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Halbleiter
Wer sich jetzt noch ein bisschen mit der Halbleiterthematik beschäftigen will, hier noch ein paar grundlegende Informationen:
Die im Kristallgitter regelmäßig angeordneten Atome ruhen nicht bewegungslos an ihren Gitterplätzen, sondern sie vibrieren um ihre mittleren Positionen. Dieses Vibrieren ist umso stärker, je höher die Temperatur ist.
Die mittlere so genannte Schwingungsenergie ist proportional zur Temperatur und beträgt bei Zimmertemperatur ca. 0,025 eV.
Viele Atome besitzen eine höhere , manche eine geringere Energie und nur sehr wenige Atome verfügen über eine ausreichende Energie, um ein Elektron aus seiner Bindung (Bindungsenergie) herauszuschlagen.
Diese Elektronen stehen dann als frei bewegliche Leitungselektronen zur Verfügung und können einem angelegten elektrischen Feld folgen. (Bei Solarzellen nutzt man diesen Umstand, indem man durch Lichteinstrahlung die erforderliche Energie zuführt und somit eine Spannung erzeugt)
Zwecks einfacher Verständlichkeit versuchen wir uns nun folgendes vorzustellen:
Neben unserer Bowlingbahn liegt die Bowlingrille, in der die Kugeln "geparkt" sind und auf unseren Wurf warten.(wir nehmen an, die Rille ist wagrecht) Die Rille ist voll und es kann keine Bowlingkugel dazu gegeben oder verschoben werden. Die Ablösung eines Elektrons (in unserem Fall die Kugel) aus der Bindung an Gitteratome (alle Kugeln in der Rille) kann dann mit folgendem Vorgang verglichen werden:
Um mit einer beliebigen Kugel spielen zu können, d.h. sie beweglich zu machen, muss man sie mit Kraftanstrengung (Bindungsenergie) aus dem Kugelverband herausheben.
Durch einzelnes Aufschließen der anderen Kugeln wandert somit die Lücke den Kugeln entgegen.
Nur welche Rolle spielen jetzt die positiven Ionen, die nach Freisetzung eines Elektrons ortsfest an ihren Gitterplatz gebunden bleiben?
Da ihnen ja jetzt ein Elektron fehlt, spricht man von einem "Defektelektron", oder "Elektronenloch".
Jedes dieser positiven Ionen kann einem anliegenden Gitteratom ein Elektron »wegstehlen« und wieder neutral werden. Beim »beraubten« Gitteratom entsteht dadurch wieder ein Elektronenloch. In einem äußeren Feld wandert das Elektronenloch wie eine positive Ladung, aber nicht durch Wanderung der Ionen, sondern so wie oben beschrieben, durch das Nachrücken der Elektronen. Somit tragen die Elektronenlöcher zum Ladungstransport bei.
Wenn jetzt ein Leitungselektron einem Elektronenloch zu nahe kommt bindet die positive Ladung das Elektron, es "fällt" in das Loch, die beiden Ladungsträger neutralisieren sich und sie
Die Leitfähigkeit eines reinen Halbleiterkristalls beruht auf der Bildung von frei beweglichen Ladungsträgern:
Elektronen und Elektronenlöcher.
Die Elektronenlöcher verhalten sich wie positive Ladungen. Die Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu.
Der dotierte Halbleiter
Elektronenüberschussleiter (n-Leiter)
Wir stellen uns vor, dass ein geringer Teil der Si-Atome im Kristall durch Fremdatome der 5. Hauptgruppe, z. B. Phosphoratome, ausgetauscht werden. Üblicherweise wird eines von 10h4 bis 10h7 Siliciumatomen im Kristallgitter durch ein Phosphoratom ersetzt. Phosphor besitzt in der äußersten Elektronenhülle aber fünf Elektronen, von denen nur vier an der Bindung mit den angrenzenden Siliciumatomen partipizieren können.
Das fünfte Elektron ist somit nicht an das Kristallgitter gebunden und lässt sich leicht vom Phosphoratom separieren. Das zurückbleibende unbewegliche Phosphorion ist somit positiv geladen.
Da es jetzt ein Elektron abgegeben hat, wird dieser Halbleiter Elektronenspender oder D o n a t o r , genannt.
Die für diese Separierung erforderliche Energie ist wesentlich geringer als die mittlere Schwingungsenergie der Kristallgitteratome. Sogar schon bei Zimmertemperatur verlieren beinahe alle Phosphoratome durch diese "Wärmestöße" ihr fünftes Elektron. Wenn man jetzt z.B. eine Konzentration von einem Phosphoratom auf 10h6 Siliciumatomen erzeugt, bedeutet dies, dass bei einer Dichte von etwa 10h22 Atomen pro cm³, eine Dichte von 10h16 pro cm³ an freibeweglichen Elektronen besteht. Reines Silicium enthält etwa 10h10 freie Elektronen pro cm³. Dies bestätigt eindeutig die wesentlich höhere Leitfähigkeit des dotierten Halbleiters.
Diese Dotierung mit fünfwertigen Atomen führt somit zu Steigerung von freibeweglichen Elektronen und zu der erhöhten Leitfähigkeit gegenüber reinen Halbleitern . Man spricht daher von einem Elektronenüberschussleiter oder n-Leiter. Die hingegen im Halbleiter stets vorhandenen, gleich vielen freien Elektronen und Elektronenlöcher Paare tragen nur wenig zur Leitfähigkeit bei.
Elektronenmangelleiter (p-Leiter)
Fügen wir jedoch jetzt nur dreiwertige z.B. Boratome in einen Siliciumkristall ein, so fehlt den Boratomen dieses eine Elektron, um die Bindungen zu allen vier Siliciumnachbarn durch Elektronenpaare zu bewerkstelligen.
Und nun die Preisfrage: Woher kann dieses fehlende Elektron geraubt werden?
Natürlich von den benachbarten Siliciumatomen und somit fehlt wieder diesem beraubten Atom ein Elektron und wir erkennen, dass zusätzliche Elektronenlöcher als Ladungsträger erzeugt wurden.
Boratome, die ein Elektron eingefangen haben, heißen A k z e p t o r e n .
Sie sind negativ geladen und an ihre Gitterplätze gebunden. Die von ihnen erzeugten Elektronenlöcher stehen somit für den Ladungstransport zur Verfügung und ihre Dichte wird durch die Dichte der Akzeptoratome bestimmt. Sie übertrifft die Dichte der freibeweglichen Elektronen um ein Vielfaches. Beim Anlegen einer Spannung verhalten sich Elektronenlöcher deswegen wie positive Ladungsträger. Wir nennen sie daher Elektronenmangelleiter oder p-Leiter.
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