Grundlagen der Halbleiterphysik und Herstellungsprozesse

Intrinsische Halbleiter

Intrinsische Halbleiter sind Halbleiter, deren elektrische Eigenschaften auf ihrer eigenen Natur beruhen. Das bedeutet, sie bestehen aus Atomen mit einer spezifischen Elektronenkonfiguration und Kristallstruktur.

Extrinsische Halbleiter

Halbleiter werden zu extrinsischen Halbleitern, wenn Verunreinigungen (Dotierstoffe) als Donatoren oder Akzeptoren hinzugefügt werden. Dadurch unterscheidet sich die Anzahl der Elektronen und Löcher (die bei intrinsischen Halbleitern gleich sind). Man spricht dann von Majoritätsladungsträgern (Elektronen oder Löcher).

Extrinsische Halbleiter vom n-Typ

Bei Raumtemperatur reicht die thermische Energie oft nicht aus, um Elektronen in das Leitungsband zu heben. Durch Erhöhung der Temperatur gelangen Elektronen vom Donatorniveau in das Leitungsband. In diesem Bereich (Sättigungsbereich) sind alle Donator-Verunreinigungen ionisiert. Steigt die Temperatur weiter an, wird die thermische Energie groß genug, um die intrinsische Bandlücke zu überwinden, und Elektronen werden direkt aus dem Valenzband angeregt (intrinsischer Bereich).

Extrinsische Halbleiter vom p-Typ

Das Verhalten ist analog zum n-Typ. Es gibt einen Bereich konstanter Leitfähigkeit, der als Sättigungszone bezeichnet wird. Wie beim n-Typ sind ab einer bestimmten Temperatur alle Akzeptor-Verunreinigungen ionisiert, sodass die Konzentration der Ladungsträger exakt der Konzentration der eingeführten Dotierstoffe entspricht.

Mobilität der Ladungsträger

Die Mobilität definiert die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger pro Einheit des elektrischen Feldes: . Die Mobilität kann bestimmt werden, indem man die Driftgeschwindigkeit in einem bekannten elektrischen Feld misst. Das elektrische Feld in einem Leiter kann durch Messung von Spannung und Distanz abgeleitet werden.

Dotierungselemente

• p-Typ: Entsteht durch Elemente der Gruppe III (z. B. Bor, Aluminium, Gallium), die Silizium (Gruppe IV) hinzugefügt werden. Diese wirken als Akzeptoren.
• n-Typ: Entsteht durch Elemente der Gruppe V (z. B. Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Bismut), die als Donatoren fungieren.

Massenwirkungsgesetz

In einem Halbleiter können die Konzentrationen von Elektronen (n) und Löchern (p) nicht unabhängig voneinander sein. Wenn eine Konzentration steigt, muss die andere sinken. Dieser Effekt ist als Massenwirkungsgesetz bekannt. Die Gleichung lautet: , wobei n_i die intrinsische Ladungsträgerkonzentration ist.

Der Hall-Effekt

Mit dem Hall-Koeffizienten (R_H) lässt sich bestimmen, welche Art von Majoritätsladungsträgern vorliegt sowie deren Konzentration und Mobilität: . Wenn die Ladungsträger Elektronen sind, ist R_H negativ; bei Löchern ist R_H positiv. Der Hall-Koeffizient ist umgekehrt proportional zur Ladungsträgerdichte in der Probe.

Temperatureinfluss auf die Mobilität

Ein Anstieg der Temperatur reduziert die Mobilität und damit die Leitfähigkeit, da die Gitterschwingungen der Atome zunehmen und die freien Ladungsträger stärker gestreut werden.

Bestimmung der Energielücke

Eine einfache Methode zur Bestimmung der Bandlücke ist die optische Transmission. Dabei wird ein dünnes Halbleiterplättchen mit Strahlung verschiedener Frequenzen bestrahlt. Wenn hv < E_g, werden keine Elektronen angeregt. Wenn hv > E_g, springen Elektronen in das Leitungsband, was zu einer plötzlichen Änderung der Transmission führt.

Sperrspannung

Beim n-Typ-Material werden Elektronen (Majoritätsträger) zum positiven Pol gezogen, beim p-Typ die Löcher zum negativen Pol. Diese Bewegung vergrößert die Raumladungszone und verhindert den Stromfluss der Majoritätsträger über den Übergang. Ein sehr kleiner Strom (Sperrstrom) kann jedoch durch Minoritätsträger entstehen.

Bipolartransistoren

Ein NPN-Transistor besteht aus zwei PN-Übergängen. Er verstärkt Signale, indem er einen Stromfluss ermöglicht, der einen niedrigen Eingangswiderstand in einen hohen Ausgangswiderstand transformiert. Bei einem PNP-Transistor besteht der Strom aus Löchern, das Verhalten ist jedoch analog.

Feldeffekttransistor (FET)

Der FET funktioniert durch Induktion von Ladungen mittels eines elektrischen Feldes. Auf einem Siliziumkristall wird eine Isolierschicht (SiO₂) und darauf eine Metallschicht aufgebracht. Durch Anlegen einer Spannung werden Ladungsträger an der Oberfläche induziert, wodurch die Leitfähigkeit gesteuert wird.

Reinigung von Halbleiterkristallen

Fraktionierte Erstarrung

Ein Basiselement kann durch fraktionierte Erstarrung gereinigt werden, wenn die Verunreinigungen in der Schmelze löslicher sind als im Feststoff. Die Menge des gereinigten Feststoffs berechnet sich nach: .

Zonenschmelzverfahren

Ein Heizsystem bewegt eine Schmelzzone entlang eines zylindrischen Stabes. Die Verunreinigungen sammeln sich in der flüssigen Phase an und werden so an das Ende des Stabes transportiert, während dahinter reineres Material kristallisiert.

Herstellungsprozesse

Epitaxie

Epitaxie ist das geordnete Aufwachsen einer dünnen monokristallinen Schicht auf einem Substrat. Dies ermöglicht eine präzise Kontrolle der Dotierung und verbessert die Beweglichkeit und Leitfähigkeit des Bauelements.

Lithografie und Ätzen

Mit diesem Verfahren werden Strukturen definiert. Eine Fotomaske wird auf einen mit Fotolack beschichteten Wafer projiziert. Nach der Belichtung und Entwicklung wird der Wafer in Flusssäure (HF) getaucht, um das SiO₂ an den gewünschten Stellen zu entfernen.

Thermische Diffusion

Hierbei werden Akzeptor- oder Donator-Verunreinigungen (wie Bor oder Phosphor) bei hohen Temperaturen in den Wafer eingebracht. Der Prozess umfasst meist drei Etappen: Vorbelegung, Eintreiben und Aktivierung der Dotierstoffe.

Metallisierung

Dabei wird eine Metallschicht (meist Aluminium) im Vakuum auf den Wafer aufgedampft. Das Metall wird durch Erhitzen von Filamenten verflüchtigt und schlägt sich als dünne Schicht auf der Oberfläche nieder.