Einführung in die Elektronik

Elektronik

Einführung in die Elektronik

  • Was sind eigentlich Halbleiter?
  • Welche besonderen Eigenschaften haben Halbleiter?
  • Warum werden Halbleiter dotiert?
  • Wie funktioniert die Dotierung von Halbleitern technisch?

Bei tiefen Temperaturen stellt der Halbleiterkristall einen Isolator dar, d.h. er besitzt keine beweglichen Ladungsträger.

Durch Energiezufuhr (z.B. Erwärmung) kann man Elektronen (blaue Punkte in nebenstehender Animation) aus ihren Paarbindungen "freischütteln". Diese Elektronen werden dann als Leitungselektronen bezeichnet, sie können sich relativ frei zwischen den Atomrümpfen bewegen.

Jedes freie Elektron hinterlässt am Ort seiner ursprünglichen Gitterbindung eine positive Ladung, die in der nebenstehenden Animation durch einen roten Ring um einen Atomrumpf symbolisiert ist. Man bezeichnet die Stelle, an der ein Elektron fehlt als Elektronenlücke oder kurz als Loch. Es erweist sich als zweckmäßig, die Löcher wie Teilchen mit einer positiven Ladung zu behandeln.

Ein Loch wirkt auf ein in der Nähe befindliches Leitungselektron anziehend, unter Umständen füllt das Elektron die Elektronenlücke auf, es kommt zur Rekombination.

Es kann auch vorkommen, dass ein Elektron aus seiner Paarbindung durch ein benachbartes Loch gerissen wird. In diesem Fall verschwindet dieses Loch. Durch das Aufreißen der Paarbindung entsteht aber beim Nachbaratom ein neues Loch.

Die Zahl der durch die Wärmebewegung aufgebrochenen Bindungen und damit der beweglichen Ladungsträger steigt mit der Temperatur. Die Leitfähigkeit des Halbleiterkristalls nimmt also - im Gegensatz zu den Metallen - mit der Temperatur zu. Man sagt dazu auch, dass die Halbleiter einen negativen Temperaturcoeffizienten besitzen (NTC-Widerstand).

  • Die Zahl der Löcher stimmt mit der Zahl der freien Elektronen überein (insgesamt ist der Kristall neutral!).

  • Je höher die Temperatur ist, desto mehr Elektron-Loch-Paare entstehen; die Rekombination kommt immer öfter vor.

  • In Silizium ist bei Zimmertemperatur etwa jede 1013-te Gitterbindung aufgebrochen (d.h. die Zahl der Löcher in obiger Animation ist maßlos übertrieben). Bei Germanium ist die Zahl der aufgebrochenen Bindungen bei gleicher Temperatur deutlich höher als bei Silizium.

Legt man an den Halbleiterkristall eine elektrische Spannung, so bewegen sich die freien Elektronen in Richtung des Pluspols (Elektronenleitung).

Die Löcher bewegen sich in Richtung des Minuspols der Spannungsquelle (Löcherleitung).

Die Elektrizitätsleitung, die sich aufgrund der Bildung von Elektron-Loch-Paaren ergibt wird als Eigenleitung bezeichnet.

 

Wesentliche Anwendungen der Halbleiter (z.B. bei Diode und Transistor) ergeben sich erst dann, wenn man die hochrein hergestellten Si- bzw. Ge-Kristalle mit Elementen aus der III. bzw. V. Hauptgruppe "verunreinigt" und damit deren Leitfähigkeit erhöht. Man bezeichnet den gezielten Einbau von Elementen der III. oder V. Hauptgruppe in einen Germanium- oder Siliziumkristall als Dotierung.

Baut man z.B. in einen Siliziumkristall ein fünfwertiges Element ein (z.B. Phosphor), so entsteht ein n-Halbleiter, beim Einbau eines dreiwertigen Elements (z.B. Bor) entsteht ein p-Halbleiter.

n-Halbleiter

 

Fünfwertige Atome (z.B.: Phosphor, Arsen oder Antimon) haben 5 Valenzelektronen. Vier dieser Außenelektronen werden zum Einbau in den Siliziumkristall benötigt (Elektronenpaar-Bindung). Das fünfte Außenelektron ist nur noch sehr schwach an den positiven Atomrumpf des Fremdatoms gebunden und löst sich schon bei geringster Energiezufuhr von diesem. Zurück bleibt dann der positive Atomrumpf des Fremdatoms (wird oft auch als Donatoratom bezeichnet, da es ein Elektron "liefert"), der in nebenstehender Animation dunkelrot dargestellt ist. Im Gegensatz zu einem positiven Loch bei der Eigenleitung ist der positive Atomrumpf des Fremdatoms nicht beweglich, da alle Bindungen bereits abgesättigt sind und keine Elektronenfehlstelle besteht.

Fazit:

  • Durch den Einbau eines Donatoratoms kommt es zum Auftreten freier beweglicher Elektronen und ortsfester positiver Atomrümpfe.

  • Daneben kommt es natürlich auch noch in geringem Maße zum Phänomen der Eigenleitung. Dies führt zu beweglichen Elektronen und Löchern.

  • Insgesamt überwiegen in dem Kristall bei den beweglichen Ladungsträgern die negativen Elektronen (Majoritätsträger). Man bezeichnet den Kristall daher als n-Halbleiter. In wesentlich geringerem Maße treten die beweglichen, positiven Löcher auf (Minoritätsträger).

 

Für weitere Betrachtungen ist eine Darstellung des Kristalls mit seinen Gitterbindungen zu aufwändig. Um die

 

Funktionsweise von Diode und Transistor verstehen zu können, reicht es, wenn man weiß, dass der n-Halbleiter überwiegend Elektronen als bewegliche Ladungsträger besitzt, die sich über einem Untergrund positiver ortsfester Ladungen (Atomrümpfe der Fremdatome) bewegen. Die nebenstehende Animation macht die vereinfachte Darstellung des n-Halbleiters deutlich.

p-Halbleiter

 

Dreiwertige Atome (z.B.: Bor, Gallium oder Indium) haben nur 3 Valenzelektronen. Vier Elektronen werden aber zum Einbau in den Siliziumkristall benötigt (Elektronenpaar-Bindung). Bei nicht zu tiefen Temperaturen besteht nun eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich das Fremdatom zur Absättigung der Bindung aus der Umgebung eine Elektron "holt". Man bezeichnet daher auch das dreiwertige Fremdatom als Akzeptoratom. Aus diese Weise entsteht am Ort des Fremdatoms eine negative ortsfeste Ladung (blauer Ring in der Animation) und in der Umgebung des Fremdatoms ein positives Loch, da ja einem Siliziumatom ein Elektron abgezogen wurde.

Fazit:

  • Durch den Einbau eines Akzeptoratoms kommt es zum Auftreten freier beweglicher Löcher und ortsfester negativer Atomrümpfe.

  • Daneben kommt es natürlich auch noch in geringem Maße zum Phänomen der Eigenleitung. Dies führt zu beweglichen Elektronen und Löchern.

  • Insgesamt überwiegen in dem Kristall bei den beweglichen Ladungsträgern die positiven Löcher (Majoritätsträger). Man bezeichnet den Kristall daher als p-Halbleiter. In wesentlich geringerem Maße treten die beweglichen, negativen Elektronen auf (Minoritätsträger).

 

Für weitere Betrachtungen ist eine Darstellung des Kristalls mit seinen Gitterbindungen zu aufwändig. Auch für den p-Halbleiter verwenden wird eine vereinfachte Darstellung, welche die beweglichen Löcher als rote Kreise darstellt. Sie bewegen sich über einem Untergrund negativer ortsfester Ladungen (Atomrümpfe der Fremdatome).

 

Um die Leitfähigkeit eines Halbleiterkristalls gezielt erhöhen zu können werden ihm drei- bzw. fünfwertige Fremdatome eingebaut (Dotierung). Beim Einbringen der Fremdatome verwendet man heute zwei Verfahren, die Diffusion und die Implantation.

Dotierung durch Diffusion

Ofen mit horizontal eingeführten Quarzrohren

Bei der Diffusion dringen die Fremdatome in den Halbleiterkristall aufgrund eines bestehenden Konzentrationsgefälles ein (zunächst ist außerhalb der Siliziumscheiben die Konzentration der Fremdatome hoch, in der Scheibe dagegen gering).

Dazu bringt man die Siliziumscheiben (Wafer) in eine Gasatmosphäre, welche die Dotier-Atome enthält. Als Gas eignet sich z.B. Phosphin (PH3 oder Diboran (B2H6). Der Diffusionsprozess läuft bei hohen Temperaturen (ca. 1000°C) besonders effektiv ab, da die Siliziumatome in Bewegung sind und leichter an der ein oder anderen Stelle durch Fremdatome ersetzt werden können.

Das Diffusionsverfahren ist im Vergleich zum Implantationsverfahren billig, weist jedoch einige Nachteile auf:

  • Die Konzentration der Dotieratome lässt sich nicht sehr genau einstellen.

  • Die größte Dotierungsdichte herrscht trotz ausgeklügelter Verfahren immer an der Oberfläche.

Dotierung durch Implantation

Bei diesem Verfahren werden Ionen des Dotierungsstoffes (z.B. B-Ionen oder P-Ionen) durch ein elektrische Spannung stark beschleunigt und auf den Halbleiterkristall geschossen. Aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie können die Fremdionen in den Kristall eindringen und z.B. Siliziumatome aus ihren Gitterplätzen drängen. Bei den hohen kinetischen Energien der implantierten Ionen kann die Kristallstruktur teilweise zerstört werden. Durch Erwärmen des nun schon dotierten Kristalls können Gitterfehler wieder beseitigt werden. Man nennt diesen Prozess "Ausheilen".

Das Implantationsverfahren kann die Nachteile des Diffusionsverfahrens weitgehend überwinden, ist aber deutlich teuerer.

 
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