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Als Halbleiter bezeichnet man ein festes oder flüssiges Material, das bei Raumtemperatur in der Lage ist, Elektrizität etwas besser zu leiten als ein Isolator, aber schlechter als ein Metall. Metalle wie Kupfer, Silber und Aluminium sind ausgezeichnete Leiter; Isolatoren wie Diamant und Glas sind sehr schlechte Leiter. Die wichtigsten Halbleiterelemente sind Silizium, Germanium, Arsen, Tellur und Bor.
Bei niedrigen Temperaturen verhalten sich reine Halbleiter wie Isolatoren. Bei höheren Temperaturen, bei Zufügung von geeigneten Verunreinigungen (Dotierung) oder unter Lichteinfluss kann die Leitfähigkeit von Halbleitern gesteigert werden.
Ihre Leitfähigkeit kann dann Werte erreichen, die mit Metallen vergleichbar sind. Die physikalischen Eigenschaften von Halbleitern untersucht man in der Festkörperphysik.
Der Anstieg der Leitfähigkeit des Halbleiters mit Temperatur, Licht oder Verunreinigungen liegt an der wachsenden Zahl der Leitungselektronen, welche die Träger des elektrischen Stromes sind.
In einem reinen, echten Halbleiter wie Silizium sind die
Valenzelektronen3.1 zwei benachbarter Atome paarweise gebunden (siehe
Abbildung 3.1, Seite ![[*]](crossref.png)
). Sie werden
gemeinsam benutzt, um kovalente Bindungen herzustellen, die z.B. ein
Kristallgitter zusammenhalten. Diese Valenzelektronen sind nicht
völlig frei beweglich, insbesondere nicht genug um elektrischen Strom
zu transportieren. Sie sind allerdings nur verhältnismäßig schwach
gebunden.
Mit Hilfe höherer Temperaturen oder durch Licht erzeugt man aus Valenzelektronen Leitungselektronen. Dabei werden die Elektronen aus dem so genannten Valenzband in das Leitungsband ,,angehoben`` - man bezeichnet dies auch als Generation. Im Valenzband bleiben dadurch Lücken oder Löcher zurück. (Diese Löcher werden als Träger von positiver Ladung bezeichnet.) Sowohl die Leitungselektronen als auch die zurückbleibenden Löcher leisten den wesentlichen Beitrag zur elektrischen Leitfähigkeit. Die Energie, die benötigt wird, um ein freies Elektron und ein Loch hervorzurufen, wird Energielücke oder Bandabstand genannt.
Eine andere Methode, freie Träger von Elektrizität zu produzieren, ist das Hinzufügen von Verunreinigungen (Dotierungen) in den Halbleiter. Die Differenz in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen dem Dotierungsmaterial (entweder Donatoren oder Akzeptoren von Elektronen) und dem Empfänger ergibt ein Anwachsen von negativen (n-Leiter) oder positiven (p-Leiter) Trägern von Elektrizität.
Ein Siliziumkristall mit zwei Dotierungen
![\includegraphics[scale=1]{dotierung.eps}](img32.gif)
Jedes normale Siliziumatom besitzt vier Valenzelektronen (im Bild durch Punkte dargestellt). Für die Bildung einer kovalenten Bindung werden stets zwei benötigt. In einem n-Siliziumhalbleiter ersetzen Atome, wie z. B. Phosphor (P) mit fünf Valenzelektronen, einige Siliziumatome und stellen zusätzliche negative Ladungsträger zur Verfügung. Ähnliches gilt für einen p-Siliziumhalbleiter: hier führen Atome mit drei Valenzelektronen, wie z. B. Aluminium (Al), zu einem Mangel an Elektronen, zu Löchern, die sich wie positive Ladungsträger verhalten. Die zusätzlichen Elektronen oder Löcher leiten die Elektrizität.
Ein Bauteil mit dem Übergang einer p- und einer n-dotierten Schicht nennt man Halbleiterdiode3.2, den Berührungsbereich p-n-Trennschicht. Die Leitungseigenschaften einer p-n-Trennschicht hängen von der Richtung des angelegten Stromes ab. Mit Hilfe der Trennschicht kann man aber auch den Durchfluss kontrollieren; in Transistoren z.B. findet ein n-p-n-Halbleiter Anwendung. Hier kann mit Hilfe der mittleren Schicht der Durchfluss gesteuert werden. Auch in Photodioden, Gleichrichtern und Solarzellen finden n-p-Trennschichten Anwendung.
Halbleiterbauteile finden in der Elektrotechnik nahezu überall Anwendung. Sie werden immer kleiner gebaut, und ein normaler Chip enthält heutzutage schon Millionen von Transistoren.
Halbleiter eignen sich aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften hervorragend dazu, auf kleinstem Raum äußerst leistungsfähige elektronische Schaltungen aufzubauen (integrierte Schaltkreise). Je nach Anwendungszweck werden an das verwendete Halbleitermaterial bestimmte Anforderungen gestellt. Die Halbleiterphysik beschäftigt sich damit, diese Eigenschaften zu untersuchen und geeignete Materialien zu finden, aber auch diese in einer möglichst reinen Form herzustellen, wie es insbesondere in der Optoelektronik und Photonik benötigt wird.
Nachdem im Jahr 1948 der Transistor erfunden wurde ist die Halbleitertechnik eine enorm wichtige Technologie geworden, die besonders auch die Miniaturisierung vorangebracht hat.
Die grundlegenden Bauelemente der Halbleitertechnik sind die Diode und der Transistor, die heute oft in großer Anzahl zu integrierten Schaltungen zusammengefasst sind und den größten Teil der allgegenwärtigen Mikrochips und Mikroprozessoren ausmachen.
Einsatz finden sie z.B. bei Digitaluhren, Digitalthermometeren, in Bauteilen der Kraftfahrzeugelektronik oder Küchengeräten mit Zeit- und/oder Temperatursteuerung. Jede digitale Anzeige ist auf die Halbleitertechnik angewiesen. Die Anwendungsgebiete der Halbleiter kann man grob in drei Kategorien unterteilen: Elektrotechnik, Informationsverarbeitung und Optoelektronik.
Gegenüber den früher üblichen elektrischen bzw. elektromechanischen Bauteilen haben die Halbleiterbauelemente entscheidende Vorteile:
Ein Überblick über die wichtigsten Halbleiterbauelemente
(inklusiver der bei den Messungen verwendeten Peltier- und
Piezoelemente) findet sich in Anhang C, Seite
.