Definition
Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper, dessen Valenz- und Leitungsband zwar nicht überlappen, aber doch auch nicht so weit voneinander entfernt sind wie bei Nichtleitern. Der Energieunterschied zwischen beiden Bändern beträgt typisch weniger als 3 eV.
Wesentliche Elemente und Verbindungen
Halbleiter lassen sich in zwei Gruppen einordnen: Elementhalbleiter und Verbindungshalbleiter. Zu den Elementhalbleitern zählen Elemente mit vier Valenzelektronen, beispielsweise Silizium (Si) und Germanium (Ge). Die Gruppe der Verbindungshalbleiter umfasst Chemische Verbindungen, die im Mittel vier Valenzelektronen besitzen. Dazu zählen Elemente der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems (III-V-Halbleiter), wie Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumantimonid (InSb), und der II. und VI. Hauptgruppe (II-VI-Halbleiter), wie Zinkselenid (ZnSe) oder Cadmiumsulfid (CdS).
Neben diesen häufig eingesetzten Halbleitern gibt es noch die I-VII-Halbleiter, wie Kupfer(II)-chlorid. Auch Materialien, die im Durchschnitt nicht vier Valenzelektronen haben, können als Halbleiter bezeichnet werden, wenn sie einen spezifischen Widerstand im Bereich von größer 10-4 Ω·m und kleiner 106 Ω·m haben. Eine Gruppe neuer Halbleiter stellen darüber hinaus die organischen Halbleiter dar.
Tabelle 5: Elementare- Verbindungs- und organische Halbleiter
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Elementare Halbleiter |
Verbindungshalbleiter |
Organische Halbleiter |
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Ge, Si, α-Sn, C (Fullerene), B, Se, Te |
III-V: GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, AlN, InN, AlxGa1-xAs |
Tetracen, Pentacen, Phthalocyanine, Polythiophene, PTCDA, MePTCDI, Chinacridon, Acridon, Indanthron, Flavanthron, Perinon |
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Unter Druck: Bi, Ca, Sr, Ba, Yb, P, S, I |
II-VI: ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, Hg(1-x)Cd(x)Te, BeSe, BeTe, HgS |
Mischsysteme: Polyvinylcarbazol, TCNQ Komplexe |
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III-VI: GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe, InTe .... |
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I-III-VI: CuInSe2, CuInGaSe2, CuInS2, CuInGaS2.... |
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Herstellungsprozess
Elementare und Verbindungshalbleiter werden in aller Regel durch Epitaxie (LPE, MBE, MOVPE, CVD, PVD, IBAD, vgl. Beschichtungsverfahren) hergestellt. Bei der Epitaxie wird ein geordnetes Kristallwachstum von einem einkristallinen Substrat auf eine wachsende Schicht übertragen. Bei der Homoepitaxie wird dabei im Gegensatz zur Heteroepitaxie für die Schicht das selbe Material wie für das Substrat verwendet.
Organische Halbleiter werden - sofern es sich um kleine Moleküle handelt - mit ähnlichen Verfahren hergestellt, wie dies bei anorganischen Halbleitern der Fall ist. Handelt es sich bei den organischen Halbleitern jedoch um größere Moleküle, werden sie in gelöster Form mittels Rotationsbeschichten hergestellt oder gedruckt.
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Typische Eigenschaften
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Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark temperaturabhängig; Halbleiter sind bei Raumtemperatur üblicherweise nichtleitend.
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Mit steigender Temperatur nimmt die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern in der Regel zu (Heißleiter).
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Die Leitfähigkeit lässt sich ferner durch das Einbringen von Fremdatomen (Dotieren) aus einer anderen chemischen Hauptgruppe in weiten Grenzen gezielt beeinflussen
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Halbleiter sind für die Mikroelektronik von großer Bedeutung, weil sich ihre elektrische Leitfähigkeit durch das Anlegen einer Steuerspannung oder eines Steuerstromes in weiten Grenzen verändern lässt.
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Die Bandlücke EG bei Halbleitern ist im Gegensatz zu Isolatoren (EG > 3 eV) relativ klein (InAs: ~0,4 eV, Ge: ~0,7 eV, Si: ~1,2 eV, GaAs: ~1,4 eV, Diamant: ~5,45 eV), so dass beispielsweise durch die Energie der Wärmeschwingungen bei Raumtemperatur oder durch Absorption von Licht Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt werden können
Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark temperaturabhängig; Halbleiter sind bei Raumtemperatur üblicherweise nichtleitend.
Mit steigender Temperatur nimmt die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern in der Regel zu (Heißleiter).
Die Leitfähigkeit lässt sich ferner durch das Einbringen von Fremdatomen (Dotieren) aus einer anderen chemischen Hauptgruppe in weiten Grenzen gezielt beeinflussen
Halbleiter sind für die Mikroelektronik von großer Bedeutung, weil sich ihre elektrische Leitfähigkeit durch das Anlegen einer Steuerspannung oder eines Steuerstromes in weiten Grenzen verändern lässt.
Die Bandlücke EG bei Halbleitern ist im Gegensatz zu Isolatoren (EG > 3 eV) relativ klein (InAs: ~0,4 eV, Ge: ~0,7 eV, Si: ~1,2 eV, GaAs: ~1,4 eV, Diamant: ~5,45 eV), so dass beispielsweise durch die Energie der Wärmeschwingungen bei Raumtemperatur oder durch Absorption von Licht Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt werden können
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Anwendungen
Halbleiter spielen die zentrale Rolle in der Elektronik.
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