Halbleiter

Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper, meist Silizium, dessen elektrische Leitfähigkeit stark temperaturabhängig ist und von daher je nach Temperatur sowohl als Leiter, als auch als Nichtleiter betrachtet werden kann. Bei Raumtemperatur sind sie gewöhnlich nicht leitend. Die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters nimmt mit steigender Temperatur zu, womit dieser auch als Heißleiter bezeichnet wird. Die Leitfähigkeit lässt sich ferner durch das Einbringen von Fremdatomen (Dotieren) aus einer anderen chemischen Hauptgruppe in weiten Grenzen gezielt einstellen. Bedeutung für die Mikroelektronik erlangen Halbleiter insbesondere dadurch, dass ihre Leitfähigkeit durch Anlegen einer Steuerspannung oder eines Steuerstroms (wie z. B. beim Transistor) verändert werden kann.

Geschichte

Stephen Gray entdeckte 1727 den Unterschied zwischen Leiter und Nichtleiter. Nachdem Georg Simon Ohm 1821 das ohmsche Gesetz aufstellte, womit die Proportionalität zwischen Strom und Spannung in einem elektrischen Leiter beschrieben wird, konnte auch die Leitfähigkeit eines Gegenstandes bestimmt werden.

Der Nobelpreisträger Ferdinand Braun entdeckte den Gleichrichtereffekt der Halbleiter 1874. Er schrieb: „... bei einer großen Anzahl natürlicher und künstlicher Schwefelmetalle ... der Widerstand derselben war verschieden mit Richtung, Intensität und Dauer des Stroms. Die Unterschiede betragen bis zu 30 % des ganzen Wertes.“ und beschrieb damit erstmals, dass der ohmsche Widerstand veränderlich sein kann.

Mit Walter Schottky begann 1939 die Zeit der technischen Anwendung der Halbleiter als Gleichrichter. Die von ihm erfundene Schottky-Diode war eine dünne Metalldrahtspitze, die auf ein n-leitendes Germaniumplättchen gesteckt wurde. Dadurch entstand eine p-leitende Zone im Germanium; damit war die Halbleiterdiode erfunden. Als 1947 in den Bell Laboratories die Wissenschaftler John Bardeen, William Bradford Shockley und Walter Houser Brattain zwei Metalldrahtspitzen auf das Germaniumplättchen steckten und somit die p-leitende Zone mit der zweiten Drahtspitze mit einer elektrischen Spannung steuern konnten, war der Transistor erfunden. Dies brachte ihnen den Physik-Nobelpreis von 1956 ein und begründete die Mikroelektronik.

Alan Heeger, Alan MacDiarmid und Hideki Shirakawa zeigten 1976, dass bei einer Dotierung von Polyacetylen mit Oxidationsmitteln der spezifische elektrische Widerstand des Polymers auf bis zu 10^-5 Ω·m (Silber: ~10^-8 Ω·m) sinken kann. Im Jahre 2000 erhielten sie dafür den Chemienobelpreis.

Verschiedene Halbleiter

In der Mikroelektronik verwendete Halbleiter lassen sich in zwei Gruppen einordnen, den Elementhalbleitern und den Verbindungshalbleitern. Zu den Elementhalbleitern zählen Elemente mit vier Valenzelektronen, beispielsweise Silizium (Si) und Germanium (Ge). Die Gruppe der Verbindungshalbleiter umfasst Chemische Verbindungen, die im Mittel vier Valenzelektronen besitzen. Dazu zählen Elemente der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems (III-V-Halbleiter), wie Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumantimonid (InSb), und der II. und VI. Hauptgruppe (II-VI-Halbleiter), wie Zinkselenid (ZnSe) oder Cadmiumsulfid (CdS).

Neben diesen häufig eingesetzten Halbleitern gibt es noch die I-VII-Halbleiter, wie Kupfer(II)-chlorid. Auch Materialien, die im Durchschnitt nicht vier Valenzelektronen haben, können als Halbleiter bezeichnet werden, wenn sie einen spezifischen Widerstand im Bereich von größer 10^-4 Ω·m und kleiner 10⁶ Ω·m haben. Eine Gruppe vielversprechender neuer Halbleiter sind beispielsweise die organischen Halbleiter (s. a.: Organic semiconductor), die in organischen Solarzellen oder in organischen Feldeffekttransistoren bereits Verwendung gefunden haben.

Chemische Einteilung

Elementare Halbleiter

Verbindungshalbleiter

Organische Halbleiter

Ge, Si, alpha-Sn, C (Fullerene), B, Se, Te

III-V:GaP, GaAs, InP, InSb, InAs, GaSb, GaN, AlN, InN

Mono- und triklin: Tetracen, Pentacen, Phthalocyanine, Polythiophene

Unter Druck: Bi, Ca, Sr, Ba, Yb, P, S, I

II-VI: ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, Hg(1-x)Cd(x)Te, BeSe, BeTe, HgS

Mischsysteme: Polyvinylcarbazol, TCNQ Komplexe

III-VI: GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe, InTe ....

I-III-VI: CuInSe₂, CuInGaSe₂, CuInS₂, CuInGaS₂....

Semimagnetische Halbleiter

Semimagnetische Halbleiter gehören zur wichtigen Gruppe der Verbindungshalbleiter oder Compound Semiconductors. Es handelt sich um Verbindungen, bei denen ein Ion durch z. B. Mangan ersetzt wurde. Eine charakteristische Eigenschaft dieser semimagnetischen Halbleiter ist die große Zeeman-Aufspaltung. Eigentlich nennt man semimagnetische Halbleiter diluted magnetic semiconductors, da sie magnetisch verdünnt sind.

Organische Halbleiter

Im Allgemeinen sind organische Materialien elektrisch isolierend. Besitzen Polymere ein konjugiertes Bindungssystem, bestehend aus Doppelbindungen, Dreifachbindungen und aromatischen Ringen, können auch diese elektrisch leitend werden. Als erstes wurde dies 1976 bei Polyacetylen beobachtet. Polyacetylen ist ein lineares Polymer mit abwechselnder Doppelbindung und Einfachbindung (...C=C-C=C-C...). Wird diesem Kunststoff noch ein Donator, wie etwa Chlor, Brom oder Iod angefügt (Oxidative Dotierung), liegen zusätzliche Elektronen vor. Durch das Hinzufügen eines Atomes wie etwa Natrium (Reduktive Dotierung) erhält der Kunststoff einen Akzeptor. Durch diese chemische Änderung brechen die Doppelbindung auf, und es entsteht ein durchgehendes Leitungsband: das ursprünglich nichtleitende Polymer wird elektrisch leitend. Besitzen Polymere auch im undotierten Zustand halbleitende Eigenschaften, spricht man wie bei anorganischen Halbleitern von der intrinsischen Leitfähigkeit (Eigenleitfähigkeit) (z. B. Pentacen oder Poly(3-Hexylthiophen)).

Wenn der Kunststoff in Form einer dünnen Schicht, etwa 5 nm - 1 µm dick, erzeugt wird, ist er geordnet genug, um eine elektrisch ununterbrochene Schicht zu bilden.

Eigenschaft

Bändermodell.PNG Die grundlegenden Eigenschaften von Halbleitern lassen sich anhand des Bändermodells erklären: Die Elektronen in Festkörpern wechselwirken über sehr viele Atomabstände hinweg miteinander. Dies führt faktisch zu einer Aufweitung der (im Einzelatom noch als diskrete Niveaus vorliegenden) möglichen Energiewerte zu ausgedehnten Energiebereichen, den sogenannten Energiebändern. Da die Energiebänder je nach Aufweitung und Atomart verschieden zueinander liegen, können Bänder sich überlappen oder durch Energiebereiche, in der nach der Quantenmechanik keine erlaubten Zustände existieren (Energie- oder Bandlücke), getrennt sein.

Bei Halbleitern sind, aufgrund ihrer Kristallstruktur, das höchste besetzte Energieband (Valenzband) und das nächsthöhere Band (Leitungsband) durch eine Bandlücke getrennt. Das Ferminiveau liegt also genau in der Bandlücke. Bei einer Temperatur in der Nähe des absoluten Nullpunktes ist das Valenzband voll besetzt und das Leitungsband vollkommen leer von Ladungsträgern. Da unbesetzte Bänder mangels beweglicher Ladungsträger keinen elektrischen Strom leiten und Ladungsträger in vollbesetzten Bändern mangels erreichbarer freier Zustände keine Energie aufnehmen können, was zu einer beschränkten Beweglichkeit führt, leiten Halbleiter wie Isolatoren nahe dem absoluten Nullpunktes den elektrischen Strom nicht.

Für den Leitungsvorgang sind teilbesetzte Bänder notwendig, die bei Metallen und Halbmetallen durch eine Überlappung der äußeren Bänder bei jeder Temperatur zu finden sind. Dies ist - wie oben erwähnt - bei Halbleitern und Isolatoren nicht gegeben. Die Bandlücke bei Halbleitern ist im Gegensatz zu Isolatoren (E_G > 3 eV) jedoch relativ klein (InAs: ~0,4 eV, Ge: ~0,7 eV, Si: ~1,2 eV, GaAs: ~1,4 eV, Diamant: ~5,45 eV), so dass beispielsweise durch die Energie der Wärmeschwingungen bei Raumtemperatur oder durch Absorption von Licht Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt werden können. Halbleiter haben also eine intrinsische, mit der Temperatur zunehmende elektrische Leitfähigkeit. Deshalb nennt man Halbleiter auch Heißleiter oder NTC-Widerstände.

Wird, wie oben beschrieben, ein Elektron in einem Halbleiter aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt, so hinterlässt es an seiner ursprünglichen Stelle ein Defektelektron, auch „Loch“ genannt. Gebundene Valenzelektronen in der Nachbarschaft solcher Löcher können durch Platzwechsel in ein Loch „springen“, hierbei wandert das Loch. Es kann daher als bewegliche positive Ladung aufgefasst werden.

Elektronen aus dem Leitungsband können mit den Defektelektronen rekombinieren (Elektron-Loch-Rekombination). Dieser Übergang zwischen den beteiligten Niveaus kann unter Abgabe von elektromagnetischer Rekombinationsstrahlung (Photon) und/oder unter der Abgabe eines Impulses an das Kristallgitter (Phonon) erfolgen.

Sowohl die angeregten Elektronen als auch die Defektelektronen tragen also zur elektrischen Leitung bei.

Direkte und Indirekte Halbleiter

Bandstruktur_direkter_und_indirekter_Halbleiter.png Man teilt Halbleiter in zwei Gruppen ein, die direkten und die indirekten Halbleiter. Ihre unterschiedlichen Eigenschaften lassen sich nur durch die Betrachtung der Bandstruktur im sogenannten Impulsraum verstehen: Freie Ladungsträger im Halbleiter lassen sich als Materiewellen mit einem Quasiimpuls auffassen, das heißt, die Ladungsträger werden neben ihrem Energieniveau im Bänderschema auch durch ihre „Geschwindigkeit“ (Impuls = Masse · Geschwindigkeit) charakterisiert.

Betrachtet man nun das Bändermodell im Impulsraum, so stellt man fest, dass Leitungs- und Valenzbandkante nicht für jeden Impuls gleich ist, sondern dass beide Bandkanten mindestens ein Extremum aufweisen. Wenn nun ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband angeregt wird, so ist es am energetisch günstigsten (und somit am wahrscheinlichsten), wenn es vom Maximum des Valenzbandes zum Minimum des Leitungsbandes angeregt wird.

Liegen diese Extrema nun (nahezu) beim gleichen Quasiimpuls, so ist eine Anregung z. B. durch ein Photon ohne weiteres möglich, da das Elektron lediglich seine Energie, nicht aber seinen Impuls ändern muss. Man spricht von einem direkten Halbleiter. Liegen die Extrema jedoch bei unterschiedlichen Quasiimpulsen, so muss das Elektron zusätzlich zu seiner Energie auch seinen Impuls ändern, um ins Leitungsband angeregt zu werden. Dieser Impuls kann nicht von einem Photon (welches einen sehr kleinen Impuls hat) stammen, sondern muss von einer Gitterschwingung (auch Phonon) beigesteuert werden.

Bei der Rekombination von Elektronen-Loch-Paaren gilt im Prinzip dasselbe. In einem direkten Halbleiter kann bei der Rekombination ein Lichtquant ausgesandt werden. Bei einem indirekten Halbleiter hingegen wird die bei der Rekombination freiwerdende Energie als Gitterschwingung abgegeben. Hieraus folgt, dass nur direkte Halbleiter zur effektiven Strahlungserzeugung verwendet werden können.

Direkte und Indirekte Halbleiter kann man mittels Absorptionsversuch voneinander unterscheiden.

In der Regel sind Elementhalbleiter (Si, Ge) und Verbindungshalbleiter aus der IV. Hauptgruppe indirekt und Verbindungshalbleiter aus verschiedenen Hauptgruppen (III/V: GaAs, InP, GaN) direkt.

Eigenhalbleiter und Störstellenhalbleiter

Die Dichte freier Elektronen und Löcher in reinen, d. h. undotierten Halbleitern nennt man intrinsische Ladungsträgerdichte oder Eigenleitungsdichte – ein Eigenhalbleiter wird deshalb auch intrinsischer Halbleiter genannt. Wird dagegen die Konzentration der Elektronen im Leitungsband überwiegend durch den Dotierstoff bestimmt, spricht man von einem Störstellenhalbleiter oder extrinsischen Halbleiter.

Halbleitertechnik

Die Halbleitertechnik befasst sich mit der technischen Herstellung mikroelektronischer Bauelemente und Baugruppen. Voraussetzung ist die Kenntnis, wie der Halbleiter bearbeitet werden muss, um das gewünschte elektrische Verhalten zu zeigen. Dazu gehört das Dotieren des Halbleiters und das Gestalten der Grenzfläche zwischen Halbleiter und einem weiteren Material.

Dotierung und Störstellenleitung

Durch gezielte Verunreinigung eines Halbleiters mit Fremdatomen, das sogenannte Dotieren, kann ein Überschuss oder Mangel von Elektronen gezielt herbeigeführt werden: Werden Fremdatome, die ein Elektron mehr im Valenzband haben als der reine Halbleiter, in einen Halbleiter eingebracht, so bringt jedes dieser Fremdatome ein Elektron mit, das nicht für die Bindung benötigt wird und leicht abgelöst werden kann. Im Bänderschema liegt ein solches Elektron nahe unter der Leitungsbandkante. Ein Fremdatom, das ein Elektron abgibt, wird Donator (lat. donare = geben) genannt. Analog bringen Fremdatome, die ein Elektron weniger im Valenzband haben, ein zusätzliches Defektelektron (Loch) mit, welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann. Im Bänderschema liegt ein solches Loch nahe über der Valenzbandkante. Ein Fremdatom, welches ein Loch „abgibt“, also ein Elektron aufnimmt, wird Akzeptor (lat. accipere = annehmen) genannt.

Bei Dotierung mit Donatoren sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband, bei Dotierung mit Akzeptoren die gedachten, positiv geladenen Löcher im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. Im ersten Fall spricht man von Elektronenleitung oder n-Leitung (n->negativ), im anderen Fall von Löcherleitung oder p-Leitung (p->positiv). Halbleiterbereiche mit Elektronenüberschuss bezeichnet man als n-dotiert, solche mit Mangel, also mit „Löcherüberschuss“, als p-dotiert.

Wurde die Temperatur so weit erhöht, dass alle Dotieratome ionisiert sind, d. h. zur Leitung beitragen, spricht man von Störstellenerschöpfung. Die Eigenleittemperatur stellt den Übergang zwischen der Störstellenerschöpfung zur Eigenleitung des Halbleiters dar.

Im n-Leiter werden die Elektronen als Majoritätsträger (mehrheitlich vorhandene Ladungsträger), die Löcher als Minoritätsträger bezeichnet, im p-Leiter gilt die entsprechende Umkehrung.

Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen (siehe p-n-Übergang) kann man einzelne, sogenannte diskrete Halbleiterbauelemente wie Dioden und Transistoren und komplexe, aus vielen Bauelementen in einem einzigen Kristall aufgebaute integrierte Schaltungen oder Mikrochips aufbauen.

Übliche Dotiergrade

Normale Dotierung: n: 1 Donator auf 10⁷ Si-Atome p: 1 Akzeptor auf 10⁶ Si-Atome

Starke Dotierung: n: 1 Donator auf 10⁴ Si-Atome (n+) p: 1 Akzeptor auf 10⁴ Si-Atome (p+)

Zweck der Dotierung

Bereits bei sehr geringer Energiezufuhr (Temperatur > 0 K) löst sich ein freies Elektron aus dem Bindungsverband (da nur schwach an den Kern gebunden), was Voraussetzung für elektrischen Stromfluss ist. Bei chemisch reinen, sprich undotierten Halbleitern ist wesentlich größere Energie notwendig; spürbarer Leitungsmechanismus setzt hier erst bei hoher Temperatur ein und ist viel stärker temperaturabhängig.

Grenzflächen

Durch die Kombination eines p-dotierten und eines n-dotierten Halbleiters entsteht an der Grenzfläche ein p-n-Übergang. Die Kombination eines dotierten Halbleiters mit einem Metall (z. B. Schottky-Diode) oder einem Nichtleiter ist ebenfalls von Interesse, und wenn zwei Halbleiter, beispielsweise Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid, übereinanderliegen, dann entsteht ein Heteroübergang. Dabei sind nicht nur p-n-Übergänge von Bedeutung, sondern ebenfalls p-p-Übergänge und n-n-Übergänge, die sogenannten isotypen Hetero-Übergängen, die beispielsweise in einem Quantentopf verwendet werden.

In jüngster Zeit gibt es Anstrengungen, Halbleiter, Supraleiter und Silizium- und III-V-Halbleiter auf einem Chip zusammenzuführen. Da die Kristallstrukturen nicht kompatibel sind, entstehen in der Grenzfläche Brüche und Gitterfehler, wenn es nicht gelingt, geeignete Materialien für eine wenige Atomlagen dicke Zwischenschicht zu finden, in der die Gitterabstände sich angleichen können.

Wirtschaft

Die Hauptproduzenten von Silizium (etwa 10.000 Tonnen) sind Hemlock Semiconductor und MEMC Electronic Materials aus den USA, Renewable Energy Corporation AS (REC) aus Norwegen, Tokuyama aus Japan und die Siltronic AG aus Deutschland (Stand 2005).

Der weltweit größte Hersteller von Wafer ist das japanische Unternehmen Shin-Etsu Handotai (SEH) mit einem Umsatz von 2,2 Milliarden Dollar im Jahre 2004. Der weltweit zweitgrößte japanische Hersteller Sumitomo Mitsubishin Silicon Corp. (Sumco) hatte im gleichen Jahr einen Umsatz von 1,6 Milliarden Dollar. Dem folgen das amerikanische Unternehmen MEMC Electronic Materials und die deutsche Siltronic AG mit 1 Milliarde Dollar und 900 Millionen Dollar. Diese vier Unternehmen teilen sich etwa 75 % des gesamten Wafermarktes von 7,3 Milliarden Dollar.

Siehe auch

Literatur

Robert F. Pierret, "Semiconductor Device Fundamentals", Addison-Wesley 1996, ISBN 0131784595
Peter Y. Yu, Manuel Cardona, Fundamentals of Semiconductors : Physics and Materials Properties, Springer 2004, 3 Auflage, ISBN 3540413235
Simon M. Sze, Physics of Semiconductor Devices. John Wiley and Sons (WIE) 1981, 2. Auflage, ISBN 0471056618
Michael Reisch, Halbleiter-Bauelemente, Springer 2004, ISBN 3540213848
Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3540428496
Ulrich Hilleringmann, Silizium-Halbleitertechnologie, Teubner 2004, ISBN 3519301490
Bernhard Hoppe, Mikroelektronik 1, Vogel Fachbuch Kamprath-Reihe, 1997. 154 S., ISBN 3802315189
Bernhard Hoppe, Mikroelektronik 2, Vogel Fachbuch Kamprath-Reihe, 1997. 320 S. m. 225 Abb., ISBN 380231588X

Weblinks

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