Der Grundstoff unserer modernen Welt sind Halbleitermaterialien. Grund genug, sich damit ein wenig eingehender zu beschäftigen. Halbleiter haben eine Kristallgitterstruktur, das heißt, ihre Atome sind periodisch angeordnet.
Prüfungsfrage AB104
Was versteht man unter Halbleitermaterialien?
Lösung
A
Einige Stoffe (z. B. Silizium) sind in reinem Zustand bei Raumtemperatur gute Leiter. Durch geringfügige Zusätze von geeigneten anderen Stoffen (z. B. Bismut, Tellur) fällt ihr Widerstand auf den halben Wert.
B
Einige Stoffe (z. B. Silizium) sind in reinem Zustand bei Raumtemperatur gute Elektrolyten. Durch geringfügige Zusätze von geeigneten anderen Stoffen (z. B. Bismut, Tellur) kann man daraus entweder N-leitendes- oder P-leitendes Material für Anoden bzw. Kathoden von Batterien herstellen.
C
Einige Stoffe (z. B. Silizium) sind in reinem Zustand bei Raumtemperatur gute Leiter. Durch geringfügige Zusätze von geeigneten anderen Stoffen (z. B. Bor, Phosphor) oder bei hohen Temperaturen nimmt jedoch ihre Leitfähigkeit ab.
D
Einige Stoffe (z. B. Silizium) sind in reinem Zustand bei Raumtemperatur gute Isolatoren. Durch geringfügige Zusätze von geeigneten anderen Stoffen (z. B. Bor, Phosphor) oder bei hohen Temperaturen werden sie jedoch zu Leitern.
Die Bandlückenenergie wird durch die chemische Zusammensetzung des Halbleiters bestimmt. Verglichen mit Si hat Ge eine deutlich kleinere, GaAs und InP eine etwas größere und GaN eine viel größere Bandlückenenergie.
Silizium (Si) und Germanium (Ge) sind *Elementhalbleiter* (wie übrigens auch Diamant, der kristalliner Kohlenstoff ist). Es gibt aber auch chemische Verbindungen, die Halbleiter sind (*Verbindungshalbleiter*), wie Gallium-Arsenid (GaAs), Indium-Phosphid (InP) oder auch Gallium-Nitrid (GaN).
Materialien mit Energiebandlücke werden nur dann als Halbleiter bezeichnet, wenn sie zusätzlich dotierbar sind. Ihre Leitfähigkeit kann durch gezielte Verunreinigung des hochreinen Halbleitermaterials in weiten Grenzen verändert werden. So hat Arsen (As), verglichen mit den Elementhalbleitern, ein Elektron mehr in der äußeren Elektronenschale. Dieses Elektron kann sehr einfach und mit wenig Energie zu einem freien Elektron im Leitungsband werden. So eine Dotierung nennen wir n-Dotierung .
Prüfungsfrage AB105
Was versteht man unter Dotierung?
Lösung
A
Das Entfernen von Atomen aus dem Halbleitergrundstoff, um die elektrische Leitfähigkeit zu senken.
B
Das Einbringen von chemisch anderswertigen Fremdatomen in einen Halbleitergrundstoff, um freie Ladungsträger zur Verfügung zu stellen.
C
Das Entfernen von Verunreinigungen aus einem Halbleitergrundstoff, um Elektronen zu generieren.
D
Das Einbringen von magnetischen Nord- oder Südpolen in einen Halbleitergrundstoff, um die Induktivität zu erhöhen.
Prüfungsfrage AB106
N-leitendes Halbleitermaterial ist gekennzeichnet durch ...
Lösung
A
ein Fehlen von Dotierungsatomen.
B
einen Überschuss an beweglichen Elektronen.
C
ein Fehlen von Atomen im Gitter des Halbleiterkristalls.
D
einen Überschuss an beweglichen Elektronenlöchern.
Prüfungsfrage AB107
P-leitendes Halbleitermaterial ist gekennzeichnet durch ...
Lösung
A
einen Überschuss an beweglichen Elektronenlöchern.
B
ein Fehlen von Atomen im Gitter des Halbleiterkristalls.
C
ein Fehlen von Dotierungsatomen.
D
einen Überschuss an beweglichen Elektronen.
Kombiniert man in einem Kristall, aber räumlich getrennt, p-dotierte und n-dotierte Zonnen, so findet in der Kontaktebene ein Ladungsträger-Austausch statt: Elektronen bewegen sich aus dem n-dotierten Gebiet in Richtung p-dotiertes Gebiet, Löcher bewegen sind aus dem p-dotierten Gebiet in Richtung n-dotiertes Gebiet. Diese Ladungsträgerbewegung, die durch die Dichteunterschiede von Elektronen und Löchern hervorgerufen wird, nennen wir Diffusionsstrom.
Diese Ladungstrennung erzeugt andererseits ein elektrisches Feld mit entgegengesetzter Wirkung, das zu einem Feldstrom führt. Im Gleichgewicht (ohne von außen angelegte Spannung) halten sich die Wirkungen von Diffusion und elektrischem Feld gerade die Waage. Zwischen den p- und n-Zonen entsteht ein Gebiet ohne freie Ladungsträger, die man als Verarmungszone oder Sperrschicht bezeichnet. Eine solche Struktur stellt eine pn-Diode dar.
Prüfungsfrage AB108
Das folgende Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Halbleiterdiode. Wie entsteht die Sperrschicht?
Lösung
A
An der Grenzschicht wandern Atome aus dem P-Teil in den N-Teil. Dadurch wird auf der P-Seite der Atommangel abgebaut, auf der N-Seite der Atommangel vergrößert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine leitende Schicht.
B
An der Grenzschicht wandern Elektronen aus dem N-Teil in den P-Teil. Dadurch wird auf der N-Seite der Elektronenüberschuss teilweise abgebaut, auf der P-Seite der Elektronenmangel teilweise neutralisiert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine isolierende Schicht.
C
An der Grenzschicht wandern Atome aus dem N-Teil in den P-Teil. Dadurch wird auf der N-Seite der Atommangel abgebaut, auf der P-Seite der Atommangel vergrößert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine leitende Schicht.
D
An der Grenzschicht wandern Elektronen aus dem P-Teil in den N-Teil. Dadurch wird auf der P-Seite der Elektronenüberschuss teilweise abgebaut, auf der N-Seite der Elektronenmangel teilweise neutralisiert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine isolierende Schicht.
Prüfungsfrage AC402
Wie verhalten sich die Elektronen in einem in Durchlassrichtung betriebenen PN-Übergang?
Lösung
A
Sie zerfallen beim Übergang.
B
Sie wandern von N nach P.
C
Sie wandern von P nach N.
D
Sie bleiben im N-Bereich.
Drehen wir die Spannung nun um, weitet sich die Verarmungszone aus, der Stromfluss kommt zum Erliegen. Dies ist der Sperrbetrieb der Diode.
Prüfungsfrage AB109
Wie verhält sich die Verarmungszone in der hier dargestellten Halbleiterdiode?
Lösung
A
Sie verengt sich.
B
Sie erweitert sich.
C
Sie verändert sich nicht.
D
Sie verschwindet.
