Halbleiter

Halbleiter sind Stoffe, deren Leitfähigkeit zwischen der von Metallen und Isolatoren liegt. Das allein wäre wenig spannend. Entscheidend ist, dass sich ihre Leitfähigkeit gezielt und stark verändern lässt: durch Temperatur, Licht, elektrische Felder und vor allem durch das Einbringen weniger Fremdatome. Auf dieser Steuerbarkeit beruhen Dioden, Transistoren, Solarzellen und jeder Mikrochip. Und weil Halbleiter so deutlich auf Wärme, Licht und mechanische Spannung reagieren, sind sie zugleich ideale Sensoren: Ein NTC misst Temperatur, ein Fotowiderstand Helligkeit, ein Silizium-Dehnungsmessstreifen Verformung – hier ändert der Druck die Beweglichkeit der Ladungsträger – und ein Hallsensor aus Indiumantimonid das Magnetfeld.

Der Siliziumkristall

Der wichtigste Halbleiter ist Silizium (Si), nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste – Sand und Quarz bestehen überwiegend aus Siliziumdioxid. Es steht in der vierten Hauptgruppe des Periodensystems und hat vier Außenelektronen, die sogenannten Valenzelektronen (siehe Atome, Elektronen und Ionen). Im Kristall bindet sich jedes Siliziumatom mit vier Nachbarn; jede Bindung besteht aus zwei gemeinsam genutzten Elektronen. So hat jedes Atom formal acht Außenelektronen – eine sehr stabile Anordnung, das Diamantgitter.

Bei sehr tiefer Temperatur sind alle Elektronen in diesen Bindungen festgehalten. Es gibt keine freien Ladungsträger, und reines Silizium isoliert dann. Das setzt allerdings einen nahezu perfekten Kristall voraus: Schon winzige Mengen fremder Atome verändern die Leitfähigkeit merklich, deshalb muss Halbleitersilizium extrem rein sein (besser als 99,999 999 9 %). Auch an der Oberfläche ist der Kristall gestört – dort fehlen den Atomen Nachbarn, und offene Bindungen können Ladungsträger einfangen oder abgeben.

Eigenleitung: Elektronen und Löcher

Bei Raumtemperatur schwingen die Atome, und gelegentlich reicht die Wärmeenergie, um ein Elektron aus seiner Bindung zu lösen. Es kann sich dann frei durch den Kristall bewegen. Zurück bleibt eine Lücke in der Bindung, ein Loch (auch Defektelektron). Weil dort ein negatives Elektron fehlt, wirkt das Loch wie eine positive Ladung.

Ein Elektron aus einer Nachbarbindung kann in dieses Loch springen – dann ist das Loch eine Stelle weitergewandert. Im elektrischen Feld wandern Löcher so in Feldrichtung, Elektronen dagegen. Beide tragen zum Strom bei. Diese Leitung durch thermisch erzeugte Elektron-Loch-Paare heißt Eigenleitung (intrinsische Leitung).

Statt Wärme kann auch Licht die Bindungen aufbrechen: Ein absorbiertes Photon mit genügend Energie erzeugt ebenfalls ein Elektron-Loch-Paar. Das heißt innerer fotoelektrischer Effekt – im Unterschied zum äußeren, bei dem Elektronen ganz aus dem Material austreten. Fotodiode, Fotowiderstand und Solarzelle nutzen ihn gezielt. Bei allen anderen Halbleiterbauteilen stört er, weshalb sie in lichtdichten Gehäusen stecken.

In reinem Silizium entstehen bei 300 K nur etwa 1 · 10¹⁰ freie Elektronen pro Kubikzentimeter – bei rund 5 · 10²² Atomen pro Kubikzentimeter. Nur jedes 5-billionste Atom hat also ein Elektron abgegeben. Reines Silizium leitet deshalb sehr schlecht.

Das Bändermodell

Im Einzelatom haben Elektronen nur bestimmte, scharfe Energieniveaus. Rücken viele Atome im Kristall eng zusammen, spalten diese Niveaus in sehr viele dicht beieinanderliegende Zustände auf – es entstehen Energiebänder (warum das so ist, erklärt die Quantenphysik).

• Das Valenzband enthält die Elektronen in den Bindungen. Ist es voll besetzt, kann es keinen Strom tragen.
• Das Leitungsband darüber ist bei Halbleitern im Grundzustand leer. Elektronen dort sind frei beweglich.
• Dazwischen liegt die Bandlücke E_g – ein Energiebereich ohne erlaubte Zustände.

Bei Metallen überlappen die Bänder oder das oberste Band ist nur halb gefüllt – es gibt immer freie Elektronen. Bei Isolatoren ist die Bandlücke so groß (über etwa 4–5 eV), dass Wärme praktisch nie reicht, ein Elektron hinaufzuheben. Halbleiter liegen dazwischen: Ihre Bandlücke von etwa 0,5 bis 3,5 eV ist klein genug, dass einige Elektronen sie thermisch oder durch Licht überwinden.

Wichtige Halbleitermaterialien

Germanium und Silizium sind Elementhalbleiter aus der vierten Hauptgruppe. GaAs und GaN sind Verbindungshalbleiter aus Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe, die im Mittel ebenfalls vier Valenzelektronen pro Atom haben. Daneben gibt es Verbindungen aus der zweiten und sechsten Hauptgruppe wie Cadmiumsulfid (CdS, im Fotowiderstand) oder Zinkoxid sowie weitere III-V-Verbindungen wie Indiumphosphid (InP, Glasfaser-Laser) und Indiumantimonid (InSb, Hallsensoren). Eine dritte Familie sind organische Halbleiter aus Kohlenstoffverbindungen wie Pentacen; sie stecken in OLED-Displays und flexibler Elektronik.

Materialien mit großer Bandlücke wie SiC und GaN vertragen höhere Temperaturen, Spannungen und Feldstärken – sie heißen „Wide-Bandgap“-Halbleiter.

Vom Halbleiter zum Bauelement

Mit Eigenleitung allein ließe sich wenig anfangen – zu wenige Ladungsträger, und ihre Zahl hängt stark von der Temperatur ab (siehe Temperaturverhalten von Halbleitern). Die eigentliche Technik beginnt mit der Dotierung: Wenige gezielt eingebrachte Fremdatome erhöhen die Zahl der Elektronen oder Löcher um viele Zehnerpotenzen. Treffen ein p- und ein n-dotiertes Gebiet aufeinander, entsteht der pn-Übergang – die Grundlage jeder Diode und jedes Bipolartransistors. Wie es historisch dazu kam, erzählt die Geschichte der Halbleitertechnik.

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