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ElektronikFür Studenten des FB WI

Prof. M. Hoffmann | FB ET/IT

Handout 3Grundlagen der Halbleiterelektronik

Leiter / Halbleiter / Nichtleiter Intrinsische und extrinsische Halbleiter Halbleiter - Leitungsvorgang pn-Übergang

Hinweis: Bei den Handouts handelt es sich um ausgewählte Schlüsselfolien und Zusammenfassungen. Die Handouts repräsentieren nicht den vollständigen Inhalt der Vorlesung.

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Elektrische Leiter / Halbleiter / Nichtleiter

Leiter 1. Klasse: Elektronenleiter• Leitfähigkeit beruht auf schwach gebundenen Elektronen im Kristallgitter • bei dem Ladungstransport im Leiter 1. Klasse erfolgt keine stoffliche Veränderung durch chemische Reaktionen • metallische Leiter, Halbleiter….

Halbleiter: • Substanz, deren Leitfähigkeit, bewirkt durch Ladungsträger beider Vorzeichen, üblicherweise im Bereich

zwischen der Leitfähigkeit von Leitern und isolierenden Medien liegt und bei der die volumenbezogene Anzahl der Ladungsträger durch äußere Einwirkung verändert werden kann.

• Elementhalbleiter: bestehen im reinen Zustand aus Atomen eines Halbleiter-Elementes (z.B. Ge, Si, Se)• Verbindungshalbleiter: bestehen im reinen Zustand aus mehreren Halbleiter-Elementen, welche nahe der

stöchometrischen Zusammensetzung liegen (z.B. GaAs, Indiumantimonit, Bleisulfid) • Intrinsische Halbleiter = Eigenhalbleiter• Extrinsische Halbleiter = Störstellenhalbleiter

Leiter 2. Klasse: Ionenleiter • Leitfähigkeit beruht auf beweglichen Ionen• Bei dem Ladungstransport im Leiter 2. Klasse wird dieser durch chemische Reaktionen stofflich verändert • Gase, Flüssigkeiten, gelöste oder geschmolzene Salze…..

Nichtleiter:• besitzen im Normalzustand keine freien Ladungsträger• nur durch Zufuhr hoher Energie oder Einbringen externer Ladungsträger sind Leitungsvorgänge

möglich• Vakuum, Edelgase…..

Elektrische Leiter sind Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase, welche über freie Ladungsträger verfügen.

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Lage von Valenz- und Leitungsband für metallische Leiter, Halbleiter und Nichtleiter

Valenzband = Leitungsband Valenzband überlappt Leitungsband teilweise

Leitungsband ist durch Bandlücke von Valenzband getrennt

Alkalimetalle Metalle Halbleiter Nichtleiter

EV > EL EV < EL

Leiter

Elektrische Leiter / Halbleiter / Nichtleiter

Bandlücke von Halbleitern (verbotene Zone, gap energie): 0 < ∆EG ≤ 3 eV keine freien Ladungsträger bei T = 0 Kelvin Energiezufuhr (z.B. Wärme, Spannung) führt zu Generierung freier Ladungsträger

intrinsische Halbleiter = Eigenhalbleiter = undotierter Halbleiter: z.B. Ge. Si, Ga+As

T = 0 Kelvin

KEINE freien Ladungsträger

T > 0 Kelvinthermisch Paarbildung und Rekombination

intrinsische Ladungsträger

frei bewegliches Elektron

frei bewegliches Defektelektron (Loch)

Intrinsische Halbleiter

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ElektronenpaareBei T = 0 Kelvin sind alle Valenzelektronen Bestandteil der kovalenten Bindung zwischen den Si-Atomen

Extrinsische Halbleiter

p-Halbleiter

Dotierung mit 3-wertigen Akzeptor-AtomenMajoritätsladungsträger: Löcher Minoritätsladungsträger: Elektronen

Löcherleitung

n-Halbleiter

Dotierung mit 5-wertigen Donator-AtomenMajoritätsladungsträger: Elektronen Minoritätsladungsträger: Löcher

Elektronenleitung

frei bewegliches Elektron frei bewegliches Defektelektron (Loch)

fehlendes Elektron

zusätzlichesElektron

T > 0 Kelvin

extrinsischer Halbleiter = Störstellenleiter = mit Fremdatomen dotierter Halbleiter

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- +nv

E

pv

pv

nv

Löcherstrom Ip Elektronenstrom -In

Halbleiter - Leitungsvorgang

Stromfluss: Im elektrischen Feld überlagert eine gerichtete Bewegung der intrinsischen Elektronen-Loch-Paare sowie der extrinsischen Elektronen oder Löcher deren thermische Wimmelbewegung.

p-HalbleiterLöcherdichte > Elektronendichte

n-HalbleiterElektronendichte > Löcherdichte

intrinsischer-HalbleiterElektronendichte = Löcherdichte

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Halbleiter - Leitungsvorgang

mit Elementarladung e = 1,6·10-19 As

Spezifischer Widerstand ρ1

( )n pe n p

Gesamtstrom I = Stromfluss der Elektronen In + Stromfluss der Defektelektronen Ip

n p

n p

QI I It

I e n v A e p v A

Ladungsträgerdichte der Elektronen nLadungsträgerdichte der Defektelektronen p

• intrinsischer Halbleiter n = p • extrinsischer n-Halbleiter n > p• extrinsischer p-Halbleiter p > n

Intrinsische Ladungsträgerdichte ni2in p n T↑ ni ↑

Geschwindigkeit vn und Beweglichkeit µn der Elektronen im elektrischen Feld E

n nv E T↑ vn, µn ↓

Geschwindigkeit vP und Beweglichkeit µP der Defektelektronen im elektrischen Feld E

p pv E T↑ vn, µn ↓

T↑ In, Ip, I ↑ ↑

T↑ σ ↑( )n pe n p Spezifische Leitfähigkeit σ

T↑ ρ ↓

Widerstand R1

( )n p

lRe n p A

T↑ R↓

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Raumladungszone RLZ:• Verarmungszone, Sperrschicht, Grenzschicht• hochohmige Zone fast ohne frei bewegliche Ladungsträger in der Umgebung des pn-Überganges

Ausbildung der Diffusionsspannung UD zwischen n- und p-Gebiet

p-Halbleiter n-Halbleiter

pn-Übergang OHNE äußere Spannung

++ +

+--- -

pn-Übergang: • Grenzfläche bzw. Grenzschicht zwischen p- und n-dotiertem, monokristallinem Halbleitermaterial• Grundelement von Halbleiterbauelementen wie Dioden, Bipolartransistoren, Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, Thyristoren,

Triacs• Diffusion und Rekombination der Ladungsträger im pn-Gebiet Diffusionsstrom

Energiebändermodell des spannungslosen pn-Überganges

E Elektronenenergie; EC Leitungsbandkante; EV Valenzbandkante; EF Ferminiveau; UD Diffusionsspannung; ΔE Energieschwelle zur Überwindung des pn-Überganges

p-Halbleiter n-Halbleiter

ΔE=e∙UD

pn-Übergang OHNE äußere Spannung

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