Extrinsischer Halbleiter - Extrinsic semiconductor

Ein extrinsischer Halbleiter ist einer, der dotiert wurde ; Während der Herstellung des Halbleiterkristalls wurde ein Spurenelement oder eine Chemikalie, die als Dotierungsmittel bezeichnet wird, chemisch in den Kristall eingebaut, um ihm andere elektrische Eigenschaften zu verleihen als dem reinen Halbleiterkristall, der als intrinsischer Halbleiter bezeichnet wird . In einem extrinsischen Halbleiter sind es diese fremden Dotierstoffatome im Kristallgitter, die hauptsächlich die Ladungsträger bereitstellen , die elektrischen Strom durch den Kristall führen. Es werden zwei Arten von Dotierungsmitteln verwendet, was zu zwei Arten von extrinsischen Halbleitern führt. Ein Elektronendonor Dotierstoff ist ein Atom , das, wenn es in dem Kristall eingebaut, löst ein mobiles Leitungs Elektron in das Kristallgitter. Ein extrinsischer Halbleiter, der mit Elektronendonoratomen dotiert wurde, wird als n-Halbleiter bezeichnet , da die meisten Ladungsträger im Kristall negative Elektronen sind. Ein Elektronenakzeptor- Dotierstoff ist ein Atom, das ein Elektron aus dem Gitter aufnimmt und eine Lücke schafft, in der ein Elektron als Loch bezeichnet werden sollte, das sich wie ein positiv geladenes Teilchen durch den Kristall bewegen kann. Ein extrinsischer Halbleiter, der mit Elektronenakzeptoratomen dotiert wurde, wird als p-Halbleiter bezeichnet , da die meisten Ladungsträger im Kristall positive Löcher sind.

Dotierung ist der Schlüssel zu dem außerordentlich breiten Spektrum an elektrischem Verhalten, das Halbleiter aufweisen können, und extrinsische Halbleiter werden zur Herstellung elektronischer Halbleiterbauelemente wie Dioden , Transistoren , integrierter Schaltkreise , Halbleiterlaser , LEDs und Photovoltaikzellen verwendet . Anspruchsvolle Halbleiterherstellungsprozesse wie die Photolithographie können verschiedene Dotierelemente in verschiedenen Bereichen desselben Halbleiterkristallwafers implantieren und Halbleiterbauelemente auf der Oberfläche des Wafers erzeugen. Beispielsweise besteht ein üblicher Transistortyp, der npn- Bipolartransistor , aus einem extrinsischen Halbleiterkristall mit zwei Bereichen eines n-Halbleiters, die durch einen Bereich eines p-Halbleiters getrennt sind, wobei an jedem Teil Metallkontakte angebracht sind.

Leitung in Halbleitern

Eine feste Substanz kann nur dann elektrischen Strom leiten, wenn sie geladene Teilchen enthält, Elektronen , die sich frei bewegen können und nicht an Atome gebunden sind. In einem Metallleiter sind es die Metallatome, die die Elektronen liefern; Typischerweise setzt jedes Metallatom eines seiner äußeren Orbitalelektronen frei, um ein Leitungselektron zu werden, das sich im gesamten Kristall bewegen und elektrischen Strom führen kann. Daher ist die Anzahl der Leitungselektronen in einem Metall gleich der Anzahl der Atome, eine sehr große Anzahl, was Metalle zu guten Leitern macht.

Anders als bei Metallen liefern die Atome, aus denen der Bulk-Halbleiterkristall besteht, nicht die Elektronen, die für die Leitung verantwortlich sind. In Halbleitern beruht die elektrische Leitung auf den mobilen Ladungsträgern , Elektronen oder Löchern, die durch Verunreinigungen oder Dotierstoffatome im Kristall bereitgestellt werden. In einem extrinsischen Halbleiter bestimmt die Konzentration der Dotierungsatome im Kristall weitgehend die Dichte der Ladungsträger, die ihre elektrische Leitfähigkeit bestimmt , sowie viele andere elektrische Eigenschaften. Dies ist der Schlüssel zur Vielseitigkeit von Halbleitern. Ihre Leitfähigkeit kann durch Dotierung über viele Größenordnungen manipuliert werden.

Halbleiterdotierung

Halbleiterdotierung ist der Prozess, bei dem ein intrinsischer Halbleiter in einen extrinsischen Halbleiter umgewandelt wird. Während der Dotierung werden Verunreinigungsatome in einen intrinsischen Halbleiter eingeführt. Verunreinigungsatome sind Atome eines anderen Elements als die Atome des intrinsischen Halbleiters. Verunreinigungsatome wirken entweder als Donoren oder Akzeptoren für den intrinsischen Halbleiter und verändern die Elektronen- und Lochkonzentrationen des Halbleiters. Verunreinigungsatome werden aufgrund ihrer Wirkung auf den intrinsischen Halbleiter entweder als Donor- oder Akzeptoratome klassifiziert.

Donor-Verunreinigungsatome haben mehr Valenzelektronen als die Atome, die sie im intrinsischen Halbleitergitter ersetzen. Donorverunreinigungen "spenden" ihre zusätzlichen Valenzelektronen an das Leitungsband eines Halbleiters und liefern überschüssige Elektronen an den intrinsischen Halbleiter. Überschüssige Elektronen erhöhen die Elektronenträgerkonzentration (n 0 ) des Halbleiters und machen ihn zum n-Typ.

Akzeptor-Verunreinigungsatome haben weniger Valenzelektronen als die Atome, die sie im intrinsischen Halbleitergitter ersetzen. Sie "akzeptieren" Elektronen aus dem Valenzband des Halbleiters. Dies liefert überschüssige Löcher für den intrinsischen Halbleiter. Überschüssige Löcher erhöhen die Lochträgerkonzentration (p 0 ) des Halbleiters und erzeugen einen p-Halbleiter.

Halbleiter und Dotierstoffatome werden durch die Spalte des Periodensystems definiert, in das sie fallen. Die Spaltendefinition des Halbleiters bestimmt, wie viele Valenzelektronen seine Atome haben und ob Dotierstoffatome als Donoren oder Akzeptoren des Halbleiters fungieren.

Halbleiter der Gruppe IV verwenden Atome der Gruppe V als Donoren und Atome der Gruppe III als Akzeptoren.

Halbleiter der Gruppe III - V , die Verbindungshalbleiter , verwenden Atome der Gruppe VI als Donoren und Atome der Gruppe II als Akzeptoren. Halbleiter der Gruppe III - V können auch Atome der Gruppe IV als Donoren oder Akzeptoren verwenden. Wenn ein Atom der Gruppe IV das Element der Gruppe III im Halbleitergitter ersetzt, wirkt das Atom der Gruppe IV als Donor. Wenn umgekehrt ein Atom der Gruppe IV das Element der Gruppe V ersetzt, wirkt das Atom der Gruppe IV als Akzeptor. Atome der Gruppe IV können sowohl als Donoren als auch als Akzeptoren fungieren. Daher sind sie als amphotere Verunreinigungen bekannt.

Eigenhalbleiter Donoratome (n-Typ-Halbleiter) Akzeptoratome (p-Halbleiter)
Halbleiter der Gruppe IV Silizium , Germanium Phosphor , Arsen , Antimon Bor , Aluminium , Gallium
Halbleiter der Gruppe III - V. Aluminiumphosphid , Aluminiumarsenid , Galliumarsenid , Galliumnitrid Selen , Tellur , Silizium , Germanium Beryllium , Zink , Cadmium , Silizium , Germanium

Die zwei Arten von Halbleitern

Halbleiter vom N-Typ

Bandstruktur eines n-Halbleiters. Dunkle Kreise im Leitungsband sind Elektronen und helle Kreise im Valenzband sind Löcher. Das Bild zeigt, dass die Elektronen der Hauptladungsträger sind.

N-Typ - Halbleiter wird erstellt Dotierung einen intrinsischen Halbleiters mit einem Elektronen - Donor - Elemente während der Herstellung. Der Begriff n-Typ stammt von der negativen Ladung des Elektrons. In n- Halbleitern sind Elektronen die Majoritätsträger und Löcher die Minoritätsträger . Ein üblicher Dotierstoff für Silizium vom n-Typ ist Phosphor oder Arsen . In einem Halbleiter vom n-Typ ist das Fermi-Niveau größer als das des intrinsischen Halbleiters und liegt näher am Leitungsband als am Valenzband .

Beispiele: Phosphor , Arsen , Antimon usw.

Halbleiter vom P-Typ

Bandstruktur eines p-Halbleiters. Dunkle Kreise im Leitungsband sind Elektronen und helle Kreise im Valenzband sind Löcher. Das Bild zeigt, dass die Löcher der Hauptladungsträger sind

P-Typ - Halbleiter wird erstellt Dotierung einen intrinsischen Halbleiters mit einem Elektronenakzeptor - Akzeptor - Elemente während der Herstellung. Der Begriff p-Typ bezieht sich auf die positive Ladung eines Lochs. Im Gegensatz zu Halbleitern vom n-Typ haben Halbleiter vom p-Typ eine größere Lochkonzentration als die Elektronenkonzentration. In p- Halbleitern sind Löcher die Majoritätsträger und Elektronen die Minoritätsträger. Ein üblicher Dotierstoff vom p-Typ für Silizium ist Bor oder Gallium . Bei p- Halbleitern liegt das Fermi-Niveau unterhalb des intrinsischen Halbleiters und liegt näher am Valenzband als am Leitungsband.

Beispiele: Bor , Aluminium , Gallium usw.

Verwendung von extrinsischen Halbleitern

Extrinsische Halbleiter sind Bestandteile vieler gängiger elektrischer Geräte. Eine Halbleiterdiode (Geräte , die nur in eine Richtung erlauben , Strom) aus p-Typ und n-Typ - Halbleiters in platziert Kreuzung miteinander. Derzeit verwenden die meisten Halbleiterdioden dotiertes Silizium oder Germanium.

Transistoren (Geräte, die eine Stromumschaltung ermöglichen) verwenden auch extrinsische Halbleiter. Bipolartransistoren (BJT), die den Strom verstärken, sind eine Art von Transistor. Die häufigsten BJTs sind NPN- und PNP-Typen. NPN-Transistoren weisen zwei Schichten von n-Halbleitern auf, die einen p-Halbleiter einschließen. PNP-Transistoren weisen zwei Schichten von p-Halbleitern auf, die einen n-Halbleiter einschließen.

Feldeffekttransistoren (FET) sind ein anderer Transistortyp, der stromimplementierende extrinsische Halbleiter verstärkt. Im Gegensatz zu BJTs werden sie als unipolar bezeichnet, da sie einen Betrieb vom Typ eines einzelnen Trägers beinhalten - entweder N-Kanal oder P-Kanal. FETs werden in zwei Familien unterteilt, den Junction-Gate-FET (JFET), bei dem es sich um drei terminale Halbleiter handelt, und den isolierten Gate-FET ( IGFET ), bei dem es sich um vier terminale Halbleiter handelt.

Andere Geräte, die den extrinsischen Halbleiter implementieren:

Siehe auch

Verweise

  • Neamen, Donald A. (2003). Halbleiterphysik und Bauelemente: Grundprinzipien (3. Aufl.) . McGraw-Hill Hochschulbildung. ISBN   0-07-232107-5 .

Externe Links