Lerngrundlagen von Halbleitern

In diesem Beitrag lernen wir umfassend die grundlegenden Funktionsprinzipien von Halbleiterbauelementen und die Funktionsweise der internen Struktur von Halbleitern unter dem Einfluss von Elektrizität kennen.

Der spezifische Widerstandswert zwischen diesen Halbleitermaterialien hat weder eine vollständige Leitereigenschaft noch einen vollständigen Isolator, er liegt zwischen diesen beiden Grenzen.

Dieses Merkmal kann die Halbleitereigenschaft des Materials definieren, es wäre jedoch interessant zu wissen, wie ein Halbleiter zwischen einem Leiter und einem Isolator funktioniert.

Widerstand

Nach dem Ohmschen Gesetz ist der elektrische Widerstand eines elektronischen Geräts definiert als das Verhältnis der Potentialdifferenz zwischen der Komponente und dem durch die Komponente fließenden Strom.

Die Verwendung der Widerstandsmessung kann nun ein Problem darstellen: Ihr Wert ändert sich, wenn sich die physikalische Abmessung des Widerstandsmaterials ändert.

Wenn beispielsweise ein Widerstandsmaterial länger wird, nimmt auch sein Widerstandswert proportional zu.
In ähnlicher Weise nimmt sein Widerstandswert proportional ab, wenn seine Dicke zunimmt.

Hier besteht die Notwendigkeit, ein Material zu definieren, das unabhängig von seiner Größe, Form oder physikalischen Erscheinung die Eigenschaft einer Leitung oder eines Widerstandes gegen elektrischen Strom anzeigen kann.

Die Größe zum Ausdrücken dieses bestimmten Widerstandswerts ist als Widerstand bekannt, der das Synbol ρ (Rho) aufweist.

Die Maßeinheit für den spezifischen Widerstand ist ein Ohmmeter (Ω.m) und kann als ein Parameter verstanden werden, der die Leitfähigkeit umkehrt.

Um Vergleiche zwischen den spezifischen Widerständen mehrerer Materialien zu erhalten, werden diese in drei Hauptkategorien eingeteilt: Leiter, Isolator und Halbleiter. Die folgende Tabelle enthält die erforderlichen Details:

Wie Sie in der obigen Abbildung sehen können, gibt es einen vernachlässigbaren Unterschied im spezifischen Widerstand von Leitern wie Gold und Silber, wohingegen es einen signifikanten Unterschied im spezifischen Widerstand zwischen Isolatoren wie Quarz und Glas geben kann.

Dies ist auf ihre Reaktion auf die Umgebungstemperatur zurückzuführen, die Metalle zu äußerst effizienten Leitern macht als die Isolatoren

Dirigenten

Aus der obigen Tabelle geht hervor, dass Leiter den geringsten spezifischen Widerstand aufweisen, der typischerweise in Mikroohm / Meter liegen kann.

Aufgrund ihres geringen spezifischen Widerstands kann elektrischer Strom aufgrund der Verfügbarkeit einer großen Menge von Elektronen leicht durch sie fließen.

Diese Elektronen können jedoch nur gedrückt werden, wenn sie einen Druck über den Leiter ausüben, und dieser Druck kann durch Anlegen einer Spannung über den Leiter gebildet werden.

Wenn also ein Leiter mit einer positiven / negativen Potentialdifferenz angelegt wird, werden die freien Elektronen jedes Atoms des Leiters gezwungen, sich von ihren Elternatomen zu lösen, und sie beginnen, innerhalb des Leiters zu driften, was allgemein als Stromfluss bekannt ist .

Der Grad, in dem sich diese Elektronen bewegen können, hängt davon ab, wie leicht sie als Reaktion auf eine Spannungsdifferenz von ihren Atomen befreit werden können.

Metalle gelten im Allgemeinen als gute Stromleiter, und unter den Metallen sind Gold, Silber, Kupfer und Aluminium die besten ordentlichen Leiter.

Da diese Leiter nur sehr wenige Elektronen im Valenzband ihrer Atome haben, werden sie leicht durch eine Potentialdifferenz verschoben und springen durch einen Prozess namens 'Domino-Effekt' von einem Atom zum nächsten Atom, was zu einem Stromfluss führt der Schaffner.

Obwohl Gold und Silber die besten Stromleiter sind, werden Kupfer und Aluminium aufgrund ihrer geringen Kosten und ihres Überflusses sowie ihrer physikalischen Robustheit für die Herstellung von Drähten und Kabeln bevorzugt.

Trotz der Tatsache, dass Kupfer und Aluminium gute Stromleiter sind, haben sie immer noch einen gewissen Widerstand, da nichts zu 100% ideal sein kann.

Obwohl klein, kann der von diesen Leitern gebotene Widerstand bei Anlegen höherer Ströme erheblich werden. Schließlich wird der Widerstand gegen höheren Strom an diesen Leitern als Wärme abgeführt.

Isolatoren

Im Gegensatz zu Leitern sind Isolatoren schlechte elektrische Leiter. Diese liegen im Allgemeinen in Form von Nichtmetallen vor und haben mit ihren Elternatomen nur sehr wenig anfällige oder freie Elektronen.

Dies bedeutet, dass die Elektronen dieser Nichtmetalle eng mit ihren Elternatomen verbunden sind, die bei Anlegen einer Spannung äußerst schwer zu entfernen sind.

Aufgrund dieses Merkmals bewegen sich die Elektronen beim Anlegen einer elektrischen Spannung nicht von den Atomen weg, was zu keinem Elektronenfluss führt und daher keine Leitung stattfindet.

Diese Eigenschaft führt zu einem sehr hohen Widerstandswert für den Isolator in der Größenordnung von vielen Millionen Ohm.

Materialien wie Glas, Marmor, PVC, Kunststoffe, Quarz, Gummi, Glimmer, Bakelit sind Beispiele für gute Isolatoren.

Ebenso wie der Leiter spielen auch die Isolatoren eine wichtige Rolle in der Elektronik. Ohne Isolator wäre es unmöglich, Spannungsunterschiede zwischen den Schaltungsstufen zu isolieren, was zu Kurzschlüssen führen würde.

Zum Beispiel sehen wir die Verwendung von Porzellan und Glas in Hochspannungstürmen, um Wechselstrom sicher über die Kabel zu übertragen. In Drähten verwenden wir PVC zum Isolieren von positiven und negativen Anschlüssen, und in Leiterplatten verwenden wir Bakelit, um Kupferspuren voneinander zu isolieren.

Grundlagen von Halbleitern

Materialien wie Silizium (Si), Germanium (Ge) und Galliumarsenid fallen unter die grundlegenden Halbleitermaterialien. Dies liegt daran, dass diese Materialien die Eigenschaft haben, Elektrizität zwischenzeitlich zu leiten, was weder zu einer ordnungsgemäßen Leitung noch zu einer ordnungsgemäßen Isolierung führt. Aufgrund dieser Eigenschaft werden diese Materialien als Halbleiter bezeichnet.

Diese Materialien weisen an ihren Atomen nur sehr wenige freie Elektronen auf, die in einer kristallinen Gitterformation eng gruppiert sind. Trotzdem können sich die Elektronen lösen und fließen, aber nur, wenn bestimmte Bedingungen angewendet werden.

Nachdem dies gesagt wurde, wird es möglich, die Leitungsrate in diesen Halbleitern zu verbessern, indem irgendeine Art von 'Donor' - oder 'Akzeptor' -Atomen in das kristalline Layout eingeführt oder durch dieses ersetzt wird, wodurch die Freisetzung zusätzlicher 'freier Elektronen' und 'Löcher' oder Schraubstöcke ermöglicht wird umgekehrt.

Dies wird implementiert, indem eine bestimmte Menge eines externen Materials in das vorhandene Material wie Silizium oder Germanium eingebracht wird.

Materialien wie Silizium und Germanium werden aufgrund ihrer extrem rein chemischen Natur und des Vorhandenseins eines vollständigen Halbleitermaterials als intrinsische Halbleiter eingestuft.

Dies bedeutet auch, dass wir durch Aufbringen einer kontrollierten Menge an Verunreinigungen in der Lage sind, die Leitungsgeschwindigkeit in diesen intrinsischen Materialien zu bestimmen.

Wir können diesen Materialien Arten von Verunreinigungen hinzufügen, die als Donoren oder Akzeptoren bezeichnet werden, um diese entweder mit freien Elektronen oder freien Löchern zu verstärken.

Bei diesen Prozessen wird eine Verunreinigung, die einem intrinsischen Material im Verhältnis von 1 Verunreinigungsatom pro 10 Millionen Halbleitermaterialatom zugesetzt wird, als bezeichnet Doping .

Mit der Einführung einer ausreichenden Verunreinigung könnte ein Halbleitermaterial in ein Material vom N- oder P-Typ umgewandelt werden.

Silizium gehört zu den beliebtesten Halbleitermaterialien mit 4 Valenzelektronen in seiner äußersten Hülle und ist auch von benachbarten Atomen umgeben, die eine Gesamtbahn von 8 Elektronen bilden.

Die Bindung zwischen den beiden Siliziumatomen ist so entwickelt, dass ein Elektron mit seinem angrenzenden Atom geteilt werden kann, was zu einer guten stabilen Bindung führt.

In seiner reinen Form kann ein Siliziumkristall sehr wenige freie Valenzelektronen aufweisen, was ihm die Eigenschaften eines guten Isolators mit extremen Widerstandswerten zuschreibt.

Das Verbinden eines Siliziummaterials mit einer Potentialdifferenz hilft keiner Leitung durch dieses Material, es sei denn, es werden positive oder negative Polaritäten erzeugt.

Um solche Polaritäten zu erzeugen, wird der Dotierungsprozess in diese Materialien implementiert, indem Verunreinigungen hinzugefügt werden, wie in den vorherigen Absätzen erläutert.

Grundlegendes zur Siliziumatomstruktur

In den obigen Bildern sehen wir, wie die Struktur eines regulären reinen Siliziumkristallgitters aussieht. Für die Verunreinigung werden normalerweise Materialien wie Arsen, Antimon oder Phosphor in die Halbleiterkristalle eingebracht, wodurch sie extrinsisch werden, was bedeutet, dass sie Verunreinigungen aufweisen.

Die erwähnten Verunreinigungen bestehen aus 5 Elektronen in ihrer äußersten Bande, die als 'fünfwertige' Verunreinigung bekannt ist, um sie mit ihren angrenzenden Atomen zu teilen.
Dies stellt sicher, dass 4 der 5 Atome in der Lage sind, sich mit den angrenzenden Siliziumatomen zu verbinden, mit Ausnahme eines einzelnen 'freien Elektrons', das freigesetzt werden kann, wenn eine elektrische Spannung angeschlossen wird.

In diesem Prozess werden 'fünfwertige' Atome als 'Donoren' bezeichnet, da die unreinen Atome beginnen, jedes Elektron über ihr nahe gelegenes Atom zu 'spenden'.

Verwenden von Antimon zum Doping

Antimon (Sb) und Phosphor (P) werden häufig zur besten Wahl für die Einführung von 'fünfwertigen' Verunreinigungen in Silizium.

In Antimon werden 51 Elektronen über 5 Schalen um seinen Kern herum aufgebaut, während sein äußerstes Band aus 5 Elektronen besteht.
Aufgrund dessen kann das grundlegende Halbleitermaterial zusätzliche stromführende Elektronen aufnehmen, denen jeweils eine negative Ladung zugeordnet ist. Daher wird es als 'Material vom Typ N' bezeichnet.

Außerdem werden die Elektronen als 'Majoritätsträger' bezeichnet, und die sich anschließend entwickelnden Löcher werden als 'Minoritätsträger' bezeichnet.

Wenn ein mit Antimon dotierter Halbleiter einem elektrischen Potential ausgesetzt wird, werden die Elektronen, die zufällig abgeschlagen werden, sofort durch die freien Elektronen aus Antimonatomen ersetzt. Da der Prozess jedoch schließlich ein freies Elektron im dotierten Kristall schweben lässt, ist es ein negativ geladenes Material.

In diesem Fall kann ein Halbleiter als N-Typ bezeichnet werden, wenn seine Donordichte höher als seine Akzeptordichte ist. Dies bedeutet, wenn die Anzahl der freien Elektronen höher ist als die Anzahl der Löcher, was zu einer negativen Polarisation führt, wie unten angegeben.

Grundlegendes zum P-Halbleiter

Wenn wir die Situation umgekehrt betrachten, führt das Einbringen einer dreiwertigen 3-Elektronen-Verunreinigung in einen Halbleiterkristall, beispielsweise wenn wir Aluminium, Bor oder Indium einführen, die 3 Elektronen in ihrer Valenzbindung enthalten, daher wird es unmöglich, eine 4. Bindung zu bilden.

Aus diesem Grund wird eine gründliche Verbindung schwierig, so dass der Halbleiter viele positiv geladene Ladungsträger aufweisen kann. Diese Ladungsträger werden aufgrund einer Vielzahl fehlender Elektronen als 'Löcher' über das gesamte Halbleitergitter bezeichnet.

Aufgrund des Vorhandenseins von Löchern im Siliziumkristall wird nun ein nahe gelegenes Elektron von dem Loch angezogen und versucht, den Schlitz zu füllen. Sobald die Elektronen dies jedoch versuchen, verlassen sie ihre Position und erzeugen ein neues Loch in ihrer vorherigen Position.

Dies zieht wiederum das nächste nahe gelegene Elektron an, das wieder ein neues Loch hinterlässt, während es versucht, das nächste Loch zu besetzen. Der Prozess vermittelt weiterhin den Eindruck, dass sich die Löcher tatsächlich über den Halbleiter bewegen oder strömen, was wir allgemein als das herkömmliche Stromflussmuster erkennen.

Wenn sich die 'Löcher zu bewegen scheinen', entsteht ein Mangel an Elektronen, wodurch der gesamte dotierte Kristall eine positive Polarität annehmen kann.

Da jedes Verunreinigungsatom für die Erzeugung eines Lochs verantwortlich ist, werden diese dreiwertigen Verunreinigungen als 'Akzeptoren' bezeichnet, da diese dabei kontinuierlich freie Elektronen aufnehmen.
Bor (B) ist eines der dreiwertigen Additive, das im Volksmund für den oben erläuterten Dotierungsprozess verwendet wird.

Wenn Bor als Dotierungsmaterial verwendet wird, bewirkt es, dass die Leitung hauptsächlich positiv geladene Ladungsträger aufweist.
Dies führt zur Erzeugung von Material vom P-Typ mit positiven Löchern, die als 'Majoritätsträger' bezeichnet werden, während die freien Elektronen als 'Minoritätsträger' bezeichnet werden.

Dies erklärt, wie sich ein Halbleiter-Basismaterial aufgrund einer im Vergleich zu den Donoratomen erhöhten Dichte seiner Akzeptoratome in einen P-Typ verwandelt.

Wie Bor für Doping verwendet wird

Zusammenfassung der Grundlagen von Halbleitern

Halbleiter vom N-Typ (dotiert mit einer fünfwertigen Verunreinigung wie beispielsweise Antimon)

Solche Halbleiter, die mit fünfwertigen Verunreinigungsatomen dotiert sind, werden als Donoren bezeichnet, da sie eine Leitung durch die Bewegung von Elektronen zeigen und daher als Halbleiter vom N-Typ bezeichnet werden.
In N-Typ Halbleiter finden wir:

1. Positiv belastete Spender
2. Reichlich freie Elektronen
3. Relativ geringere Anzahl von 'Löchern' im Vergleich zu den 'freien Elektronen'
4. Durch die Dotierung entstehen positiv geladene Donoren und negativ geladene freie Elektronen.
5. Das Anlegen einer Potentialdifferenz führt zur Entwicklung negativ geladener Elektronen und positiv geladener Löcher.

Halbleiter vom P-Typ (dotiert mit einer dreiwertigen Verunreinigung wie beispielsweise Bor)

Solche Halbleiter, die mit dreiwertigen Verunreinigungsatomen dotiert sind, werden als Akzeptoren bezeichnet, da sie eine Leitung durch die Bewegung von Löchern zeigen und daher als Halbleiter vom P-Typ bezeichnet werden.
In N-Typ Halbleiter finden wir:

1. Negativ geladene Akzeptoren
2. Reichlich viele Löcher
3. Relativ geringere Anzahl freier Elektronen im Vergleich zum Vorhandensein von Löchern.
4. Durch Dotierung entstehen negativ geladene Akzeptoren und positiv geladene Löcher.
5. Das Anlegen eines Spannungsfeldes bewirkt die Erzeugung von positiv geladenen Löchern und negativ geladenen freien Elektronen.

An sich sind Halbleiter vom P- und N-Typ natürlich elektrisch neutral.
Im Allgemeinen sind Antimon (Sb) und Bor (B) die beiden Materialien, die aufgrund ihrer reichlichen Verfügbarkeit als Dotierungselemente verwendet werden. Diese werden auch als 'Mettaloide' bezeichnet.

Wenn Sie sich das Periodensystem ansehen, werden Sie jedoch viele andere ähnliche Materialien finden, die 3 oder 5 Elektronen in ihrem äußersten Atomband haben. Dies impliziert, dass diese Materialien auch für den Dotierungszweck geeignet sein können.
Periodensystem