Einführung in Halbleiter: Eigenschaften und Dotierung

Halbleiter

Ein Halbleiter ist ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Isolator und einem Leiter liegt.

Die bekanntesten Halbleiter sind Silizium (Si) und Germanium (Ge). Das Verhalten von Silizium ist stabiler als das von Germanium, da es weniger anfällig für externe Störungen ist. Silizium ist das am häufigsten verwendete Halbleiterelement in der Herstellung von Festkörperbauelementen. Der Prozess von Germanium ist ähnlich, jedoch weniger verbreitet.

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Wie jedes andere Siliziumatom hat es viele positive Ladungen im Kern und Elektronen in der Umlaufbahn um ihn herum (im Falle von Silizium sind dies 14 Elektronen). Der Fokus bei Halbleitern liegt auf ihrer Fähigkeit, Elektronen zu bewegen. Elektronen fühlen sich stärker zu den positiven Ladungen im Kern hingezogen, je näher sie sind. Daher können Elektronen in der äußeren Schale, die weniger Anziehungskraft erfahren, freigesetzt werden. Diese Elektronen können, wie bereits erwähnt, Energie aufnehmen und sich bewegen. In diesem Zusammenhang verwenden wir eine vereinfachte Darstellung des Siliziumatoms (Abb. 2), um die relevanten Bereiche hervorzuheben.

Die schraffierte Fläche in Abbildung 2 stellt eine vereinfachte Möglichkeit dar, die schraffierte Fläche in Abbildung 1 zu visualisieren.

Wie in der Abbildung zu sehen ist, können Elektronen aus dem Zellkern freigesetzt werden, da die Anziehungskraft der vier äußeren Elektronen geringer ist.

Intrinsische Halbleiter

Silizium, wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, besteht aus Atomen, die in reiner Form als intrinsische Halbleiter betrachtet werden.

Ein Stück reines Silizium ist ein Gitter, das aus einer Gruppe von Atomen besteht, die in einer vorgegebenen geometrischen Struktur angeordnet sind.

Wenn wir Energie von außen zufügen, können die Elektronen in den äußeren Schalen einige Bindungen auflösen und sich bewegen. Wenn ein Elektron aus dem Atom entfernt wird, entsteht eine positive Ladung oder eine „Lücke“. Diese Lücke wird von einem anderen Elektron aufgefüllt, um den Zustand des Atoms zu stabilisieren.

Das Atom neigt dazu, in seinem normalen Zustand zu verbleiben, indem es versucht, ein Elektron von einem anderen Atom zu gewinnen, um die Lücke zu schließen.

Die Energieinjektion erfolgt kontinuierlich, was zu zwei Beobachtungen führt:

• Elektronen werden von einem Atom zum anderen entlang des Silizium-Halbleitermaterials freigesetzt.
• Lücken erscheinen und verschwinden in den einzelnen Atomen des Halbleiters.

Es ist klar, dass die einzige wirkliche Bewegung von Elektronen innerhalb eines Halbleiters stattfindet. Lücken erscheinen und verschwinden, was den Anschein erweckt, dass sich positive Ladungen bewegen. Diese Bewegung von Lücken wird als „Lochstrom“ bezeichnet, was für die Analyse von Halbleitern nützlich ist.

Dotierung von Halbleitern

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Wenn eine Spannung an den Siliziumkristall angelegt wird, versucht der Pluspol der Batterie, die negativen Elektronen und Lücken anzuziehen, was die Entstehung eines Stroms fördert.

Die Bewegung eines Elektrons und einer Lücke im Silizium ist jedoch gering, da nur wenige Elektronen die Bindungen zwischen den Siliziumatomen aufbrechen können. Um den Strom zu erhöhen, gibt es zwei Möglichkeiten:

• Durch Anlegen einer höheren Spannung.
• Durch das Einbringen von Elektronen oder Lücken von außen in den Halbleiter.

Die erste Lösung ist nicht praktikabel, da eine starke Erhöhung der Spannung nicht zu einem signifikanten Anstieg des Stroms führt. Daher ist die zweite Lösung die bevorzugte.

In diesem Fall sprechen wir von „Dotierung“ des Halbleiters.

Dotierung bedeutet, dass einige Siliziumatome durch Atome anderer Elemente ersetzt werden. Diese Verunreinigungen können den Halbleiter intrinsisch dotieren oder in zwei Typen unterteilt werden.

N-Typ-Halbleiter

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Wenn in einem Kristallgitter des Siliziums (Si-Atome miteinander verbunden) ein Atom mit fünf Elektronen in der äußeren Schale anstelle eines Siliziumatoms (das vier Elektronen hat) ersetzt wird, wird das fünfte Elektron frei.

N-dotierte Halbleiter

Dieses Netzwerk aus Silizium, das mit dieser Art von Verunreinigung dotiert ist, wird als „n-Typ-Silizium“ bezeichnet.

In dieser Situation gibt es eine größere Anzahl von Elektronen und Lücken. Die Elektronen werden als „Majoritätsträger“ und die Lücken als „Minderheitsträger“ bezeichnet.

Die am häufigsten verwendeten N-Typ-Verunreinigungen im Dotierungsprozess sind Arsen, Antimon und Phosphor.

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Es ist klar, dass bei einem dotierten Halbleiter die Möglichkeit, einen Strom in der Schaltung zu erzeugen, höher ist als bei einem intrinsischen Halbleiter.

P-Typ-Halbleiter

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Wenn in einem Kristallgitter des Siliziums (Si-Atome miteinander verbunden) ein Atom mit drei Elektronen in der äußeren Schale anstelle eines Siliziumatoms ersetzt wird, entstehen Lücken, da nicht genügend Elektronen vorhanden sind, um die Bindungen zu schließen. In diesem Fall sind die Lücken die „Majoritätsträger“ und die Elektronen die „Minderheitsträger“.

Dieses Netzwerk aus Silizium, das mit dieser Art von Verunreinigung dotiert ist, wird als „P-Typ-Silizium“ bezeichnet.

Kommentare

Dotierte Halbleiter haben Träger, die innerhalb der gleichen Art von Mehrheit vertreten sind.

Der Index eines dotierten Halbleiters ist nicht immer gleich; es kann „gering dotiert“, „hoch dotiert“ usw. sein.

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Es ist üblich, ein Zeichen (+) zu verwenden, um anzuzeigen, dass ein Halbleiter stark dotiert ist.

Stark dotierte N-Typ-Halbleiter und hochdotierte P-Halbleiter.

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Alle Festkörperelektronikkomponenten, die wir später sehen werden (Transistoren, Dioden, Thyristoren), sind nichts anderes als eine Reihe von Halbleitern, die in verschiedenen Richtungen angeordnet sind.

Verzerrung

Wenn wir eine externe Spannung an diese Verbindung anlegen, wird die Breite der inneren Potentialbarriere verringert. Je höher die angelegte externe Spannung, desto geringer wird die interne Sperre, bis die Barriere vollständig verschwindet.

An diesem Punkt bewegen sich die Elektronen (Majoritätsträger) im N-Bereich in den P-Bereich, während die Lücken im P-Bereich in den N-Bereich wandern.

a) Nicht-polarisierte

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b) Direkte Polarisation, schwach, die erschöpfte Region wird reduziert, aber nicht eliminiert.

c) Durch Erhöhung der Vorspannung wird die tote Zone und die damit verbundene interne Potentialbarriere verschoben.

Die externe Spannung hebt die Barriere und ermöglicht den Durchgang der Majoritätsträger. Diese Spannung wird als Schwellenwertspannung bezeichnet. Typische Werte sind:

Für Si: Vu = 0,4 bis 0,5 Volt

Für Germanium: Vu = 0,05 bis 0,06 Volt

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In dieser Situation, wenn eine äußere Spannung angelegt wird, werden die Elektronen zum Pluspol der Batterie und die Lücken zum Minuspol gezogen. Es ist nicht schwer, die Barriere zu überwinden, und es zeigt daher einen Strom durch den Stromkreis. Eine Erhöhung der Spannung führt zu einem Anstieg des Stroms.

Die Spannungen, die eine Diode erzeugt, sind proportional zum Betrieb und werden als Vorspannungen bezeichnet. Typische Werte sind:

Für Si: 0,5 bis 0,8 Volt

Für Germanium: 0,06 bis 0,15 Volt

Stromfluss in einer direkt polarisierten Diode

Es scheint, dass es einen Punkt gibt, an dem die Erhöhung der externen Spannung nicht mehr zu einer Erhöhung des Stroms führt. Ab einem bestimmten Wert der externen Spannung werden die Elektronen in der Diode neutralisiert, was zu einer Zunahme der inneren Risse führt. Dies bedeutet, dass die Erhöhung der Spannung von der Diode absorbiert wird. In diesem Zustand bleibt der Strom durch die Diode konstant (steigt leicht in der Praxis) und wird als Sättigungsspannung bezeichnet.

Typische Werte sind:

Für V Silicon: 0,8 bis 0,9 Volt

V für Germanium: 0,15 bis 0,2 Volt

Jeder Versuch, den Strom zu erhöhen, kann ab diesem Zeitpunkt zur Zerstörung der Diode führen.

Rückwärtsbias

Wenn eine externe Spannung an die Diode angelegt wird, die das gleiche Vorzeichen wie die interne Potentialbarriere hat, wird gesagt, dass die Diode rückwärts vorgespannt ist. Der Pluspol der Batterie zieht Elektronen aus dem N-Material ab, während die negativen Ladungen in das P-Material gelangen, was zu einer Trennung der Ladungen führt. Dadurch entsteht in der Verbindung kein Strom, was als „Sperrsättigungsstrom“ oder „Leckstrom“ bezeichnet wird. Sein Wert ist vernachlässigbar, typischerweise im Bereich von nA (Nanoampere).

Die Breite der abgereicherten Schicht erhöht sich, wenn die Sperrspannung in die entgegengesetzte Richtung angelegt wird.

a) Keine Sperrvorspannung

b) Durch Anlegen einer Sperrspannung erhöht sich die Breite der abgereicherten Schicht

Wenn die Sperrspannung erhöht wird, erreicht sie einen Punkt, an dem die Diode ihre Fähigkeit, den Strom zu blockieren, verliert, und ein großer Strom fließt. Diese Spannung wird als „Durchbruchspannung“ bezeichnet. Normalerweise führt dies zur Zerstörung der Diode.