Halbleiter

Halbleiter Übung

• Nenne die Eigenschaften eines Halbleiters.

  Tipps

  Halbleiter sind sogenannte Heißleiter.

  Lösung

  Im Gegensatz zu einem Leiter gibt es in einem Halbleiter nur sehr wenige freie Ladungsträger wie ungebundene Elektronen. Deshalb ist die Leitfähigkeit von Halbleitern auch sehr viel geringer als bei Leitern. In einem Siliziumkristall kommt nur auf alle $100\,000$ Siliziumatome ein freies Elektron.

  Die Anzahl der freien Ladungsträger lässt sich erhöhen, indem man einen Kristall dotiert. Dotierung bedeutet, Fremdatome in den Kristall einzusetzen. Diese Fremdatome haben die Eigenschaft, dass sie entweder jeweils ein Elektron mehr oder ein Elektron weniger in der äußeren Schale haben als das Siliziumatom.

  Wenn man einen Halbleiter erwärmt, kann man die Leitfähigkeit jedoch erhöhen, da den einzelnen Elektronen Energie zugeführt wird. Diese zusätzliche Energie erleichtert es ihnen, sich aus ihrer Bindung zu lösen, sodass sie zum Stromtransport beitragen können. Halbleiter sind deshalb Heißleiter, die den Strom bei höheren Temperaturen besser leiten.

• Beschreibe die Dotierung.

  Tipps

  Der Halbleiter Silizium wird häufig mit fünfwertigem Phosphor dotiert.

  Bei der n-Dotierung sorgt man für zusätzliche negative Ladungsträger in dem Halbleiter.

  Lösung

  Mit der Dotierung eines Halbleiters kann man dessen Leitfähigkeit verbessern, indem man zusätzliche freie Ladungsträger in den Halbleiter einbringt. Diese freien Ladungsträger können dabei schwach gebundene Elektronen oder Elektronen-Fehlstellen in den Bindungen der Atome im Halbleiter sein. Man spricht von einer n-Dotierung bei zusätzlichen freien Elektronen oder einer p-Dotierung bei zusätzlichen Elektronen-Fehlstellen.

  Die Dotierung erreicht man, indem man Fremdatome in die Kristallstruktur des Halbleiters einbringt, die entweder jeweils ein Elektron mehr oder weniger auf der äußersten Schale haben als die Atome des Halbleiters. So bleibt entweder ein Elektron von jedem Fremdatom ungebunden, oder es fehlt bei jedem Fremdatom ein Elektron in der Bindung, sodass eine Fehlstelle entsteht.

• Bestimme die Widerstände der Materialien.

  Tipps

  Der Widerstand des Halbleiters ist der Kehrwert seiner Leitfähigkeit.

  Der richtige Graph hat keine Ecken.

  Lösung

  Je stärker ein Halbleiter dotiert wird, desto mehr freie Ladungsträger stehen zum Ladungstransport zur Verfügung. Deshalb sinkt der elektrische Widerstand eines Halbleiters umso mehr, je mehr Fremdatome man in den Halbleiter einbringt. Dabei sinkt der Widerstand mit der Konzentration der Ladungsträger exponentiell und nähert sich nach und nach seinem Minimalwert an.

  Der spezifische Widerstand von reinem Silizium ohne Fremdatome beträgt bei $20^\circ\text{C}$ beispielsweise etwa $2300\,\Omega\text{m}$. Wenn man beginnt, Fremdatome in das Silizium einzubringen, sinkt der Wert nach und nach auf bis zu $0,0001\,\Omega\text{m}$.

  Indem man ihn dotiert, kann man die Leitfähigkeit eines Halbleiters also um ein Vielfaches erhöhen. Doch auch das dotierte Silizium leitet den elektrischen Strom noch deutlich schlechter als Metalle. Der spezifische Widerstand von Eisen beträgt beispielsweise nur $10$ Millionstel des spezifischen Widerstands von dotiertem Silizium.

• Bestimme, ob es sich bei den Dotierungen um n- oder p-Halbleiter handelt.

  Tipps

  Für die einzelnen Elemente werden hier chemische Kürzel verwendet:

  • Si steht für Silizium
  • Ge für Germanium
  • P für Phosphor
  • As für Arsen
  • Sb für Antimon
  • Al für Aluminium
  • In für Indium
  • B für Bor

  Germanium ist neben Silizium eines der wichtigsten Halbleiter-Materialien.

  Das Fremdatom hat die Eigenschaft, dass es entweder ein Elektron mehr oder ein Elektron weniger in der äußeren Schale hat als der Kristall. Hat es ein Elektron mehr, so handelt es sich um einen n-Halbleiter.

  Lösung

  Man dotiert einen Kristall, indem man Fremdatome einsetzt. Dieses Fremdatom hat die Eigenschaft, dass es entweder ein Elektron mehr oder ein Elektron weniger in der äußeren Schale hat. Hat es ein Elektron mehr, so erhalten wir einen n-Halbleiter. Andernfalls handelt es sich um einen p-dotierten Halbleiter.

  So können wir die hier gegebenen Dotierungen wie folgt zuordnen:

  n-Halbleiter

  • Silizium (Si) dotiert mit Phosphor (P)
  • Silizium (Si) dotiert mit Arsen (As)
  • Germanium (Ge) dotiert mit Antimon (Sb)

  p-Halbleiter

  • Silizium (Si) dotiert mit Aluminium (Al)
  • Silizum (Si) dotiert mit Indium (In)
  • Germanium (Ge) dotiert mit Bor (B)

• Nenne die Nutzungsmöglichkeiten von Halbleitern.

  Tipps

  Ein Photosensor ist ein Gerät zum Messen von Lichtintensität.

  Für Starkstromkabel benötigt man sehr gute elektrische Leiter.

  Lösung

  Reine Halbleiter wie Silizium sind sogenannte Heißleiter. Sie leiten also den elektrischen Strom besser, wenn sich ihre Temperatur erhöht. Diese Eigenschaft kann man nutzen, indem man Halbleiter als Temperaturfühler verwendet. Dabei misst man bei einer konstanten Spannung den Stromfluss durch ein kleines Halbleiter-Bauteil. Wenn sich die Temperatur beispielsweise erhöht, sinkt der Widerstand. Die Temperaturerhöhung lässt sich dann an einem erhöhten Stromfluss feststellen. Fällt die Temperatur hingegen, dann sinkt auch die Stromstärke.

  Man kann manche Halbleiter auch als Photosensoren verwenden, also Sensoren für Licht. Man nutzt dafür den sogenannten Photoeffekt aus. Dieser beschreibt das Phänomen, dass einzelne Elektronen in einem Halbleiter Lichtenergie aufnehmen können. Diese Elektronen können sich dann aus den Atombindungen lösen und als Ladungsträger fungieren, sodass der Widerstand sinkt. So kann man erkennen, wenn der Halbleiter belichtet wird.

  Eine der wichtigsten Anwendungsbeispiele für Halbleiter sind die Dioden. Diese Bauteile bestehen aus einem n-dotierten und einem p-dotierten Halbleiter und sind nur in eine Richtung leitfähig.

  Als Starkstromkabel eignen sich Halbleiter nicht, denn für diese Anwendung braucht man Materialien, die den elektrischen Strom besonders gut leiten. In Materialien mit hohem elektrischen Widerstand würde ein Großteil der elektrischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt und damit für die Stromversorgung verloren gehen.

  Die Eigenschaften von Halbleitern lassen sich weder für die Druck- noch für die Entfernungsmessung nutzen.

• Erkläre die Diode.

  Tipps

  Eine Diode leitet elektrischen Strom nur in eine Richtung.

  Wenn ein Elektron von seinem Atomkern getrennt wird, ergibt sich eine elektrische Spannung.

  Lösung

  Die Diode ist eines der wichtigsten Bauteile der Halbleitertechnik. Mit ihr ist es möglich, die Stromrichtung genau zu kontrollieren, da der Strom nur in eine Richtung durch die Diode fließen kann.

  Außer der Diode gibt es noch weitere Bauteile, die aus dotierten Halbleitern bestehen und dadurch interessante Eigenschaften bekommen. Mit einem Transistor kann man beispielsweise einstellen, dass nur Strom fließt, wenn der Transistor ein elektrisches Signal bekommt.