Einfhrung in die Physik der Halbleiter Lernziel Am

Einführung in die Physik der Halbleiter Lernziel: Am Ende der Lektion soll der Leser Antworten auf folgende und ähnliche Fragen geben können: v Was versteht man unter einem Halbleiter ? v Wie lassen sich Halbleiter in das System von Leitern und Nichtleitern einordnen ? v Wie ist ein (Festkörper-)Halbleiter aufgebaut ? v Welche Leitungsmechanismen sind im Halbleiter wirksam ? Halbleiterphysik Prof. Goßner 1

Einordnung der Halbleiter zwischen Leitern und Nichtleitern 2 mm Spezifischer Widerstand unterschiedlicher Materialien in W m Halbleiterphysik 1012 108 104 . . Halbleiter. . Metalle Nichtleiter. . . Ge - i (25°C) Porzellan 1016 Si - i (25°C) PVC 1020 10 -4 . . . Leiter Prof. Goßner 2

Stromleitung Was verstehen wir unter Stromfluß ? v Gerichtete Bewegung von Ladungsträgern. Welche Ladungsträger gibt es ? v Elektronen v Ionen v Löcher (? ) (Elektronenleitung insbesondere in Festkörpern) (in Elektrolyten, z. B. H+-Ionen) (nur in Halbleitern). Ladungsträger finden sich im atomaren Bereich v Betrachtung des atomaren Aufbaus der Halbleiter notwendig Halbleiterphysik Prof. Goßner 3

Aufbau von Atomen (Bohrsches Atommodell) v Ein Atom besteht aus Protonen , Elektronen und Neutronen v Jedes Elektron trägt eine negative Elementarladung v Jedes Proton trägt eine gleich große positive Elementarladung v Ein Neutron ist elektrisch neutral v Die Zahl der Protonen und Elektronen ist gleich v Die Ladungen eines Elektrons und eines Protons kompensieren sich gegenseitig v Ein Atom ist daher nach außen elektrisch neutral Halbleiterphysik Prof. Goßner 4

Aufbau von Atomen (Bohrsches Atommodell) v Protonen und Neutronen bilden Atomkern v Die Elektronen umkreisen den Atomkern v Nur bestimmte Bahnradien sind möglich v Man spricht von Elektronenschalen 14 P 14 N K L M v Die Schalen werden von innen nach außen mit K, L, M usw. benannt Halbleiterphysik Prof. Goßner 5

Belegung der Elektronenschalen Die maximale Zahl von Elektronen auf einer Schale beträgt Nmax = 2×n 2 (aber maximal 8 auf der äußersten Schale) Schale K L M N O P Q n 1 2 3 4 5 6 7 Nmax 2 8 18 32 Nmax 2 8 8 8 Halbleiterphysik (50) (72) (98) 8 8 8 innere Schalen äußerste Schale Edelgaskonfiguration Prof. Goßner 6

Zunahme des metallischen Charakters Belegung der Elektronenschalen verschiedener Elemente Halbleiterphysik Prof. S. Goßner 7

Verbindung mehrerer Atome Warum gehen Atome (Ver-)Bindungen mit anderen Atomen ein ? v Sie versuchen die maximal mögliche Zahl von Elektronen auf der äußeren Elektronenschale zu erreichen. Wodurch läßt sich dies erreichen ? v Abgabe aller Valenzelektronen (vorletzte Schale wird letzte) (wenn nur wenige Valenzelektronen vorhanden sind) v Aufnahme von fremden Elektronen in die Valenzschale (wenn nur wenige Elektronen zur Edelgaskonfiguration fehlen) v Gemeinsame Nutzung von Elektronenpaaren durch je zwei Atome Halbleiterphysik Prof. Goßner 8

Bindungsarten beim Aufbau von Kristallen v Metallbindung ¨ Metallatome verbinden sich zu Kristallen ohne Beteiligung der Valenzelektronen ¨ Bei der Metallbindung trennen sich die Valenzelektronen von ihren Atomen ¨ Die ursprünglichen Valenzelektronen sind zwischen den Atomen frei beweglich (sog. Elektronengas) (Dichte freier Elektronen in einem Metall n 5 1022/cm 3 sehr gute elektrische Leiter) Halbleiterphysik Prof. S. Goßner 9

Bindungsarten beim Aufbau von Kristallen v Elektronenpaarbindung ¨ Bindung zweier Atome durch ein gemeinsames Elektronenpaar ¨ Das Elektronenpaar besteht aus je einem Elektron der beiden Atome ¨ Die Elektronen eines Elektronenpaares sind an die Atome gebunden Halbleiterphysik Prof. S. Goßner 10

Elektronenpaarbindungen im Wassermolekül Sauerstoffatom Elektronenpaar 8 P 8 N Elektronenpaar 1 P 1 P Wasserstoffatom Halbleiterphysik Prof. S. Goßner 11

Vereinfachte Darstellung eines Halbleiteratoms Atomrumpf (Atomkern + innere Elektronenschalen) 4+ äußerste Elektronenschale Halbleiterphysik Prof. S. Goßner 12

4 Elektronenpaarbindungen eines Halbleiteratoms 4+ 4+ Halbleiterphysik 4+ 4+ Prof. S. Goßner 13

Aufbau eines Halbleiterkristalls 4+ 4+ 4+ Halbleiterphysik 4+ 4+ Prof. S. Goßner 14

Herstellung eines Halbleiterkristalls v In der Regel wird für die Herstellung von Halbleiterbauelementen ein Einkristall z. B. aus hochreinem Silizium benötigt. v In einem komplizierten Prozess wird aus Quarz (Si. O 2) hochreines Silizium gewonnen. v Aus einer Schmelze hochreinen Siliziums wird ein Einkristall mit zylindrischer Form und einem Durchmesser von z. B. 10 cm gezogen. v Der Einkristall wird in dünne Scheiben zersägt (sog. Wafer), aus denen in weiteren Prozessen die gewünschten Halbleiter. Bauelemente hergestellt werden. Halbleiterphysik Prof. Goßner 15