Joachim Herz Stiftung
Als Grundmaterial für Halbleiter wurde Germanium und wird heute vorwiegend Silizium verwendet. Der spezifische Widerstand dieser Materialien liegt zwischen dem der reinen Leiter und Nichtleiter (daher der Name Halbleiter). Die weiteren Betrachtungen beziehen sich auf das Element Silizium, da es sich als Halbleitergrundmaterial weitgehend durchgesetzt hat (ca. 90% der Halbleiter bestehen aus Silizium).1
Silizium kommt im Quarzsand \(\mathrm{SiO_2}\) als zweithäufigstes Element der Erdrinde vor. Zunächst wird aus dem Sand das Siliziumpulver gewonnen, welches durch ein spezielles Schmelzverfahren (Zonenschmelzen) und ein Ziehverfahren von Verunreinigungen befreit und in einen Kristall umgewandelt wird.
Eine sehr schöne Darstellung über die Herstellung von Reinstsilizium findet man auf der Seite von Thomas Seilnacht, Tuttlingen unter der Adresse: http://www.seilnacht.tuttlingen.com/Lexikon/14Silici.htm
1Gründe für die Verwendung von Silizium gegenüber dem Germanium:
- Siliziumbauelemente halten höher Temperaturen (ca. \(150^\circ{\mathrm{C}}\)) aus als diejenigen aus Germanium (ca. \(70^\circ{\mathrm{C}}\))
- Die Technologie zur Herstellung reinsten Siliziums ist am weitesten Fortgeschritten (ca. 1 Fremdatom auf 10 bis 100 Milliarden Siliziumatome)
- Silizium bildet bei hohen Temperaturen eine sehr widerstandsfähige Oxidschicht
Silizium hat vier Außenelektronen und bildet einen Kristall, dessen Struktur gleich der des Diamants ist. Dabei hat jedes Siliziumatom vier unmittelbare Nachbarn mit denen es eine Elektronen-Paar-Bindung eingeht. Dies bedeutet, dass das betrachtete Si-Atom und jedes seiner Nachbarn ein Elektron für die gegenseitige Paarbindung beisteuert. Somit steuert ein Si-Atom vier seiner vierzehn Elektronen zur Bindung bei, so dass die Siliziumatome zu vierfach positiv geladenen Atomrümpfen werden.
In Abbildung 4, ist die relativ komplizierte räumliche Struktur der Elementarzelle eines Silizium-Kristalls dargestellt. Für ein herausgehobenes Si-Atom (dunkelrot) sind die Elektronenpaare eingezeichnet, die mit den vier nächsten Nachbarn gebildet werden.
Für weitere Betrachtungen wählen wir ein vereinfachtes Modell (Abb. 5) bei dem die Si-Atome in der Ebene angeordnet sind.