Eigenleitung von Halbleitern v Unter Eigenleitung versteht man
Eigenleitung von Halbleitern v Unter Eigenleitung versteht man die Stromleitung im reinen (nicht verunreinigten) Halbleiter v Die Eigenleitung ist sehr stark temperaturabhängig v Die Betrachtung der Leitungsmechanismen der Eigenleitung erfolgt daher in zwei Schritten: Ø bei T = 0 K und Ø bei T > 0 K Halbleiterphysik Prof. Goßner 1
Eigenleitung von Halbleitern v Temperatur = 0 K 4+ 4+ v Es sind keine freien 4+ Elektronen vorhanden 4+ 4+ 4+ Halbleiterphysik v Alle Valenzelektronen sind in Paarbindungen festgehalten 4+ 4+ 4+ wie v Der Halbleiter verhält sich ein Isolator Prof. S. Goßner 2
Eigenleitung von Halbleitern • Temperatur > 0 K 4+ 4+ v Temperatur > 0 K bedeutet Energiezufuhr zu 4+ ihren (Valenz-)Elektronen 4+ den Atomen und 4+ 4+ Halbleiterphysik 4+ 4+ brechen aus den 4+ v Energiereichste Elektronenpaarbindungen aus Prof. S. Goßner 3
Ladungsträger-Generation ¨ Beim Aufbrechen einer Elektronenpaarbindung entsteht ein freies, d. h. ein bewegliches Elektron 4+ 4+ Halbleiterphysik 4+ 4+ freies Elektron 4+ 4+ 4+ Prof. Goßner 4
Ladungsträger-Generation Der positiv geladeneund Bereich umist das Defektelektron wird ¨ Wegen An freie der Ursprungsstelle des Elektrons bleibt eine defekte Da Elektronen Löcher immer paarweise entstehen, ¨ des fehlenden Elektrons diese Stelle positiv geladen „Loch“ genannt Elektronenpaarbindung zurück (sog. Defektelektron) spricht man von Paarbildung (nicht kompensierte Ladung eines Protons) 4+ Loch 4+ 4+ 4+ freies Elektron 4+ 4+ 4+ ¨ Die Konzentration n der freien Elektronen ist gleich der Konzentration p der Löcher n=p Halbleiterphysik Prof. Goßner 5
Ionisierungsenergie Zum Auftrennen einer Elektronenpaarbindung ist Energie erforderlich 4+ Loch 4+ Halbleiterphysik 4+ 4+ W 4+ 4+ freies Elektron 4+ 4+ 4+ Die Ionisierungsenergie beträgt v bei Germaniumca. W 0, 7 e. V v bei Silizium ca. W 1, 1 e. V Prof. S. Goßner 6
Löcherwanderung Ein Nachbarelektron wechselt zur defekten Paarbindung Ein Loch kann wandern (in das Loch) 4+ Loch 4+ 4+ Dadurch wandert das Loch zum Nachbaratom Halbleiterphysik Prof. Goßner
Rekombination Auslöschung eines freien Elektrons und eines Loches Ein freies Elektron kann von einem Loch eingefangen werden 4+ Loch 4+ 4+ 4+ freies Elektron 4+ 4+ 4+ Das Loch verschwindet , das Elektron ist nicht mehr frei Die Rekombination ist das Gegenstück zur Paarbildung Halbleiterphysik Prof. Goßner
Gleichgewicht zwischen Paarbildung und Rekombination Thermisches Gleichgewicht v Durch thermische Generation entstehen ständig neue bewegliche Elektronen und Löcher v Die Zahl der freien Ladungsträger wächst jedoch nicht unbegrenzt an v Bei einer bestimmten Konzentration von Elektronen und Löchern treten gleich viele Rekombinationen wie Paarbildungen auf (Gleichgewicht zwischen Generation und Rekombination) Halbleiterphysik Prof. Goßner 9
Gleichgewicht zwischen Paarbildung und Rekombination Thermisches Gleichgewicht v Die Gleichgewichtskonzentration ist temperaturabhängig v Steigt die Temperatur, dann § steigt die Generationsrate § stellt sich ein Gleichgewicht bei höherer Ladungsträgerkonzentration ein Halbleiterphysik Prof. Goßner 10
Ladungsträgerkonzentration bei Eigenleitung v Bei reiner Eigenleitung ist die Konzentration von freien Elektronen und Löchern gleich v Im thermischen Gleichgewicht gilt: n = p = ni = f(T) (ni = Intrinsic-Zahl = Ladungsträgerkonzentration des reinen Halbleiters) Halbleiterphysik Prof. Goßner 11
Gleichgewichtskonzentration Werte der Intrinsic-Dichte ni bei T = 300 K Ø Für Germanium: Ø Für Silizium: ni = 2, 5 1013/cm 3 ni = 1, 5 1010/cm 3 Die Intrinsic-Dichte verdoppelt sich etwa bei einer Temperaturerhöhung um T = 10 K Im Vergleich zu den Metallen mit n 5 1022/cm 3 sind Halbleiter schlechte Leiter Halbleiterphysik Prof. Goßner 12
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