Elektronen und „Löcher“

Reine Halbleiter sind im Vergleich zu Metallen relativ gute Isolatoren, wenn auch nicht annähernd so gut wie ein echter Isolator wie Glas. Um in Halbleiteranwendungen nützlich zu sein, ist der intrinsische Halbleiter (reiner undotierter Halbleiter) darf nicht mehr als ein Fremdatom von 10 Milliarden Halbleiteratomen enthalten. Dies ist analog zu einem Körnchen Salzverunreinigung in einem Eisenbahnwaggon aus Zucker. Unreine oder verschmutzte Halbleiter sind wesentlich leitfähiger, jedoch nicht so gut wie Metalle. Warum könnte das sein? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns die Elektronenstruktur solcher Materialien in Abbildung unten ansehen.

Elektronenstruktur

Die Abbildung unten (a) zeigt vier Elektronen in der Valenzschale eines Halbleiters, die kovalente Bindungen zu vier anderen Atomen eingehen. Dies ist eine abgeflachte, einfacher zu zeichnende Version der obigen Abbildung. Alle Elektronen eines Atoms sind in vier kovalenten Bindungen, Paaren gemeinsamer Elektronen, gebunden. Elektronen können sich nicht frei im Kristallgitter bewegen. Daher sind intrinsische, reine Halbleiter im Vergleich zu Metallen relativ gute Isolatoren.

(a) Ein intrinsischer Halbleiter ist ein Isolator mit einer vollständigen Elektronenhülle. (b) Thermische Energie kann jedoch wenige Elektron-Loch-Paare erzeugen, was zu einer schwachen Leitung führt.

Thermische Energie kann gelegentlich ein Elektron aus dem Kristallgitter befreien, wie in Abbildung oben (b). Dieses Elektron ist frei für die Leitung um das Kristallgitter. Als das Elektron freigesetzt wurde, hinterließ es einen leeren Fleck mit einer positiven Ladung im Kristallgitter, bekannt als Loch . Dieses Loch ist nicht am Gitter befestigt; kann sich aber frei bewegen. Das freie Elektron und das Loch tragen beide zur Leitung um das Kristallgitter bei. Das heißt, das Elektron ist frei, bis es in ein Loch fällt. Dies nennt man Rekombination . Wird ein externes elektrisches Feld an den Halbleiter angelegt, leiten die Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen. Eine Erhöhung der Temperatur erhöht die Anzahl der Elektronen und Löcher und verringert den Widerstand. Dies ist das Gegenteil von Metallen, bei denen der Widerstand mit der Temperatur zunimmt, indem die Kollisionen von Elektronen mit dem Kristallgitter erhöht werden. Die Anzahl der Elektronen und Löcher in einem intrinsischen Halbleiter ist gleich. Beim Anlegen eines externen Feldes bewegen sich jedoch nicht unbedingt beide Träger mit der gleichen Geschwindigkeit. Anders ausgedrückt:Mobilität ist für Elektronen und Löcher nicht gleich.

Halbleiterverunreinigungen

Reine Halbleiter allein sind nicht besonders nützlich. Allerdings müssen Halbleiter als Ausgangspunkt vor der Zugabe spezifischer Verunreinigungen auf einen hohen Reinheitsgrad veredelt werden.

Halbleitermaterial, das zu 1 Teil von 10 Milliarden rein ist, kann spezifische Verunreinigungen in einer Menge von ungefähr 1 Teil pro 10 Millionen enthalten, um die Anzahl der Ladungsträger zu erhöhen. Die Zugabe der gewünschten Verunreinigung zu einem Halbleiter wird als Dotierung bezeichnet . Die Dotierung erhöht die Leitfähigkeit eines Halbleiters, sodass er eher mit Metall als mit einem Isolator vergleichbar ist.

Es ist möglich, die Anzahl der negativen Ladungsträger innerhalb des Halbleiterkristallgitters durch Dotieren mit einem Elektronen-Donor . zu erhöhen wie Phosphor. Elektronendonatoren, auch bekannt als N-Typ Dotierstoffe umfassen Elemente aus der Gruppe VA des Periodensystems:Stickstoff, Phosphor, Arsen und Antimon. Stickstoff und Phosphor sind Dotierstoffe vom N-Typ für Diamant. Phosphor, Arsen und Antimon werden mit Silizium verwendet.

Das Kristallgitter in Abbildung unten (b) enthält Atome mit vier Elektronen in der äußeren Schale, die vier kovalente Bindungen zu benachbarten Atomen bilden. Dies ist das erwartete Kristallgitter. Die Hinzufügung eines Phosphoratoms mit fünf Elektronen in der äußeren Schale führt gegenüber dem Siliziumatom ein zusätzliches Elektron in das Gitter ein. Die fünfwertige Verunreinigung bildet mit vier der fünf Elektronen vier kovalente Bindungen zu vier Siliziumatomen und passt mit einem übrig gebliebenen Elektron in das Gitter. Beachten Sie, dass dieses Ersatzelektron nicht so stark an das Gitter gebunden ist wie die Elektronen normaler Si-Atome. Es kann sich frei um das Kristallgitter bewegen und ist nicht an den Phosphorgitterplatz gebunden. Da wir in 10 Millionen Siliziumatomen einen Teil Phosphor dotiert haben, entstanden im Vergleich zu den zahlreichen Siliziumatomen nur wenige freie Elektronen. Im Vergleich zu den weniger Elektron-Loch-Paaren in intrinsischem Silizium wurden jedoch viele Elektronen erzeugt. Das Anlegen eines externen elektrischen Feldes erzeugt eine starke Leitung im dotierten Halbleiter im Leitungsband (oberhalb des Valenzbandes). Ein stärkerer Dotierungspegel erzeugt eine stärkere Leitung. Somit wurde ein schlecht leitender intrinsischer Halbleiter in einen guten elektrischen Leiter umgewandelt.

(a) Die äußere Hüllenelektronenkonfiguration von Donor-N-Typ-Phosphor, Silizium (als Referenz) und Akzeptor-P-Typ-Bor. (b) Donor-Fremdatom vom N-Typ erzeugt freie Elektronen (c) Akzeptor-Fremdatom vom P-Typ erzeugt das Loch, einen positiven Ladungsträger.

Es ist auch möglich, eine Verunreinigung ohne Elektron im Vergleich zu Silizium einzuführen, die drei Elektronen in der Valenzschale hat, verglichen mit vier bei Silizium. In Abbildung oben (c) hinterlässt dies eine leere Stelle, die als Loch bekannt ist , ein positiver Ladungsträger. Das Boratom versucht sich an vier Siliziumatome zu binden, hat aber nur drei Elektronen im Valenzband. Beim Versuch, vier kovalente Bindungen zu bilden, bewegen sich die drei Elektronen herum und versuchen, vier Bindungen zu bilden. Dadurch scheint sich das Loch zu bewegen. Darüber hinaus kann das dreiwertige Atom ein Elektron von einem benachbarten (oder weiter entfernten) Siliziumatom aufnehmen, um vier kovalente Bindungen zu bilden. Dadurch fehlt dem Siliziumatom jedoch ein Elektron. Mit anderen Worten, das Loch hat sich zu einem benachbarten (oder weiter entfernten) Siliziumatom bewegt. Löcher befinden sich im Valenzband, einer Ebene unterhalb des Leitungsbandes. Dotierung mit einem Elektronen-Akzeptor , ein Atom, das ein Elektron aufnehmen kann, erzeugt einen Elektronenmangel, genauso wie ein Überschuss an Löchern. Da Löcher positive Ladungsträger sind, wird ein Elektronenakzeptor-Dotierstoff auch als P-Typ bezeichnet Dotierstoff. Der Dotierstoff vom P-Typ verlässt den Halbleiter mit einem Überschuss an Löchern, positiven Ladungsträgern. Die Elemente vom P-Typ der Gruppe IIIA des Periodensystems umfassen Bor, Aluminium, Gallium und Indium. Bor wird als Dotierstoff vom P-Typ für Silizium- und Diamanthalbleiter verwendet, während Indium mit Germanium verwendet wird.

Die „Marmor in einer Röhre“-Analogie zur Elektronenleitung in der Abbildung unten bezieht die Bewegung von Löchern mit der Bewegung von Elektronen. Die Murmel repräsentiert Elektronen in einem Leiter, der Röhre. Die Bewegung von Elektronen von links nach rechts wie in einem Draht- oder N-Typ-Halbleiter wird dadurch erklärt, dass ein Elektron links in die Röhre eindringt und den Austritt eines Elektrons nach rechts erzwingt. Die Leitung von Elektronen vom N-Typ erfolgt im Leitungsband. Vergleichen Sie das mit der Bewegung eines Lochs im Valenzband.

Marmor in einer Röhrenanalogie:(a) Elektronen bewegen sich direkt im Leitungsband, wenn Elektronen in die Röhre eintreten. (b) Das Loch bewegt sich im Valenzband nach rechts, während sich die Elektronen nach links bewegen.

Damit ein Loch links in der Abbildung oben (b) eindringen kann, muss ein Elektron entfernt werden. Wenn ein Loch von links nach rechts bewegt wird, muss das Elektron von rechts nach links bewegt werden. Das erste Elektron wird vom linken Ende der Röhre ausgestoßen, so dass sich das Loch nach rechts in die Röhre bewegen kann. Das Elektron bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung des positiven Lochs. Wenn sich das Loch weiter nach rechts bewegt, müssen sich Elektronen nach links bewegen, um das Loch aufzunehmen. Das Loch in Abwesenheit eines Elektrons im Valenzband aufgrund einer P-Dotierung. Es hat eine lokalisierte positive Ladung. Um das Loch in eine bestimmte Richtung zu bewegen, bewegen sich die Valenzelektronen in die entgegengesetzte Richtung.

Der Elektronenfluss in einem Halbleiter vom N-Typ ähnelt der Bewegung von Elektronen in einem Metalldraht. Die Dotierstoffatome vom N-Typ liefern Elektronen, die für die Leitung verfügbar sind. Diese Elektronen werden aufgrund des Dotierstoffes als Mehrheitsträger bezeichnet , denn sie sind im Vergleich zu den sehr wenigen thermischen Löchern in der Mehrzahl. Wenn ein elektrisches Feld über den N-Halbleiterstab in Abbildung unten (a) angelegt wird, treten Elektronen in das negative (linke) Ende des Stabs ein, durchqueren das Kristallgitter und treten rechts zum (+) Batteriepol aus.

(a) Ein n-Halbleiter mit Elektronen, die sich von links nach rechts durch das Kristallgitter bewegen. (b) Ein Halbleiter vom p-Typ mit Löchern, die sich von links nach rechts bewegen, was Elektronen entspricht, die sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen.

Der Stromfluss in einem P-Halbleiter ist etwas schwieriger zu erklären. Der Dotierstoff vom P-Typ, ein Elektronenakzeptor, ergibt lokalisierte Bereiche positiver Ladung, die als Löcher bekannt sind. Der Majoritätsträger in einem P-Typ-Halbleiter ist das Loch. Während sich an den dreiwertigen Dotierstoffatomstellen Löcher bilden, können sie sich um den Halbleiterstab herum bewegen. Beachten Sie, dass die Batterie in Abbildung oben (b) umgekehrt zu (a) ist. Der Pluspol der Batterie ist mit dem linken Ende der P-Typ-Leiste verbunden. Der Elektronenfluss erfolgt aus dem negativen Batteriepol durch den P-Typ-Balken und kehrt zum positiven Batteriepol zurück. Ein Elektron, das das positive (linke) Ende des Halbleiterstabs zum positiven Batteriepol verlässt, hinterlässt ein Loch im Halbleiter, das sich nach rechts bewegen kann. Löcher durchziehen das Kristallgitter von links nach rechts. Am negativen Ende des Balkens verbindet sich ein Elektron aus der Batterie mit einem Loch und neutralisiert es. Dies schafft Platz für ein weiteres Loch, um sich am positiven Ende des Balkens nach rechts zu bewegen. Denken Sie daran, dass, wenn sich Löcher von links nach rechts bewegen, tatsächlich Elektronen in die entgegengesetzte Richtung für die scheinbare Lochbewegung verantwortlich sind.

Elemente zur Herstellung von Halbleitern

Die zur Herstellung von Halbleitern verwendeten Elemente sind in der folgenden Abbildung zusammengefasst. Das älteste Bulk-Halbleitermaterial der Gruppe IVA, Germanium, wird heute nur noch eingeschränkt verwendet. Auf Silizium basierende Halbleiter machen etwa 90 % der kommerziellen Produktion aller Halbleiter aus. Halbleiter auf Diamantbasis sind derzeit eine Forschungs- und Entwicklungstätigkeit mit erheblichem Potenzial. Nicht aufgeführte Verbindungshalbleiter umfassen Siliziumgermanium (dünne Schichten auf Si-Wafern), Siliziumkarbid und III-V-Verbindungen wie Galliumarsenid. III-VI-Verbindungshalbleiter umfassen AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al_x Ga_1-x As und In_x Ga_1-x Wie. Die in der Abbildung nicht gezeigten Spalten II und VI des Periodensystems bilden ebenfalls Verbindungshalbleiter.

Dotanden vom P-Typ der Gruppe IIIA, basische Halbleitermaterialien der Gruppe IV und Dotanden vom N-Typ der Gruppe VA.

Der Hauptgrund für die Aufnahme der IIIA- und VA-Gruppen in die obige Abbildung besteht darin, die Dotierstoffe zu zeigen, die mit den Gruppe-IVA-Halbleitern verwendet werden. Elemente der Gruppe IIIA sind Akzeptoren, Dotierstoffe vom P-Typ, die Elektronen aufnehmen, die ein Loch im Kristallgitter hinterlassen, einen positiven Träger. Bor ist der Dotierstoff vom P-Typ für Diamant und der gebräuchlichste Dotierstoff für Siliziumhalbleiter. Indium ist der Dotierstoff vom P-Typ für Germanium.

Elemente der Gruppe VA sind Donatoren, Dotierstoffe vom N-Typ, die ein freies Elektron ergeben. Stickstoff und Phosphor sind geeignete Dotierstoffe vom N-Typ für Diamant. Phosphor und Arsen sind die am häufigsten verwendeten Dotierstoffe vom N-Typ für Silizium; Antimon kann jedoch verwendet werden.

RÜCKBLICK:

• Intrinsische Halbleitermaterialien, die zu 1 von 10 Milliarden rein sind, sind schlechte Leiter.
• Ein Halbleiter vom N-Typ wird mit einer fünfwertigen Verunreinigung dotiert, um freie Elektronen zu erzeugen. Ein solches Material ist leitfähig. Das Elektron ist der Majoritätsträger.
• P-Typ-Halbleiter, dotiert mit einer dreiwertigen Verunreinigung, weist eine Fülle von freien Löchern auf. Dies sind positive Ladungsträger. Das Material vom P-Typ ist leitfähig. Das Loch ist der Majoritätsträger.
• Die meisten Halbleiter basieren auf Elementen der Gruppe IVA des Periodensystems, Silizium ist am weitesten verbreitet. Germanium ist so gut wie veraltet. Carbon (Diamant) wird entwickelt.
• Verbindungshalbleiter wie Siliziumkarbid (Gruppe IVA) und Galliumarsenid (Gruppe III-V) werden häufig verwendet.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Elektrische Leitung in Halbleitern Arbeitsblatt