Elemente und Moleküle, Schulbuch
100 5 GRoSSteCHNISCHe CHeMIe 5.6 HALBLEItER Die Elemente, die im Periodensystem die Grenze zwischen Metallen und Nichtmetal - len bilden, bezeichnet man als Halbmetalle. Sie sind bei tiefer Temperatur meist elek- trische Isolatoren. Bei höherer Temperatur werden sie Leiter – die Leitfähigkeit steigt also im Gegensatz zu den Metallen mit steigender Temperatur. Auch Verunreinigungen erhöhen die Leitfähigkeit. Auf Grund dieses Verhaltens bezeichnet man solche Halb- metalle als Halbleiter. Auch Legierungen bzw. Verbindungen zwischen Halbmetallen können Halbleitereigenschaften aufweisen. Der technisch wichtigste Halbleiter ist Silicium . Es kristallisiert in einem räumlichen Atomgitter vom Diamanttyp. Die Bindungen zwischen den Silicium-Atomen sind durch den großen Atomradius schwächer als die Bindungen zwischen Kohlenstoff-Atomen im Diamant. Durch Wärmestöße kann es daher zum Aufbrechen von Bindungen kom- men. Bindungselektronen werden dadurch im Gitter frei beweglich. Das Si-Atom, das von einem Elektron verlassen wurde, trägt nun eine positive Ladung (Elektronenlücke oder Defektelektron). Diese Ladungen können sich bei Anlegen von Spannung eben- falls bewegen. Dabei springt ein Elektron vom Nachbaratom in die Elektronenlücke und füllt diese auf. Das Defektelektron befindet sich nun am Nachbaratom. Die Zahl der Elektron/Defektelektronpaare und damit die Leitfähigkeit steigt mit der Heftigkeit der Wärmestöße, also mit der Temperatur. Auch der starke Anstieg der Leitfähigkeit durch Verunreinigungen lässt sich auf diese Weise erklären. Wird ein Element der 15. Gruppe , wie zB Phosphor, in das Siliciumgit- ter eingebaut, so werden von den fünf Außenelektronen des Phosphor-Atoms nur vier zu Bindungen benötigt. Das fünfte Elektron löst sich bereits bei Zimmertemperatur leicht ab. Solche Elemente erhöhen also die Leitungselektronenzahl ( n-Leitung durch negative Ladungsträger). Defektelektronen entstehen dabei nicht. Das Phosphor-Atom trägt zwar eine positive Ladung, diese ist aber nicht beweglich. Es sind ja vier Bindun- gen vorhanden. Durch Elemente der 15. Gruppe verstärkt sich daher die n-Leitung (Abb. 100.1). Ein Element der 13. Gruppe, wie zB Bor, erzeugt dagegen im Siliciumgitter ein zusätz- liches Defektelektron ( p-Leitung durch positive Defektelektronen). Da es mit den drei Außenelektronen nur drei Bindungen ausbilden kann, entsteht eine Gitterstörung. Springt nun ein Elektron eines benachbarten Si-Atoms in die Elektronenlücke, so ist es dort nicht mehr beweglich. Das dabei entstandene Defektelektron erhöht nun die Leitfähigkeit. Elemente der 13. Gruppe verstärken daher die p-Leitung (Abb. 100.2). Schon ein Fremdatom der 13. oder 15. Gruppe auf 1 Mio Si-Atome erhöht die Leitfä- higkeit um etwa vier Zehnerpotenzen. Dies nutzt man sich beim Bau von Dioden, Tran- sistoren und integrierten Schaltkreisen. In hochreines Silicium werden gezielt Fremd- atome eingebaut ( Dotieren ). Dadurch werden n- bzw. p-leitende Bereiche erzeugt. Für die Anwendung in der Mikroelektronik benötigt man sehr reines Silicium. Dazu wird in einem 1. Schritt reiner Quarz mit Kohlenstoff zu Rohsilicium reduziert. In einem 2. Schritt wird dann dieses Rohsilicium mit Hydrogenchlorid zu Trichlorsilan umgesetzt. Im abschließenden 3. Schritt lässt man das Trichlorsilan mit Wasserstoff zu polykris - tallinem Silicium reagieren (Abb. 118.3). Das so erzeugte Silicium enthält noch immer zu viele Verunreinigungen. Man benötigt Reinheitsgrade von weniger als einem Fremdatom auf eine Milliarde Silicium-Atome. Dies kann man durch Zonenschmelzen erreichen. Dabei wird ein stabförmiger Silici- umkristall an einer Stelle geschmolzen. Die Schmelzzone lässt man durch Bewegen der Heizeinrichtung oder des Stabes langsam durch den Kristall wandern. Verunreini- gungen lösen sich bevorzugt in der Schmelze und befinden sich, nachdem die Schmelz- zone über den gesamten Stab gewandert ist, im Ende des Stabes. Dieses kann dann abgetrennt werden. Das gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung von Reinstsilicium ist heute das Tie- gelziehen . Dabei wird mit Hilfe eines kleinen Kristalles (= Impfkristall) aus einer Reinst - silicium-Schmelze unter Argon-Atmosphäre ein Kristall „herausgezogen“, dh., man hebt den Impfkristall langsam von der Oberfläche der Schmelze ab, wobei sich ein großer Silicium-Einkristall bildet. Dieser wächst zu einer langen runden Stange heran. In dün- ne runde Scheiben (= Wafer ) geschnitten, dient er dann als Ausgangsmaterial zur Mikrochip-Herstellung. SiO 2 + 2 C SiHCl 3 + H 2 4 SiHCl 3 + 2 H 2 Si + 2 CO Si + 3 HCl SiCl 4 + 3 Si + 8 HCl Rohsilicium polykristallines Reinstsilicium Trichlorsilan Quarz fixe Ladung bewegliche Ladung fixe Ladung bewegliche Ladung Abb. 100.3: Produktion von Halbleiter-Silicium Abb. 100.2: Wirkungsweise eines p-Leiters Abb. 100.1: Wirkungsweise eines n-Leiters Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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