsmaterialien vieler moderner Halbleiterbauelemente, verfügen jeweils über vier Valenzelektronen in den äußeren Schichten ihrer Schalen. Insgesamt gibt es in einem Germaniumatom 32 Elektronen und in einem Siliziumatom 14. Aber 28 Germaniumelektronen und 10 Siliziumelektronen, die sich in den inneren Schichten ihrer Schalen befinden, werden von den Kernen festgehalten und unter keinen Umständen von ihnen getrennt ihnen. Nur vier Valenzelektronen der Atome dieser Halbleiter können, und selbst dann nicht immer, frei werden. Ein Halbleiteratom, das mindestens ein Elektron verloren hat, wird zu einem positiven Ion. In einem Halbleiter sind die Atome in einer strengen Reihenfolge angeordnet: Jedes von ihnen ist von vier ähnlichen Atomen umgeben. Außerdem liegen sie so nahe beieinander, dass ihre Valenzelektronen einzelne Bahnen bilden, die alle benachbarten Atome umrunden und sie so zu einer einzigen Substanz verbinden.
Diese Beziehung der Atome in einem Halbleiterkristall kann man sich in Form eines flachen Diagramms vorstellen, wie in Abb. 1, a. Hier stellen große Kugeln mit dem „+“-Zeichen herkömmlicherweise Atomkerne mit inneren Schichten der Elektronenhülle (positive Ionen) dar, und kleine Kugeln – Valenzelektronen . Jedes Atom ist von vier genau gleichen umgeben. Jeder von ihnen ist mit jedem benachbarten durch zwei Valenzelektronen verbunden, von denen eines „sein eigenes“ ist und das zweite vom „Nachbarn“ geliehen ist. Dabei handelt es sich um eine Zwei-Elektronen- oder Valenzbindung. Die stärkste Verbindung! Die äußere Schicht der Elektronenhülle jedes Atoms enthält wiederum acht Elektronen: vier eigene und je eines von vier benachbarten Atomen. Hier ist es nicht mehr möglich, zu unterscheiden, welches der Valenzelektronen „Ihres“ und welches „fremdes“ ist, da sie üblich geworden sind. Bei einer solchen Verbindung von Atomen in der gesamten Masse eines Germanium- oder Siliziumkristalls können wir davon ausgehen, dass der Halbleiterkristall ein einziges großes Molekül ist. Das Diagramm der Verbindung von Atomen in einem Halbleiter kann der Übersichtlichkeit halber vereinfacht werden, indem es wie in Abb. dargestellt dargestellt wird. 1, 6. Hier werden die Kerne von Atomen mit inneren Elektronenhüllen als Kreise mit einem Pluszeichen dargestellt, und interatomare Bindungen werden als zwei Linien dargestellt, die Valenzelektronen symbolisieren.

Elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern

Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verhält sich ein Halbleiter wie ein absoluter Nichtleiter, da er keine freien Elektronen besitzt. Erfolgt kein Temperaturanstieg, wird die Verbindung der Valenzelektronen mit den Atomkernen schwächer und einige von ihnen können durch thermische Bewegung ihre Atome verlassen. Ein Elektron wird aus einer interatomaren Bindung entwichen frei (in Abb. 1, b - schwarzer Punkt), und wo er vorher war, entsteht ein leerer Raum. Dieser leere Raum in der interatomaren Bindung eines Halbleiters wird üblicherweise als „“ bezeichnet Loch (in Abb. 1,b gibt es eine gestrichelte Linie). Je höher die Temperatur, desto mehr freie Elektronen und Löcher erscheinen. Somit ist die Bildung eines Lochs in der Masse eines Halbleiters mit dem Abgang eines Valenzelektrons aus der Atomhülle verbunden, und das Auftreten eines Lochs entspricht dem Auftreten einer positiven elektrischen Ladung, die dem negativen Elektron entspricht.

Abbildung 1. Diagramm der Beziehung der Atome in einem Halbleiterkristall (a) und ein vereinfachtes Diagramm seiner Struktur (b).

Schauen Sie sich nun die Figur an. 2. Es zeigt schematisch das Phänomen der Stromerzeugung in einem Halbleiter. Die Ursache des Stroms ist die an den Polen anliegende Spannung (in Abb. 2 wird die Spannungsquelle durch die Zeichen „+“ und „-“ symbolisiert).. Aufgrund thermischer Phänomene wird in der gesamten Masse des Halbleiters eine bestimmte Anzahl von Elektronen aus interatomaren Bindungen freigesetzt (in Abb. 2 sind sie durch Punkte mit Pfeilen gekennzeichnet). In der Nähe des Pluspols der Spannungsquelle freigesetzte Elektronen werden von diesem Pol angezogen und verlassen die Halbleitermasse, wobei Löcher zurückbleiben. Auch Elektronen, die in einiger Entfernung vom Pluspol interatomare Bindungen hinterlassen haben, werden von diesem angezogen und bewegen sich auf ihn zu. Aber nachdem sie auf ihrem Weg auf Löcher gestoßen sind, scheinen die Elektronen in sie hineinzuspringen (Abb. 2, a), und die interatomaren Bindungen werden gefüllt. Und die Löcher, die dem Minuspol am nächsten liegen, sind mit anderen Elektronen gefüllt, die von Atomen stammen, die noch näher am Minuspol liegen (Abb. 2, b). Während das elektrische Feld im Halbleiter aktiv ist, geht dieser Prozess weiter: Einige interatomare Bindungen werden aufgebrochen – Valenzelektronen verlassen sie, Löcher entstehen – und andere interatomare Bindungen werden gefüllt – aus einigen anderen interatomaren Bindungen freigesetzte Elektronen „springen“ in die Löcher (Abb . 2 , b-c).

Abbildung 2. Schema der Bewegung von Elektronen und Löchern.

Bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt erscheinen und verschwinden in einem Halbleiter kontinuierlich freie Elektronen und Löcher, auch wenn keine externen elektrischen Felder vorhanden sind. Doch Elektronen und Löcher bewegen sich chaotisch in unterschiedliche Richtungen und verlassen den Halbleiter nicht. In einem reinen Halbleiter ist die Anzahl der zu jedem Zeitpunkt freigesetzten Elektronen gleich der Anzahl der in diesem Fall gebildeten Löcher. Ihre Gesamtzahl ist bei Raumtemperatur relativ gering. Daher beträgt die elektrische Leitfähigkeit eines solchen Halbleiters (genannt eigen) , ist klein und bietet dem elektrischen Strom ziemlich viel Widerstand. Wenn einem reinen Halbleiter jedoch auch nur eine unbedeutende Menge an Verunreinigungen in Form von Atomen anderer Elemente hinzugefügt wird, steigt seine elektrische Leitfähigkeit stark an. In diesem Fall hängt die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters von der Struktur der Atome der Verunreinigungselemente ab elektronisch oder Loch .

Elektronische Leitfähigkeit

Wird ein Atom in einem Halbleiterkristall durch ein Antimonatom ersetzt, das in der äußeren Schicht der Elektronenhülle über fünf Valenzelektronen verfügt, bindet dieses „fremde“ Atom mit vier Elektronen an vier benachbarte Atome des Halbleiters. Das fünfte Valenzelektron des Antimonatoms wird „zusätzlich“ sein und frei werden. Je mehr Antimonatome in den Halbleiter eingebracht werden, desto mehr freie Elektronen enthält seine Masse. Folglich ähnelt ein Halbleiter mit einer Beimischung von Antimon in seinen Eigenschaften einem Metall: Damit ein elektrischer Strom durch ihn fließen kann, müssen darin interatomare Bindungen nicht unbedingt zerstört werden. Man nennt sie elektrisch leitende Halbleiter oder Halbleiter vom Typ (n). Hier ist der lateinische Buchstabe n der Anfangsbuchstabe des lateinischen Wortes negativ (negativ), was „negativ“ bedeutet . Dieser Begriff ist in diesem Fall in dem Sinne zu verstehen, dass in einem Halbleiter vom n-Typ die Hauptstromträger negative Ladungen sind, d.h. Elektronen.

Lochleitfähigkeit

Ein völlig anderes Bild ergibt sich, wenn Atome mit drei Valenzelektronen, beispielsweise Indium, in den Halbleiter eingebracht werden. Jedes Indiummetallatom füllt mit seinen drei Elektronen Bindungen mit nur drei benachbarten Atomen des Halbleiters, und ihm fehlt ein Elektron, um die Bindung mit dem vierten zu füllen. Es entsteht ein Loch. Es kann natürlich mit einem Elektron gefüllt sein, das aus der Valenzbindung mit anderen Atomen des Halbleiters entwichen ist. Unabhängig davon, wo sich die Löcher befinden, werden jedoch nicht genügend Elektronen in der Masse des mit Indium dotierten Halbleiters vorhanden sein, um sie zu füllen. Und je mehr Indium-Fremdatome in den Halbleiter eingebracht werden, desto mehr Löcher entstehen darin. Damit sich Elektronen in einem solchen Halbleiter bewegen können, müssen Valenzbindungen zwischen Atomen zerstört werden. Die ihnen entweichenden bzw. von außen in den Halbleiter eindringenden Elektronen wandern von Loch zu Loch. Und in der gesamten Masse des Halbleiters ist zu jedem Zeitpunkt die Anzahl der Löcher größer als die Gesamtzahl der freien Elektronen. Sie werden Halbleiter mit elektrischer Lochleitfähigkeit oder Typ (p) genannt. Lateinischer Buchstabe r – der erste Buchstabe eines lateinischen Wortes positiv (positiv), was „positiv“ bedeutet. Dieser Begriff ist in diesem Fall in dem Sinne zu verstehen, dass das Phänomen des elektrischen Stroms in der Masse eines Halbleiters vom Typ (p) mit dem kontinuierlichen Auftreten und Verschwinden positiver Ladungen – Löcher – einhergeht. Löcher bewegen sich durch die Masse des Halbleiters und fungieren als Stromträger. Halbleiter vom Typ p sowie vom Typ n weisen im Vergleich zu reinen Halbleitern eine um ein Vielfaches bessere elektrische Leitfähigkeit auf.
Es muss gesagt werden, dass es praktisch keine vollständig reinen Halbleiter und absolut elektrisch leitfähigen Typen n und p gibt. Ein Halbleiter mit einer Beimischung von Indium enthält notwendigerweise eine kleine Anzahl von Atomen einiger anderer Elemente, die ihm elektronische Leitfähigkeit verleihen, und bei einer Beimischung von Antimon gibt es Atome von Elementen, die ihm eine elektrische Leitfähigkeit verleihen. Beispielsweise gibt es in einem Halbleiter mit einer elektrischen Gesamtleitfähigkeit vom Typ n Löcher, die mit freien Elektronen aus Antimon-Fremdatomen gefüllt werden können. Dadurch wird sich die elektrische Leitfähigkeit etwas verschlechtern, die elektronische Leitfähigkeit bleibt jedoch im Allgemeinen erhalten. Ein ähnliches Phänomen wird beobachtet, wenn freie Elektronen in einen Halbleiter mit Lochcharakter eindringen.

Daher sind in Halbleitern vom n-Typ die Hauptstromträger Elektronen (elektronische elektrische Leitfähigkeit überwiegt) und in p-Typ-Halbleitern sind die Hauptstromträger Löcher (elektrische Leitfähigkeit von Löchern überwiegt).

In diesem Artikel gibt es nichts besonders Wichtiges oder Interessantes, sondern nur eine Antwort auf eine einfache Frage für „Dummköpfe“: Was sind die Haupteigenschaften, die Halbleiter von Metallen und Dielektrika unterscheiden?

Halbleiter sind Materialien (Kristalle, polykristalline und amorphe Materialien, Elemente oder Verbindungen) mit einer Bandlücke (zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband).

Elektronische Halbleiter sind Kristalle und amorphe Stoffe, die hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit eine Zwischenstellung zwischen Metallen (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) und Dielektrika (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm -) einnehmen. 1 cm -1). Allerdings sind die angegebenen Grenzwerte der Leitfähigkeit sehr willkürlich.

Die Bandentheorie ermöglicht es, ein Kriterium zu formulieren, das die Einteilung von Festkörpern in zwei Klassen ermöglicht – Metalle und Halbleiter (Isolatoren). Metalle zeichnen sich durch das Vorhandensein freier Niveaus im Valenzband aus, in die sich Elektronen bewegen können und beispielsweise durch Beschleunigung in einem elektrischen Feld zusätzliche Energie erhalten. Ein besonderes Merkmal von Metallen ist, dass sie in ihrem unerregten Grundzustand (bei 0 K) Leitungselektronen besitzen, d. h. Elektronen, die unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes an einer geordneten Bewegung teilnehmen.

In Halbleitern und Isolatoren ist bei 0 K das Valenzband vollständig besetzt, das Leitungsband ist durch eine Bandlücke davon getrennt und enthält keine Träger. Daher ist ein nicht zu starkes elektrisches Feld nicht in der Lage, die im Valenzband befindlichen Elektronen zu verstärken und in das Leitungsband zu übertragen. Mit anderen Worten: Solche Kristalle sollten bei 0 K ideale Isolatoren sein. Wenn die Temperatur steigt oder ein solcher Kristall bestrahlt wird, können Elektronen Quanten thermischer oder Strahlungsenergie absorbieren, die ausreichen, um in das Leitungsband zu gelangen. Bei diesem Übergang entstehen Löcher im Valenzband, die ebenfalls an der Stromübertragung beteiligt sein können. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron vom Valenzband in das Leitungsband übergeht, ist proportional zu ( -EG/ kT), Wo EG - Breite der verbotenen Zone. Mit einem großen Wert EG (2-3 eV) erweist sich diese Wahrscheinlichkeit als sehr gering.

Somit hat die Einteilung der Stoffe in Metalle und Nichtmetalle eine ganz bestimmte Grundlage. Im Gegensatz dazu hat die Einteilung der Nichtmetalle in Halbleiter und Dielektrika keine solche Grundlage und ist rein bedingt.

Bisher ging man davon aus, dass Stoffe mit einer Bandlücke als Dielektrika klassifiziert werden könnten EG≈ 2÷3 eV, aber später stellte sich heraus, dass viele von ihnen typische Halbleiter sind. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass je nach Konzentration der Verunreinigungen oder überschüssiger (über der stöchiometrischen Zusammensetzung liegender) Atome einer der Komponenten derselbe Kristall sowohl ein Halbleiter als auch ein Isolator sein kann. Dies gilt beispielsweise für Kristalle aus Diamant, Zinkoxid, Galliumnitrid usw. Sogar typische Dielektrika wie Barium- und Strontiumtitanate sowie Rutil erhalten bei teilweiser Reduktion die Eigenschaften von Halbleitern, was mit dem Auftreten überschüssiger Metallatome in ihnen verbunden ist.

Auch die Einteilung der Nichtmetalle in Halbleiter und Dielektrika hat eine gewisse Bedeutung, da eine Reihe von Kristallen bekannt sind, deren elektronische Leitfähigkeit weder durch Einbringen von Verunreinigungen noch durch Beleuchtung oder Erwärmung merklich erhöht werden kann. Dies liegt entweder an der sehr kurzen Lebensdauer von Photoelektronen oder an der Existenz tiefer Fallen in Kristallen oder an der sehr geringen Mobilität der Elektronen, d. h. mit einer extrem geringen Driftgeschwindigkeit in einem elektrischen Feld.

Die elektrische Leitfähigkeit ist proportional zur Konzentration n, der Ladung e und der Beweglichkeit der Ladungsträger. Daher wird die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit verschiedener Materialien durch die Temperaturabhängigkeiten der angegebenen Parameter bestimmt. Für alle elektronischen Leiter kostenlos e konstant und unabhängig von der Temperatur. In den meisten Materialien nimmt der Mobilitätswert mit zunehmender Temperatur normalerweise leicht ab, da die Intensität der Kollisionen zwischen sich bewegenden Elektronen und Phononen zunimmt, d. h. aufgrund der Elektronenstreuung durch Schwingungen des Kristallgitters. Das unterschiedliche Verhalten von Metallen, Halbleitern und Dielektrika hängt daher hauptsächlich mit der Ladungsträgerkonzentration und deren Temperaturabhängigkeit zusammen:

1) In Metallen ist die Konzentration der Ladungsträger n hoch und ändert sich geringfügig bei Temperaturänderungen. Die in der Gleichung für die elektrische Leitfähigkeit enthaltene Variable ist die Mobilität. Und da die Mobilität mit der Temperatur leicht abnimmt, nimmt auch die elektrische Leitfähigkeit ab;

2) in Halbleitern und Dielektrika N steigt normalerweise exponentiell mit der Temperatur an. Dieses rasante Wachstum N leistet den größten Beitrag zu Veränderungen der Leitfähigkeit als eine Abnahme der Mobilität. Daher steigt die elektrische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur schnell an. In diesem Sinne können Dielektrika als gewisser Grenzfall betrachtet werden, da bei normalen Temperaturen der Wert N in diesen Substanzen ist äußerst gering. Bei hohen Temperaturen erreicht die Leitfähigkeit einzelner Dielektrika durch einen Anstieg das Halbleiterniveau N. Auch das Gegenteil ist zu beobachten: Bei niedrigen Temperaturen werden manche Halbleiter zu Isolatoren.

Referenzliste

1. West A. Chemie der Feststoffe. Teil 2 Pro. aus dem Englischen - M.: Mir, 1988. - 336 S.
2. Moderne Kristallographie. T.4. Physikalische Eigenschaften von Kristallen. - M.: Nauka, 1981.

Studierende der Gruppe 501 der Fakultät für Chemie: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.

Eine der Haupteigenschaften eines p-n-Übergangs ist seine Fähigkeit, elektrischen Strom in einer (Vorwärts-)Richtung tausende und millionenfach besser zu leiten als in der Rückwärtsrichtung.

Halbleiter sind eine Stoffklasse, die eine Zwischenstellung zwischen Stoffen einnimmt, die den elektrischen Strom gut leiten (Leiter, hauptsächlich Metalle) und Stoffen, die den elektrischen Strom praktisch nicht leiten (Isolatoren oder Dielektrika).

Halbleiter zeichnen sich durch eine starke Abhängigkeit ihrer Eigenschaften und Charakteristika von den mikroskopischen Mengen an enthaltenen Verunreinigungen aus. Indem Sie die Menge an Verunreinigungen in einem Halbleiter von zehn Millionstel Prozent auf 0,1–1 % ändern, können Sie deren Leitfähigkeit um das Millionenfache ändern. Eine weitere wichtige Eigenschaft von Halbleitern besteht darin, dass elektrischer Strom nicht nur von negativen Ladungen – Elektronen, sondern auch von positiven Ladungen gleicher Größe – Löchern – in sie geleitet wird.

Betrachten wir einen idealisierten Halbleiterkristall, der absolut frei von jeglichen Verunreinigungen ist, dann wird seine Fähigkeit, elektrischen Strom zu leiten, durch die sogenannte intrinsische elektrische Leitfähigkeit bestimmt.

Atome in einem Halbleiterkristall werden durch Elektronen in der äußeren Elektronenhülle miteinander verbunden. Bei thermischen Schwingungen von Atomen wird die Wärmeenergie ungleichmäßig zwischen den Elektronen verteilt, die Bindungen bilden. Einzelne Elektronen können genügend thermische Energie erhalten, um sich von ihrem Atom zu „lösen“ und sich frei im Kristall zu bewegen, d. h. zu potenziellen Stromträgern zu werden (mit anderen Worten, sie bewegen sich in das Leitungsband). Ein solcher Elektronenabgang verletzt die elektrische Neutralität des Atoms; es erhält eine positive Ladung, deren Größe der Ladung des abgeschiedenen Elektrons entspricht. Dieser freie Raum wird Loch genannt.

Da die freie Stelle durch ein Elektron aus einer benachbarten Bindung besetzt werden kann, kann sich das Loch auch innerhalb des Kristalls bewegen und zum positiven Stromträger werden. Unter diesen Bedingungen treten natürlicherweise Elektronen und Löcher in gleichen Mengen auf, und die elektrische Leitfähigkeit eines solchen idealen Kristalls wird gleichermaßen durch positive und negative Ladungen bestimmt.

Wenn wir anstelle eines Atoms des Haupthalbleiters ein Verunreinigungsatom platzieren, dessen äußere Elektronenhülle ein Elektron mehr enthält als das Atom des Haupthalbleiters, dann erweist sich ein solches Elektron als überflüssig, unnötig für die Bildung von interatomare Bindungen im Kristall und schwach mit seinem Atom verbunden. Zehnmal weniger Energie reicht aus, um es von seinem Atom zu lösen und in ein freies Elektron umzuwandeln. Solche Verunreinigungen werden Donor genannt, d. h. sie geben ein „zusätzliches“ Elektron ab. Das Verunreinigungsatom ist natürlich positiv geladen, aber es erscheint kein Loch, da ein Loch nur eine Elektronenlücke in einer ungefüllten interatomaren Bindung sein kann und in diesem Fall alle Bindungen gefüllt sind. Diese positive Ladung bleibt bewegungslos mit ihrem Atom verbunden und kann daher nicht am Prozess der elektrischen Leitfähigkeit teilnehmen.

Das Einbringen von Verunreinigungen in einen Halbleiter, dessen äußere Elektronenhülle weniger Elektronen enthält als in den Atomen der Grundsubstanz, führt zum Auftreten ungefüllter Bindungen, also Löcher. Wie oben erwähnt, kann diese Lücke durch ein Elektron aus einer benachbarten Bindung besetzt werden, und das Loch kann sich frei im Kristall bewegen. Mit anderen Worten: Die Bewegung eines Lochs ist ein sequenzieller Übergang von Elektronen von einer benachbarten Bindung zur anderen. Solche Verunreinigungen, die ein Elektron „aufnehmen“, werden Akzeptor-Verunreinigungen genannt.

Legt man an die Metall-Dielektrikum-Halbleiterstruktur vom n-Typ eine Spannung (wie in der Polaritätsabbildung angegeben) an, so entsteht in der oberflächennahen Schicht des Halbleiters ein elektrisches Feld, das Elektronen abstößt. Es stellt sich heraus, dass diese Schicht erschöpft ist.

In einem Halbleiter vom p-Typ, in dem die Mehrheitsträger positive Ladungen – Löcher – sind, zieht die Polarität der Spannung, die Elektronen abstößt, Löcher an und erzeugt eine angereicherte Schicht mit verringertem Widerstand. Eine Änderung der Polarität führt in diesem Fall zur Abstoßung von Löchern und zur Bildung einer oberflächennahen Schicht mit erhöhtem Widerstand.

Mit zunehmender Menge an Verunreinigungen der einen oder anderen Art beginnt die elektrische Leitfähigkeit des Kristalls einen immer ausgeprägteren elektronischen oder Lochcharakter anzunehmen. In Übereinstimmung mit den Anfangsbuchstaben der lateinischen Wörter negativus und positivus wird die elektronische elektrische Leitfähigkeit als elektrische Leitfähigkeit vom n-Typ und die Lochleitfähigkeit als p-Typ bezeichnet, was angibt, welcher Typ mobiler Ladungsträger für einen bestimmten Halbleiter der Haupttyp ist und welches das kleinere ist.

Bei elektrischer Leitfähigkeit aufgrund des Vorhandenseins von Verunreinigungen (d. h. Verunreinigung) verbleiben im Kristall noch zwei Arten von Trägern: die Hauptträger, die hauptsächlich durch die Einführung von Verunreinigungen in den Halbleiter entstehen, und die Minderheitsträger, die verdanken ihr Aussehen der thermischen Anregung. Der Gehalt an Elektronen n und Löchern p in 1 cm 3 (Konzentration) für einen gegebenen Halbleiter bei einer gegebenen Temperatur ist ein konstanter Wert: n − p = const. Dies bedeutet, dass wir die Konzentration von Trägern eines anderen Typs um den gleichen Betrag verringern, indem wir die Konzentration von Trägern eines bestimmten Typs aufgrund der Einführung von Verunreinigungen um ein Vielfaches erhöhen. Die nächste wichtige Eigenschaft von Halbleitern ist ihre starke Empfindlichkeit gegenüber Temperatur und Strahlung. Mit steigender Temperatur steigt die durchschnittliche Schwingungsenergie der Atome im Kristall und es werden immer mehr Bindungen aufgebrochen. Es entstehen immer mehr Elektronen-Loch-Paare. Bei ausreichend hohen Temperaturen kann die intrinsische (Wärme-)Leitfähigkeit der Verunreinigungsleitfähigkeit entsprechen oder diese sogar deutlich übertreffen. Je höher die Konzentration der Verunreinigungen ist, desto höher ist die Temperatur, in der dieser Effekt auftritt.

Bindungen können auch durch Bestrahlung des Halbleiters, beispielsweise mit Licht, aufgebrochen werden, wenn die Energie der Lichtquanten ausreicht, um die Bindungen aufzubrechen. Die Energie zum Aufbrechen von Bindungen ist bei verschiedenen Halbleitern unterschiedlich, sodass sie unterschiedlich auf bestimmte Teile des Strahlungsspektrums reagieren.

Als Haupthalbleitermaterialien werden Silizium- und Germaniumkristalle verwendet, als Verunreinigungen werden Bor, Phosphor, Indium, Arsen, Antimon und viele andere Elemente verwendet, die Halbleitern die notwendigen Eigenschaften verleihen. Die Herstellung von Halbleiterkristallen mit einem bestimmten Gehalt an Verunreinigungen ist ein komplexer technologischer Prozess, der unter besonders sauberen Bedingungen mit hochpräzisen und komplexen Geräten durchgeführt wird.

Alle aufgeführten wichtigsten Eigenschaften von Halbleitern werden genutzt, um Halbleiterbauelemente zu schaffen, die in ihren Zwecken und Anwendungsbereichen sehr unterschiedlich sind. Dioden, Transistoren, Thyristoren und viele andere Halbleiterbauelemente werden in der Technik häufig eingesetzt. Der Einsatz von Halbleitern begann erst vor relativ kurzer Zeit, und heute ist es schwierig, alle ihre „Berufe“ aufzuzählen. Sie wandeln Licht- und Wärmeenergie in elektrische Energie um und erzeugen umgekehrt mit Strom Wärme und Kälte (siehe Solarenergie). Halbleiterbauelemente finden sich in einem herkömmlichen Radioempfänger und in einem Quantengenerator – einem Laser –, in einer winzigen Atombatterie und in Miniaturblöcken eines elektronischen Computers. Auf Halbleitergleichrichter, -schalter und -verstärker können Ingenieure heute nicht mehr verzichten. Der Ersatz von Röhrengeräten durch Halbleitergeräte hat es ermöglicht, die Größe und das Gewicht elektronischer Geräte um das Zehnfache zu reduzieren, ihren Stromverbrauch zu senken und die Zuverlässigkeit drastisch zu erhöhen.

Dies können Sie im Artikel Mikroelektronik nachlesen.

Themen des Einheitlichen Staatsexamen-Kodifikators: Halbleiter, Eigen- und Fremdleitfähigkeit von Halbleitern.

Wenn wir bisher über die Fähigkeit von Stoffen sprechen, elektrischen Strom zu leiten, haben wir sie in Leiter und Dielektrika unterteilt. Der spezifische Widerstand gewöhnlicher Leiter liegt im Ohm-m-Bereich; Der spezifische Widerstand von Dielektrika übersteigt diese Werte im Durchschnitt um Größenordnungen: Ohm m.

Es gibt aber auch Stoffe, die in ihrer elektrischen Leitfähigkeit eine Zwischenstellung zwischen Leitern und Dielektrika einnehmen. Das Halbleiter: Ihr spezifischer Widerstand kann bei Raumtemperatur Werte in einem sehr weiten Ohm-m-Bereich annehmen. Zu den Halbleitern gehören Silizium, Germanium, Selen und einige andere chemische Elemente und Verbindungen (Halbleiter kommen in der Natur äußerst häufig vor. Beispielsweise bestehen etwa 80 % der Masse der Erdkruste aus Substanzen, die Halbleiter sind). Am häufigsten werden Silizium und Germanium verwendet.

Das Hauptmerkmal von Halbleitern ist, dass ihre elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur stark ansteigt. Der spezifische Widerstand eines Halbleiters nimmt mit zunehmender Temperatur ungefähr wie in Abb. gezeigt ab. 1 .

Reis. 1. Abhängigkeit von einem Halbleiter

Mit anderen Worten: Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich Halbleiter wie Dielektrika und bei hohen Temperaturen wie ziemlich gute Leiter. Das ist der Unterschied zwischen Halbleitern und Metallen: Wie Sie sich erinnern, steigt der spezifische Widerstand eines Metalls linear mit steigender Temperatur.

Es gibt weitere Unterschiede zwischen Halbleitern und Metallen. Somit führt die Beleuchtung eines Halbleiters zu einer Verringerung seines Widerstands (und Licht hat fast keinen Einfluss auf den Widerstand des Metalls). Darüber hinaus kann sich die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern bereits durch den Eintrag kleinster Mengen an Verunreinigungen stark verändern.

Die Erfahrung zeigt, dass es, wie bei Metallen, beim Stromfluss durch einen Halbleiter zu keiner Stoffübertragung kommt. Daher ist der elektrische Strom in Halbleitern auf die Bewegung von Elektronen zurückzuführen.

Eine Abnahme des Widerstands eines Halbleiters beim Erhitzen weist darauf hin, dass ein Temperaturanstieg zu einer Zunahme der Anzahl freier Ladungen im Halbleiter führt. Bei Metallen passiert nichts dergleichen; Daher haben Halbleiter einen anderen Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit als Metalle. Und der Grund dafür ist die unterschiedliche Natur der chemischen Bindung zwischen den Atomen von Metallen und Halbleitern.

Kovalente Bindung

Wie Sie sich erinnern, wird die metallische Bindung durch ein Gas freier Elektronen bereitgestellt, das wie Klebstoff positive Ionen an den Knoten des Kristallgitters hält. Halbleiter sind unterschiedlich aufgebaut – ihre Atome werden zusammengehalten kovalente Bindung. Erinnern wir uns daran, was es ist.

Elektronen befinden sich in der äußeren elektronischen Ebene und werden aufgerufen Wertigkeit sind schwächer an das Atom gebunden als die übrigen Elektronen, die sich näher am Kern befinden. Bei der Bildung einer kovalenten Bindung tragen zwei Atome eines ihrer Valenzelektronen „zur gemeinsamen Sache“ bei. Diese beiden Elektronen sind geteilt, das heißt, sie gehören nun zu beiden Atomen und heißen daher gemeinsames Elektronenpaar(Abb. 2).

Reis. 2. Kovalente Bindung

Ein sozialisiertes Elektronenpaar hält die Atome nahe beieinander (unter Verwendung der Kräfte der elektrischen Anziehung). Eine kovalente Bindung ist eine Bindung, die zwischen Atomen aufgrund gemeinsamer Elektronenpaare besteht. Aus diesem Grund spricht man auch von einer kovalenten Bindung Paarelektronisch.

Kristallstruktur von Silizium

Jetzt sind wir bereit, einen genaueren Blick auf die innere Struktur von Halbleitern zu werfen. Betrachten Sie als Beispiel den in der Natur am häufigsten vorkommenden Halbleiter – Silizium. Der zweitwichtigste Halbleiter Germanium hat eine ähnliche Struktur.

Die räumliche Struktur von Silizium ist in Abb. dargestellt. 3 (Bild von Ben Mills). Die Kugeln stellen Siliziumatome dar und die sie verbindenden Röhren sind Kanäle für kovalente Bindungen zwischen Atomen.

Reis. 3. Kristallstruktur von Silizium

Beachten Sie, dass jedes Siliziumatom daran gebunden ist vier benachbarte Atome. Warum passiert das?

Tatsache ist, dass Silizium vierwertig ist – es gibt vier Valenzelektronen auf der äußeren Elektronenhülle des Siliziumatoms. Jedes dieser vier Elektronen ist bereit, mit dem Valenzelektron eines anderen Atoms ein gemeinsames Elektronenpaar zu bilden. Das ist, was passiert! Dadurch ist das Siliziumatom von vier an ihm angedockten Atomen umgeben, die jeweils ein Valenzelektron beisteuern. Demnach befinden sich um jedes Atom acht Elektronen (vier eigene und vier fremde).

Wir sehen dies genauer auf einem flachen Diagramm eines Siliziumkristallgitters (Abb. 4).

Reis. 4. Siliziumkristallgitter

Kovalente Bindungen werden als Linienpaare dargestellt, die Atome verbinden. Diese Linien enthalten gemeinsame Elektronenpaare. Jedes auf einer solchen Linie befindliche Valenzelektron verbringt die meiste Zeit im Raum zwischen zwei benachbarten Atomen.

Allerdings sind Valenzelektronen keineswegs „fest an die entsprechenden Atompaare gebunden“. Elektronische Hüllen überlappen sich alle benachbarte Atome, so dass jedes Valenzelektron die gemeinsame Eigenschaft aller benachbarten Atome ist. Von einem Atom 1 kann ein solches Elektron zu seinem Nachbaratom 2, dann zu seinem Nachbaratom 3 und so weiter gelangen. Valenzelektronen können sich durch den Kristall bewegen – so heißt es gehören zum gesamten Kristall(und nicht irgendein Atompaar).

Allerdings sind die Valenzelektronen von Silizium nicht frei (wie es im Metall der Fall ist). In einem Halbleiter ist die Bindung zwischen Valenzelektronen und Atomen viel stärker als in einem Metall; Kovalente Siliziumbindungen brechen bei niedrigen Temperaturen nicht. Die Elektronenenergie reicht nicht aus, um unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes eine geordnete Bewegung von einem niedrigeren zu einem höheren Potential zu starten. Daher befinden sich Halbleiter bei ausreichend niedrigen Temperaturen in der Nähe von Dielektrika – sie leiten keinen elektrischen Strom.

Selbstleitfähigkeit

Wenn Sie ein Halbleiterelement an einen Stromkreis anschließen und es zu erwärmen beginnen, erhöht sich der Strom im Stromkreis. Daher der Widerstand des Halbleiters nimmt ab mit steigender Temperatur. Warum passiert das?

Mit steigender Temperatur werden die thermischen Schwingungen der Siliziumatome intensiver und die Energie der Valenzelektronen nimmt zu. Bei einigen Elektronen erreicht die Energie Werte, die ausreichen, um kovalente Bindungen aufzubrechen. Solche Elektronen verlassen ihre Atome und werden frei(oder Leitungselektronen) - genau das gleiche wie bei Metall. In einem äußeren elektrischen Feld beginnen sich freie Elektronen geordnet zu bewegen und bilden einen elektrischen Strom.

Je höher die Siliziumtemperatur, desto höher ist die Elektronenenergie und desto mehr kovalente Bindungen versagen und brechen. Die Zahl der freien Elektronen in einem Siliziumkristall nimmt zu, was zu einer Verringerung seines Widerstands führt.

Das Aufbrechen kovalenter Bindungen und das Auftreten freier Elektronen ist in Abb. dargestellt. 5 . An der Stelle der gebrochenen kovalenten Bindung a Loch- freier Platz für ein Elektron. Das Loch hat positiv Ladung, da beim Abgang eines negativ geladenen Elektrons eine unkompensierte positive Ladung des Kerns des Siliziumatoms verbleibt.

Reis. 5. Bildung freier Elektronen und Löcher

Die Löcher bleiben nicht an Ort und Stelle – sie können um den Kristall wandern. Tatsache ist, dass eines der benachbarten Valenzelektronen, das zwischen Atomen „wandert“, an die entstandene freie Stelle springen und das Loch füllen kann; dann verschwindet das Loch an dieser Stelle, erscheint aber an der Stelle, von der das Elektron kam.

Ohne ein äußeres elektrisches Feld ist die Bewegung von Löchern zufällig, da Valenzelektronen zufällig zwischen Atomen wandern. In einem elektrischen Feld beginnt es jedoch gerichtet Bewegung von Löchern. Warum? Das ist nicht schwer zu verstehen.

In Abb. Abbildung 6 zeigt einen Halbleiter in einem elektrischen Feld. Auf der linken Seite des Bildes ist die Ausgangsposition des Lochs zu sehen.

Reis. 6. Bewegung eines Lochs in einem elektrischen Feld

Wohin wird das Loch gehen? Es ist klar, dass die wahrscheinlichsten Elektronen-Loch-Sprünge in die Richtung erfolgen gegen Feldlinien (also zu den „Pluspunkten“, die das Feld erzeugen). Einer dieser Sprünge ist im mittleren Teil der Abbildung dargestellt: Das Elektron sprang nach links, füllte die Lücke und das Loch verschob sich entsprechend nach rechts. Der nächste mögliche Elektronensprung, der durch das elektrische Feld verursacht wird, ist auf der rechten Seite der Abbildung dargestellt; Durch diesen Sprung nahm das Loch eine neue Stelle ein, die noch weiter rechts lag.

Wir sehen, dass sich das Loch als Ganzes bewegt in Richtung Feldlinien, also dort, wo sich positive Ladungen bewegen sollen. Wir betonen noch einmal, dass die gerichtete Bewegung eines Lochs entlang des Feldes durch Sprünge von Valenzelektronen von Atom zu Atom verursacht wird, die überwiegend in Richtung gegen das Feld erfolgen.

Somit gibt es in einem Siliziumkristall zwei Arten von Ladungsträgern: freie Elektronen und Löcher. Wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, entsteht ein elektrischer Strom, der durch ihre geordnete Gegenbewegung verursacht wird: Freie Elektronen bewegen sich entgegen dem Feldstärkevektor und Löcher – in Richtung des Vektors.

Das Auftreten von Strom aufgrund der Bewegung freier Elektronen nennt man elektronische Leitfähigkeit, oder n-Leitfähigkeit. Der Vorgang der geordneten Bewegung von Löchern wird genannt Lochleitfähigkeit,oder p-Leitfähigkeit(aus den Anfangsbuchstaben der lateinischen Wörter negativus (negativ) und positivus (positiv)). Beide Leitfähigkeiten – Elektron und Loch – werden zusammenfassend bezeichnet eigene Leitfähigkeit Halbleiter.

Jedes Elektron, das eine gebrochene kovalente Bindung verlässt, erzeugt ein „freies Elektron-Loch“-Paar. Daher ist die Konzentration freier Elektronen in einem reinen Siliziumkristall gleich der Konzentration an Löchern. Dementsprechend steigt beim Erhitzen des Kristalls nicht nur die Konzentration freier Elektronen, sondern auch der Löcher, was zu einer Erhöhung der Eigenleitfähigkeit des Halbleiters aufgrund einer Erhöhung sowohl der Elektronen- als auch der Lochleitfähigkeit führt.

Neben der Bildung freier Elektron-Loch-Paare findet auch der umgekehrte Prozess statt: Rekombination freie Elektronen und Löcher. Das heißt, ein freies Elektron, das auf ein Loch trifft, füllt diese Lücke, stellt die gebrochene kovalente Bindung wieder her und verwandelt sich in ein Valenzelektron. So wird es in einem Halbleiter etabliert dynamisches Gleichgewicht: Die durchschnittliche Anzahl der Brüche kovalenter Bindungen und die Bildung von Elektron-Loch-Paaren pro Zeiteinheit ist gleich der durchschnittlichen Anzahl der rekombinierenden Elektronen und Löcher. Dieser Zustand des dynamischen Gleichgewichts bestimmt die Gleichgewichtskonzentration freier Elektronen und Löcher im Halbleiter unter bestimmten Bedingungen.

Veränderungen der äußeren Bedingungen verschieben den Zustand des dynamischen Gleichgewichts in die eine oder andere Richtung. In diesem Fall ändert sich naturgemäß der Gleichgewichtswert der Ladungsträgerkonzentration. Beispielsweise erhöht sich die Zahl der freien Elektronen und Löcher, wenn der Halbleiter erhitzt oder beleuchtet wird.

Bei Raumtemperatur beträgt die Konzentration an freien Elektronen und Löchern in Silizium etwa cm. Die Konzentration an Siliziumatomen liegt in der Größenordnung von cm. Mit anderen Worten: Es gibt nur ein freies Elektron pro Siliziumatom! Das ist sehr wenig. In Metallen beispielsweise ist die Konzentration freier Elektronen ungefähr gleich der Konzentration von Atomen. Jeweils, Die Eigenleitfähigkeit von Silizium und anderen Halbleitern ist unter normalen Bedingungen im Vergleich zur Leitfähigkeit von Metallen gering.

Leitfähigkeit von Verunreinigungen

Das wichtigste Merkmal von Halbleitern ist, dass ihr spezifischer Widerstand bereits durch den Einbau einer sehr geringen Menge an Verunreinigungen um mehrere Größenordnungen verringert werden kann. Zusätzlich zu seiner eigenen Leitfähigkeit besitzt ein Halbleiter eine Dominante Verunreinigungsleitfähigkeit. Dieser Tatsache ist es zu verdanken, dass Halbleiterbauelemente in Wissenschaft und Technik eine so breite Anwendung gefunden haben.
Nehmen wir zum Beispiel an, dass der Siliziumschmelze etwas fünfwertiges Arsen zugesetzt wird. Nach der Kristallisation der Schmelze stellt sich heraus, dass Arsenatome in einigen Knotenpunkten des gebildeten Siliziumkristallgitters Plätze besetzen.

Die äußerste elektronische Ebene des Arsenatoms hat fünf Elektronen. Vier von ihnen bilden kovalente Bindungen mit ihren nächsten Nachbarn – Siliziumatomen (Abb. 7). Welches Schicksal hat das fünfte Elektron, das in diesen Bindungen nicht besetzt ist?

Reis. 7. Halbleiter vom N-Typ

Und das fünfte Elektron wird frei! Tatsache ist, dass die Bindungsenergie dieses „zusätzlichen“ Elektrons mit dem im Siliziumkristall befindlichen Arsenatom viel geringer ist als die Bindungsenergie von Valenzelektronen mit Siliziumatomen. Daher bleiben bereits bei Raumtemperatur fast alle Arsenatome aufgrund der thermischen Bewegung ohne ein fünftes Elektron und verwandeln sich in positive Ionen. Und der Siliziumkristall ist dementsprechend mit freien Elektronen gefüllt, die von den Arsenatomen gelöst wurden.

Das Füllen eines Kristalls mit freien Elektronen ist für uns nichts Neues: Wir haben dies oben gesehen, als er erhitzt wurde sauber Silizium (ohne jegliche Verunreinigungen). Doch nun ist die Situation grundlegend anders: Das Auftreten eines freien Elektrons, das ein Arsenatom verlässt, geht nicht mit dem Auftreten eines beweglichen Lochs einher. Warum? Der Grund ist derselbe – die Bindung der Valenzelektronen an Siliziumatome ist viel stärker als beim Arsenatom in der fünften Lücke, daher neigen die Elektronen benachbarter Siliziumatome nicht dazu, diese Lücke zu füllen. Die Lücke bleibt also bestehen, sie ist gewissermaßen an das Arsenatom „eingefroren“ und beteiligt sich nicht an der Strombildung.

Auf diese Weise, Die Einführung fünfwertiger Arsenatome in das Siliziumkristallgitter erzeugt elektronische Leitfähigkeit, führt jedoch nicht zum symmetrischen Erscheinungsbild der Lochleitfähigkeit. Die Hauptrolle bei der Stromerzeugung spielen nun die freien Elektronen, die in diesem Fall als „Elektronen“ bezeichnet werden Hauptträger Aufladung.

Der Mechanismus der intrinsischen Leitfähigkeit funktioniert natürlich auch in Gegenwart einer Verunreinigung weiter: Kovalente Bindungen werden aufgrund der thermischen Bewegung immer noch aufgebrochen, wodurch freie Elektronen und Löcher entstehen. Doch inzwischen gibt es deutlich weniger Löcher als freie Elektronen, die von Arsenatomen in großen Mengen bereitgestellt werden. Daher werden in diesem Fall Löcher vorhanden sein Nicht-große Medien Aufladung.

Als Verunreinigungen werden Verunreinigungen bezeichnet, deren Atome freie Elektronen abgeben, ohne dass eine gleiche Anzahl beweglicher Löcher auftritt Spender. Fünfwertiges Arsen ist beispielsweise eine Donatorverunreinigung. Wenn in einem Halbleiter eine Donorverunreinigung vorhanden ist, sind die Mehrheitsladungsträger freie Elektronen und die Minoritätsladungsträger Löcher; mit anderen Worten, die Konzentration freier Elektronen ist viel höher als die Konzentration von Löchern. Daher werden Halbleiter mit Donatorverunreinigungen genannt elektronische Halbleiter, oder Halbleiter vom n-Typ(oder einfach n-Halbleiter).

Und um wie viel kann interessanterweise die Konzentration freier Elektronen die Konzentration an Löchern in einem n-Halbleiter übersteigen? Machen wir eine einfache Rechnung.

Nehmen wir an, dass die Verunreinigung , d. h. dass auf tausend Siliziumatome ein Arsenatom kommt. Die Konzentration der Siliziumatome liegt, wie wir uns erinnern, in der Größenordnung von cm.

Die Konzentration der Arsenatome wird dementsprechend tausendmal geringer sein: cm. Auch die Konzentration der durch die Verunreinigung abgegebenen freien Elektronen wird gleich sein – schließlich gibt jedes Arsenatom ein Elektron ab. Erinnern wir uns nun daran, dass die Konzentration von Elektron-Loch-Paaren, die entstehen, wenn kovalente Siliziumbindungen bei Raumtemperatur aufgebrochen werden, etwa cm beträgt. Spüren Sie den Unterschied? Die Konzentration der freien Elektronen ist in diesem Fall um Größenordnungen, also eine Milliarde Mal, größer als die Konzentration der Löcher! Dementsprechend verringert sich der spezifische Widerstand eines Siliziumhalbleiters um das Milliardefache, wenn eine so geringe Menge an Verunreinigungen eingeführt wird.

Die obige Berechnung zeigt, dass in Halbleitern vom n-Typ tatsächlich die elektronische Leitfähigkeit die Hauptrolle spielt. Vor dem Hintergrund einer solch kolossalen Überlegenheit in der Anzahl freier Elektronen ist der Beitrag der Lochbewegung zur Gesamtleitfähigkeit vernachlässigbar.

Im Gegenteil ist es möglich, einen Halbleiter mit überwiegender Lochleitfähigkeit zu erzeugen. Dies geschieht, wenn eine dreiwertige Verunreinigung in einen Siliziumkristall eingebracht wird – beispielsweise Indium. Das Ergebnis einer solchen Implementierung ist in Abb. dargestellt. 8 .

Reis. 8. Halbleiter vom P-Typ

Was passiert in diesem Fall? Die äußerste elektronische Ebene des Indiumatoms enthält drei Elektronen, die kovalente Bindungen mit den drei umgebenden Siliziumatomen eingehen. Für das vierte benachbarte Siliziumatom hat das Indiumatom nicht mehr genügend Elektronen, und an dieser Stelle entsteht ein Loch.

Und dieses Loch ist nicht einfach, sondern besonders – mit einer sehr hohen Bindungsenergie. Wenn ein Elektron eines benachbarten Siliziumatoms hineingelangt, bleibt es „für immer darin stecken“, da die Anziehungskraft des Elektrons auf das Indiumatom sehr stark ist – stärker als auf Siliziumatome. Das Indiumatom verwandelt sich in ein negatives Ion und an der Stelle, von der das Elektron kam, entsteht ein Loch – jetzt jedoch ein gewöhnliches bewegliches Loch in Form einer gebrochenen kovalenten Bindung im Siliziumkristallgitter. Dieses Loch wird aufgrund der „Relais-Wettlauf“-Übertragung von Valenzelektronen von einem Siliziumatom auf ein anderes auf die übliche Weise um den Kristall wandern.

Somit erzeugt jedes verunreinigte Indiumatom ein Loch, führt jedoch nicht zum symmetrischen Erscheinungsbild eines freien Elektrons. Solche Verunreinigungen, deren Atome Elektronen „fest“ einfangen und dadurch ein bewegliches Loch im Kristall erzeugen, werden genannt Akzeptor.

Dreiwertiges Indium ist ein Beispiel für eine Akzeptorverunreinigung.

Wenn eine Akzeptorverunreinigung in einen Kristall aus reinem Silizium eingebracht wird, ist die Anzahl der durch die Verunreinigung erzeugten Löcher viel größer als die Anzahl der freien Elektronen, die durch das Aufbrechen kovalenter Bindungen zwischen Siliziumatomen entstehen. Ein Halbleiter mit einer Akzeptorverunreinigung ist Lochhalbleiter, oder Halbleiter vom p-Typ(oder einfach p-Halbleiter).

Löcher spielen eine wichtige Rolle bei der Stromerzeugung in einem p-Halbleiter; Löcher - Hauptladungsträger. Freie Elektronen - kleinere Medien Ladung in einem p-Halbleiter. Die Bewegung freier Elektronen leistet in diesem Fall keinen wesentlichen Beitrag: Der elektrische Strom wird hauptsächlich durch die Lochleitfähigkeit bereitgestellt.

p-n-Übergang

Als Kontaktstelle zwischen zwei Halbleitern unterschiedlicher Leitfähigkeit (elektronisch und Loch) wird bezeichnet Elektron-Loch-Übergang, oder p-n-Übergang. Im Bereich des pn-Übergangs tritt ein interessantes und sehr wichtiges Phänomen auf – die Einwegleitfähigkeit.

In Abb. 9 zeigt den Kontakt von p- und n-Typ-Regionen; Die farbigen Kreise stellen Löcher und freie Elektronen dar, die in den entsprechenden Regionen die Mehrheits- (oder Minderheits-)Ladungsträger darstellen.

Reis. 9. Sperrschicht des pn-Übergangs

Durch thermische Bewegung dringen Ladungsträger durch die Grenzfläche zwischen den Regionen ein.

Freie Elektronen wandern vom n-Bereich in den p-Bereich und rekombinieren dort mit Löchern; Löcher diffundieren vom p-Bereich zum n-Bereich und rekombinieren dort mit Elektronen.

Als Ergebnis dieser Prozesse verbleibt im elektronischen Halbleiter nahe der Kontaktgrenze eine unkompensierte Ladung positiver Donor-Fremdionen und im Lochhalbleiter (ebenfalls nahe der Grenze) erscheint eine unkompensierte negative Ladung der Akzeptor-Fremdionen. Diese unkompensierten Raumladungen bilden die sogenannten Barriereschicht, dessen internes elektrisches Feld eine weitere Diffusion freier Elektronen und Löcher über die Kontaktgrenze verhindert.

Schließen wir nun eine Stromquelle an unser Halbleiterelement an, indem wir das „Plus“ der Quelle an den n-Halbleiter und das „Minus“ an den p-Halbleiter anlegen (Abb. 10).

Reis. 10. Einschalten in umgekehrter Richtung: kein Strom

Wir sehen, dass das äußere elektrische Feld die Mehrheitsladungsträger weiter von der Kontaktgrenze entfernt. Die Breite der Sperrschicht nimmt zu und ihr elektrisches Feld nimmt zu. Der Widerstand der Sperrschicht ist hoch und Majoritätsträger können den pn-Übergang nicht überwinden. Das elektrische Feld lässt nur Minoritätsträger die Grenze passieren, aber aufgrund der sehr geringen Konzentration der Minoritätsträger ist der von ihnen erzeugte Strom vernachlässigbar.

Das betrachtete Schema heißt Einschalten des pn-Übergangs in die entgegengesetzte Richtung. Es gibt keinen elektrischen Hauptträgerstrom; Es gibt nur einen vernachlässigbaren Minoritätsträgerstrom. In diesem Fall erweist sich der pn-Übergang als geschlossen.

Jetzt ändern wir die Polarität des Anschlusses und wenden „Plus“ an den p-Halbleiter und „Minus“ an den n-Halbleiter an (Abb. 11). Dieses Schema heißt Vorwärtsschalten.

Reis. 11. Einschalten in Vorwärtsrichtung: Es fließt Strom

In diesem Fall ist das äußere elektrische Feld gegen das Sperrfeld gerichtet und öffnet den Weg für Majoritätsträger durch den pn-Übergang. Die Barriereschicht wird dünner und ihr Widerstand nimmt ab.

Es findet eine massive Bewegung freier Elektronen vom n-Bereich zum p-Bereich statt, und Löcher wiederum strömen vom p-Bereich zum n-Bereich zusammen.

Durch die Bewegung der Majoritätsladungsträger entsteht im Stromkreis ein Strom (das elektrische Feld stört nun allerdings den Strom der Minoritätsträger, dieser unbedeutende Faktor hat jedoch keinen merklichen Einfluss auf die Gesamtleitfähigkeit).

Die Einwegleitfähigkeit des pn-Übergangs wird verwendet Halbleiterdioden. Eine Diode ist ein Gerät, das Strom nur in eine Richtung leitet; in der entgegengesetzten Richtung fließt kein Strom durch die Diode (die Diode wird als geschlossen bezeichnet). Eine schematische Darstellung der Diode ist in Abb. dargestellt. 12 .

Reis. 12. Diode

In diesem Fall ist die Diode in der Richtung von links nach rechts geöffnet: Die Ladungen scheinen entlang des Pfeils zu fließen (siehe Abbildung?). In der Richtung von rechts nach links scheinen die Ladungen an der Wand anzuliegen – die Diode ist geschlossen.

Der bekannteste Halbleiter ist Silizium (Si). Aber außer ihm gibt es noch viele andere. Ein Beispiel sind natürliche Halbleitermaterialien wie Zinkblende (ZnS), Cuprit (Cu 2 O), Bleiglanz (PbS) und viele andere. Die Familie der Halbleiter, einschließlich der in Laboren synthetisierten Halbleiter, stellt eine der vielseitigsten Materialklassen dar, die der Mensch kennt.

Eigenschaften von Halbleitern

Von den 104 Elementen des Periodensystems sind 79 Metalle, 25 Nichtmetalle, von denen 13 Halbleitereigenschaften und 12 dielektrische Eigenschaften haben. Der Hauptunterschied zwischen Halbleitern besteht darin, dass ihre elektrische Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur deutlich zunimmt. Bei niedrigen Temperaturen verhalten sie sich wie Dielektrika, bei hohen Temperaturen wie Leiter. Der Unterschied zwischen Halbleitern und Metallen besteht darin, dass der Widerstand eines Metalls proportional zur Temperaturerhöhung zunimmt.

Ein weiterer Unterschied zwischen einem Halbleiter und einem Metall besteht darin, dass der Widerstand eines Halbleiters unter dem Einfluss von Licht sinkt, während letzteres auf ein Metall keinen Einfluss hat. Auch die Leitfähigkeit von Halbleitern ändert sich, wenn eine kleine Menge an Verunreinigungen eingebracht wird.

Halbleiter sind chemische Verbindungen mit unterschiedlichen Kristallstrukturen. Dies können Elemente wie Silizium und Selen oder binäre Verbindungen wie Galliumarsenid sein. Viele Polyacetylen (CH) n, - Halbleitermaterialien. Einige Halbleiter weisen magnetische (Cd 1-x Mn x Te) oder ferroelektrische Eigenschaften (SbSI) auf. Andere werden bei ausreichender Dotierung zu Supraleitern (GeTe und SrTiO 3). Viele der kürzlich entdeckten Hochtemperatursupraleiter verfügen über nichtmetallische halbleitende Phasen. Beispielsweise ist La 2 CuO 4 ein Halbleiter, aber bei der Bildung einer Legierung mit Sr wird es zu einem Supraleiter (La 1-x Sr x) 2 CuO 4.

Physiklehrbücher definieren einen Halbleiter als Material mit einem elektrischen Widerstand von 10 -4 bis 10 7 Ohm m. Eine alternative Definition ist ebenfalls möglich. Die Bandlücke des Halbleiters beträgt 0 bis 3 eV. Metalle und Halbmetalle sind Materialien mit einer Energielücke von Null, und Substanzen, in denen diese 3 eV überschreitet, werden als Isolatoren bezeichnet. Es gibt Ausnahmen. Halbleiterdiamant hat beispielsweise eine Bandlückenbreite von 6 eV, halbisolierendes GaAs - 1,5 eV. GaN, ein Material für den blauen Bereich, hat eine Bandlücke von 3,5 eV.

Energielücke

Die Valenzorbitale von Atomen in einem Kristallgitter sind in zwei Gruppen von Energieniveaus unterteilt – das freie Band, das sich auf der höchsten Ebene befindet und die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern bestimmt, und das Valenzband, das sich darunter befindet. Diese Ebenen können sich je nach Symmetrie des Kristallgitters und Zusammensetzung der Atome überschneiden oder voneinander entfernt liegen. Im letzteren Fall entsteht zwischen den Zonen eine Energielücke oder mit anderen Worten eine verbotene Zone.

Die Lage und Füllung der Ebenen bestimmt die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften des Stoffes. Anhand dieses Kriteriums werden Stoffe in Leiter, Isolatoren und Halbleiter eingeteilt. Die Bandlücke eines Halbleiters variiert zwischen 0,01 und 3 eV und die Energielücke des Dielektrikums übersteigt 3 eV. Metalle weisen aufgrund der Überlappung der Niveaus keine Energielücken auf.

Im Gegensatz zu Metallen haben Halbleiter und Dielektrika ein mit Elektronen gefülltes Valenzband, und das nächstgelegene freie Band oder Leitungsband ist durch eine Energielücke – einen Bereich verbotener Elektronenenergien – vom Valenzband abgegrenzt.

In Dielektrika reichen thermische Energie oder ein kleines elektrisches Feld nicht aus, um durch diese Lücke zu springen; Elektronen gelangen nicht in das Leitungsband. Sie können sich nicht entlang des Kristallgitters bewegen und werden zu Trägern elektrischen Stroms.

Um die elektrische Leitfähigkeit auszulösen, muss einem Elektron auf der Valenzebene Energie zugeführt werden, die ausreicht, um die Energielücke zu überwinden. Nur wenn das Elektron eine Energiemenge absorbiert, die nicht kleiner als die Größe der Energielücke ist, gelangt es vom Valenzniveau zum Leitungsniveau.

Wenn die Breite der Energielücke 4 eV überschreitet, ist eine Anregung der Leitfähigkeit des Halbleiters durch Bestrahlung oder Erwärmung praktisch unmöglich – die Anregungsenergie der Elektronen bei Schmelztemperatur reicht nicht aus, um durch die Energielückenzone zu springen. Beim Erhitzen schmilzt der Kristall, bis es zur elektronischen Leitung kommt. Zu diesen Substanzen gehören Quarz (dE = 5,2 eV), Diamant (dE = 5,1 eV) und viele Salze.

Verunreinigung und Eigenleitfähigkeit von Halbleitern

Reine Halbleiterkristalle haben eine eigene Leitfähigkeit. Solche Halbleiter werden intrinsische Halbleiter genannt. Ein intrinsischer Halbleiter enthält die gleiche Anzahl an Löchern und freien Elektronen. Bei Erwärmung erhöht sich die Eigenleitfähigkeit von Halbleitern. Bei konstanter Temperatur stellt sich ein Zustand dynamischen Gleichgewichts in der Anzahl der gebildeten Elektron-Loch-Paare und der Anzahl der rekombinierenden Elektronen und Löcher ein, die unter gegebenen Bedingungen konstant bleiben.

Das Vorhandensein von Verunreinigungen hat einen erheblichen Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern. Durch deren Zugabe können Sie die Anzahl der freien Elektronen bei einer geringen Anzahl von Löchern erheblich erhöhen und die Anzahl der Löcher bei einer geringen Anzahl von Elektronen auf der Leitungsebene erhöhen. Störhalbleiter sind Leiter mit Störleitfähigkeit.

Verunreinigungen, die leicht Elektronen abgeben, werden Donor-Verunreinigungen genannt. Donorverunreinigungen können chemische Elemente sein, deren Atome in ihren Valenzstufen mehr Elektronen enthalten als die Atome der Grundsubstanz. Beispielsweise sind Phosphor und Wismut Donorverunreinigungen von Silizium.

Die Energie, die ein Elektron benötigt, um in den Leitungsbereich zu springen, wird Aktivierungsenergie genannt. Verunreinigungshalbleiter benötigen davon viel weniger als die Hauptsubstanz. Bei leichter Erwärmung oder Beleuchtung werden hauptsächlich die Elektronen der Atome von Fremdhalbleitern freigesetzt. An die Stelle des Elektrons, das das Atom verlässt, tritt ein Loch. Die Rekombination von Elektronen zu Löchern findet jedoch praktisch nicht statt. Die Lochleitfähigkeit des Donors ist vernachlässigbar. Dies liegt daran, dass die geringe Anzahl an Fremdatomen verhindert, dass sich freie Elektronen häufig dem Loch nähern und es besetzen. Elektronen befinden sich in der Nähe von Löchern, können diese jedoch aufgrund unzureichenden Energieniveaus nicht füllen.

Eine geringfügige Zugabe einer Donorverunreinigung erhöht die Anzahl der Leitungselektronen um mehrere Größenordnungen im Vergleich zur Anzahl der freien Elektronen im nativen Halbleiter. Elektronen sind hier die Hauptladungsträger von Atomen verunreinigter Halbleiter. Diese Stoffe werden als Halbleiter vom n-Typ klassifiziert.

Verunreinigungen, die die Elektronen eines Halbleiters binden und so die Anzahl der Löcher darin erhöhen, werden Akzeptorverunreinigungen genannt. Akzeptorverunreinigungen sind chemische Elemente mit weniger Elektronen auf der Valenzebene als der Basishalbleiter. Bor, Gallium, Indium sind Akzeptorverunreinigungen für Silizium.

Die Eigenschaften eines Halbleiters hängen von den Defekten in seiner Kristallstruktur ab. Aus diesem Grund besteht die Notwendigkeit, extrem reine Kristalle zu züchten. Die Leitfähigkeitsparameter des Halbleiters werden durch Zugabe von Dotierstoffen gesteuert. Siliziumkristalle werden mit Phosphor (einem Element der Untergruppe V), einem Donator, dotiert, um einen Siliziumkristall vom n-Typ zu erzeugen. Um einen Kristall mit Lochleitfähigkeit zu erhalten, wird der Akzeptor Bor in Silizium eingebracht. Auf ähnliche Weise werden Halbleiter mit einem kompensierten Fermi-Niveau erzeugt, um es in die Mitte der Bandlücke zu verschieben.

Einzelelement-Halbleiter

Der häufigste Halbleiter ist natürlich Silizium. Zusammen mit Germanium wurde es zum Prototyp einer breiten Klasse von Halbleitern mit ähnlichen Kristallstrukturen.

Die Kristallstruktur von Si und Ge ist die gleiche wie die von Diamant und α-Zinn. Darin ist jedes Atom von 4 nächsten Atomen umgeben, die ein Tetraeder bilden. Diese Koordination wird Vierfachkoordination genannt. Tetradrisch gebundene Kristalle sind für die Elektronikindustrie von grundlegender Bedeutung und spielen in der modernen Technologie eine Schlüsselrolle. Einige Elemente der Gruppen V und VI des Periodensystems sind ebenfalls Halbleiter. Beispiele für diese Art von Halbleitern sind Phosphor (P), Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te). In diesen Halbleitern können Atome dreifach (P), zweifach (S, Se, Te) oder vierfach koordiniert sein. Dadurch können ähnliche Elemente in mehreren unterschiedlichen Kristallstrukturen vorliegen und auch in Form von Glas hergestellt werden. Beispielsweise wurde Se in monoklinen und trigonalen Kristallstrukturen oder als Glas (das auch als Polymer betrachtet werden kann) gezüchtet.

Diamant verfügt über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, hervorragende mechanische und optische Eigenschaften sowie eine hohe mechanische Festigkeit. Die Energielückenbreite beträgt dE = 5,47 eV.

Silizium ist ein Halbleiter, der in Solarzellen und in amorpher Form in Dünnschichtsolarzellen verwendet wird. Es ist der am häufigsten verwendete Halbleiter in Photovoltaikzellen, lässt sich einfach herstellen und verfügt über gute elektrische und mechanische Eigenschaften. dE = 1,12 eV.

Germanium ist ein Halbleiter, der in der Gammaspektroskopie und in hocheffizienten Photovoltaikzellen verwendet wird. In den ersten Dioden und Transistoren verwendet. Erfordert weniger Reinigung als Silikon. dE = 0,67 eV.

Selen ist ein Halbleiter, der in Selengleichrichtern verwendet wird, die über eine hohe Strahlungsbeständigkeit und Selbstheilungsfähigkeit verfügen.

Zwei-Element-Verbindungen

Die Eigenschaften von Halbleitern, die aus Elementen der Gruppen 3 und 4 des Periodensystems bestehen, ähneln denen von 4 Gruppen. Übergang von der Gruppe 4 der Elemente zu Verbindungen der Gruppe 3-4. macht die Bindungen teilweise ionisch, da die Elektronenladung vom Atom der Gruppe 3 auf das Atom der Gruppe 4 übertragen wird. Ionizität verändert die Eigenschaften von Halbleitern. Dies ist der Grund für die Zunahme der interionischen Coulomb-Wechselwirkung und der Energie des Energiebruchs in der Bandstruktur der Elektronen. Ein Beispiel für eine binäre Verbindung dieser Art ist Indiumantimonid InSb, Galliumarsenid GaAs, Galliumantimonid GaSb, Indiumphosphid InP, Aluminiumantimonid AlSb, Galliumphosphid GaP.

Die Ionizität nimmt zu und ihr Wert nimmt in Verbindungen von Stoffen der Gruppen 2–6, wie Cadmiumselenid, Zinksulfid, Cadmiumsulfid, Cadmiumtellurid, Zinkselenid, noch mehr zu. Infolgedessen weisen die meisten Verbindungen der Gruppen 2–6 eine Bandlücke von mehr als 1 eV auf, mit Ausnahme von Quecksilberverbindungen. Quecksilbertellurid ist ein Halbleiter ohne Energielücke, ein Halbmetall wie α-Zinn.

Bei der Herstellung von Lasern und Displays werden Halbleiter der Gruppen 2-6 mit großer Energielücke verwendet. Für Infrarotempfänger eignen sich binäre Verbindungen der Gruppen 2-6 mit verengter Energielücke. Binäre Verbindungen von Elementen der Gruppen 1–7 (Kupferbromid CuBr, Silberiodid AgI, Kupferchlorid CuCl) weisen aufgrund ihrer hohen Ionizität eine Bandlücke von mehr als 3 eV auf. Eigentlich handelt es sich dabei nicht um Halbleiter, sondern um Isolatoren. Eine Erhöhung der Kohäsionsenergie des Kristalls aufgrund der interionischen Coulomb-Wechselwirkung fördert die Strukturierung von Atomen mit sechsfacher statt quadratischer Koordination. Verbindungen der Gruppen 4-6 – Bleisulfid und Tellurid, Zinnsulfid – sind ebenfalls Halbleiter. Auch der Ionizitätsgrad dieser Stoffe trägt zur Bildung einer sechsfachen Koordination bei. Eine erhebliche Ionizität verhindert nicht, dass sie sehr schmale Bandlücken aufweisen, was ihre Verwendung zum Empfang von IR-Strahlung ermöglicht. Galliumnitrid, eine Verbindung aus 3–5 Gruppen mit großer Energielücke, findet Anwendung in LEDs, die im blauen Teil des Spektrums arbeiten.

GaAs, Galliumarsenid, ist nach Silizium der zweitbeliebteste Halbleiter und wird häufig als Substrat für andere Leiter wie GaInNAs und InGaAs in IR-LEDs, Hochfrequenzchips und -transistoren, hocheffizienten Photovoltaikzellen, Laserdioden usw. verwendet Detektoren für nukleare Strahlung. dE = 1,43 eV, was eine Leistungssteigerung von Geräten im Vergleich zu Silizium ermöglicht. Es ist zerbrechlich, enthält mehr Verunreinigungen und ist schwierig herzustellen.

ZnS, Zinksulfid, ist ein Zinksalz von Schwefelwasserstoff mit einer Bandlücke von 3,54 und 3,91 eV, das in Lasern und als Leuchtstoff verwendet wird.

SnS, Zinnsulfid – Halbleiter, der in Fotowiderständen und Fotodioden verwendet wird, dE= 1,3 und 10 eV.

Oxide

Metalloxide sind im Allgemeinen ausgezeichnete Isolatoren, es gibt jedoch Ausnahmen. Beispiele für diese Art von Halbleitern sind Nickeloxid, Kupferoxid, Kobaltoxid, Kupferdioxid, Eisenoxid, Europiumoxid, Zinkoxid. Da Kupferdioxid in Form des Minerals Cuprit vorliegt, wurden seine Eigenschaften ausführlich untersucht. Das Verfahren zur Züchtung dieser Art von Halbleitern ist noch nicht vollständig geklärt, sodass ihre Verwendung noch begrenzt ist. Eine Ausnahme bildet Zinkoxid (ZnO), eine Verbindung der Gruppen 2–6, die als Konverter und bei der Herstellung von Klebebändern und Klebstoffen verwendet wird.

Die Situation änderte sich dramatisch, nachdem in vielen Verbindungen von Kupfer und Sauerstoff Supraleitung entdeckt wurde. Der erste von Müller und Bednorz entdeckte Hochtemperatursupraleiter war eine Verbindung auf Basis des Halbleiters La 2 CuO 4 mit einer Energielücke von 2 eV. Durch den Ersatz von dreiwertigem Lanthan durch zweiwertiges Barium oder Strontium werden Lochladungsträger in den Halbleiter eingebracht. Durch das Erreichen der erforderlichen Lochkonzentration wird La 2 CuO 4 zum Supraleiter. Zu diesem Zeitpunkt weist die Verbindung HgBaCa 2 Cu 3 O 8 die höchste Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand auf. Bei hohem Druck beträgt ihr Wert 134 K.

ZnO, Zinkoxid, wird in Varistoren, blauen LEDs, Gassensoren, biologischen Sensoren, Fensterbeschichtungen zur Reflexion von Infrarotlicht, als Leiter in LCD-Displays und Solarzellen verwendet. dE=3,37 eV.

Geschichtete Kristalle

Binäre Verbindungen wie Bleidiiodid, Galliumselenid und Molybdändisulfid zeichnen sich durch in den Schichten wirkende Schichtkräfte aus, die viel stärker sind als die Van-der-Waals-Bindungen zwischen den Schichten selbst. Interessant sind Halbleiter dieser Art, weil sich Elektronen in den Schichten quasi zweidimensional verhalten. Durch das Einbringen fremder Atome wird die Wechselwirkung der Schichten verändert – Interkalation.

MoS 2, Molybdändisulfid wird in Hochfrequenzdetektoren, Gleichrichtern, Memristoren und Transistoren verwendet. dE=1,23 und 1,8 eV.

Organische Halbleiter

Beispiele für Halbleiter auf Basis organischer Verbindungen sind Naphthalin, Polyacetylen (CH 2) n, Anthracen, Polydiacetylen, Phthalocyanide, Polyvinylcarbazol. Organische Halbleiter haben gegenüber anorganischen einen Vorteil: Sie lassen sich leicht mit den gewünschten Eigenschaften versehen. Stoffe mit konjugierten Bindungen der Form -C=C-C= weisen eine erhebliche optische Nichtlinearität auf und werden daher in der Optoelektronik verwendet. Darüber hinaus werden die Energielückenzonen organischer Halbleiter durch eine Änderung der Verbindungsformel verändert, was viel einfacher ist als bei herkömmlichen Halbleitern. Kristalline Allotrope aus Kohlenstoff, Fulleren, Graphen und Nanoröhren sind ebenfalls Halbleiter.

Fulleren hat eine Struktur in Form eines konvexen geschlossenen Polyeders aus einer geraden Anzahl von Kohlenstoffatomen. Und die Dotierung von Fulleren C 60 mit einem Alkalimetall macht es zu einem Supraleiter.

Graphen besteht aus einer einatomigen Kohlenstoffschicht, die zu einem zweidimensionalen hexagonalen Gitter verbunden ist. Hat eine Rekordwärmeleitfähigkeit und Elektronenmobilität sowie eine hohe Steifigkeit

Nanoröhren sind zu einer Röhre gerollte Graphitplatten mit einem Durchmesser von mehreren Nanometern. Diese Kohlenstoffformen sind in der Nanoelektronik vielversprechend. Abhängig von der Haftung können sie metallische oder halbleitende Eigenschaften aufweisen.

Magnetische Halbleiter

Verbindungen mit magnetischen Ionen von Europium und Mangan haben interessante magnetische und Halbleitereigenschaften. Beispiele für Halbleiter dieser Art sind Europiumsulfid, Europiumselenid und feste Lösungen wie Cd 1-x-Mn x Te. Der Gehalt an magnetischen Ionen beeinflusst, wie magnetische Eigenschaften wie Antiferromagnetismus und Ferromagnetismus in Stoffen auftreten. Semimagnetische Halbleiter sind feste magnetische Lösungen von Halbleitern, die magnetische Ionen in geringen Konzentrationen enthalten. Solche soliden Lösungen fallen durch ihre Versprechen und ihr großes Potenzial für mögliche Anwendungen auf. Im Gegensatz zu nichtmagnetischen Halbleitern können sie beispielsweise eine millionenfach größere Faraday-Rotation erreichen.

Die starken magnetooptischen Effekte magnetischer Halbleiter ermöglichen deren Einsatz zur optischen Modulation. Perowskite wie Mn 0,7 Ca 0,3 O 3 haben Eigenschaften, die dem Metall-Halbleiter-Übergang überlegen sind, dessen direkte Abhängigkeit vom Magnetfeld zum Phänomen des Riesenmagnetowiderstands führt. Sie werden in der Funktechnik und in optischen Geräten, die durch ein Magnetfeld gesteuert werden, in Wellenleitern von Mikrowellengeräten eingesetzt.

Halbleiter-Ferroelektrika

Diese Art von Kristallen zeichnet sich durch das Vorhandensein elektrischer Momente und das Auftreten einer spontanen Polarisation aus. Solche Eigenschaften besitzen beispielsweise die Halbleiter Bleititanat PbTiO 3 , Bariumtitanat BaTiO 3 , Germaniumtellurid GeTe, Zinntellurid SnTe, die bei niedrigen Temperaturen ferroelektrische Eigenschaften aufweisen. Diese Materialien werden in nichtlinearen optischen Sensoren, Speichergeräten und piezoelektrischen Sensoren verwendet.

Vielzahl von Halbleitermaterialien

Neben den oben genannten Halbleiterstoffen gibt es noch viele weitere, die keinem der aufgeführten Typen zuzuordnen sind. Verbindungen von Elementen mit der Formel 1-3-5 2 (AgGaS 2) und 2-4-5 2 (ZnSiP 2) bilden Kristalle in der Struktur von Chalkopyrit. Die Bindungen der Verbindungen sind tetraedrisch, ähnlich wie bei Halbleitern der Gruppen 3-5 und 2-6 mit einer Zinkblende-Kristallstruktur. Die Verbindungen, die die Elemente der Halbleiter der Gruppen 5 und 6 (wie As 2 Se 3) bilden, sind Halbleiter in Form eines Kristalls oder Glases. Wismut- und Antimonchalkogenide werden in thermoelektrischen Halbleitergeneratoren verwendet. Die Eigenschaften dieses Halbleitertyps sind äußerst interessant, erfreuen sich jedoch aufgrund ihrer begrenzten Einsatzmöglichkeiten nicht großer Beliebtheit. Ihre Existenz bestätigt jedoch das Vorhandensein noch unerforschter Bereiche der Halbleiterphysik.