Sexl Physik 7, Schulbuch

95 | 95.1 Gitterfehler stören die Bewegung der Leitungselektronen. Hier ist eine „Stufenver- setzung“ dargestellt. Es hat sich im Kristall eine Stufe gebildet, indem eine Gitterebene nur unvollständig gebildet wurde. Fremdatome und einzelne unbesetzte Gitterplätze sind ebenfalls Gitterfehler. + + - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + p p n n 95.2 p- und n-Leiter in Kontakt (ohne äußere Spannung): Über die pn-Grenzfläche diffundieren Elektronen und Löcher. Durch ihre Rekombination verarmt die Grenzzone an frei- en Ladungsträgern und wird zur Sperrschicht (großer Widerstand). Das elektrische Feld der unkompensierten Gitterionen wirkt der weite- ren Diffusion von Ladungsträgern entgegen. (A – , D + stellen Akzeptor- und Donator-Ionen dar.) p n 95.3 pn-Übergang in Sperrrichtung: Legt man an den p-Leiter den Minuspol, an den n-Leiter den Pluspol einer Spannungsquelle, werden die freien Ladungsträger abgesaugt, die Sperrschicht verbreitert sich. p n 95.4 pn-Übergang in Durchlassrichtung: Legt man an den p-Leiter den Pluspol, an den n-Leiter den Minuspol einer Spannungsquelle, werden die freien Ladungsträger in die Sperr- schicht getrieben, diese wird abgebaut und Strom kann fließen. Zonenschmelzverfahren : Gitterfehler stören die Bewegung der Elektronen im Kristall (vgl. 95.1 ). Daher wird das kristalline Reinsilicium im so genannten Zonenschmelzverfahren gleichzeitig weiter gereinigt und zu großen Einkristallen umgeschmolzen. Dabei wird eine Induktionsspule über einen kristallinen Stab aus Silicium gezogen, der durch Wirbelstromheizung schichtweise geschmolzen wird. An der Grenzfläche fest-flüssig wächst der Kristall und erreicht Längen von 1–2 m und Durchmesser von 20–30 cm . Gleichzeitig sammeln sich die Verunreinigungen in der Schmelzzone und wandern mit ihr an das Ende des Kristalls. Eine Rein- heit von einem Fremdatom auf 10 9 Siliciumatome wird erreicht. Dieser gezogene Einkristall wird zur Weiterverarbeitung in dünne Scheiben, sog. Wafer ( 92.1 und 94.3 ), zerschnitten. Dotierung : Die Zugabe der Zusatzstoffe erfolgt entweder beim Ziehen des Einkris- talls, indem sie dem geschmolzenen Silicium in genauer Dosierung beigemischt werden, oder durch Bedampfen der Siliciumscheiben mit dem Dotierstoff. Bei 1000 °C wandern die Fremdatome in die Siliciumscheiben und werden beim Ab- kühlen ortsfest. Eine genauere Dosierung und auch Lokalisierung der Dotierung ist durch Beschuss mit Ionen des Zusatzstoffes in kleinen Beschleunigern ( Implantie- ren ) möglich.  4.2 Dioden und Transistoren Die Diode Dioden sind in der Mikroelektronik vielseitig einsetzbar: Entweder leiten sie Strom nur in einer Richtung (Gleichrichter) oder sie zeigen den Stromfluss bei Über- schreitung einer gewissen Schwellenspannung durch Leuchten an (LEDs – „lichte- mittierende Dioden“). Außerdem können sie zur Erzeugung extrem hoher Schwin- gungen oder zur Stabilisierung von Gleichstrom verwendet werden. Sie sind robuste Bauelemente mit geringen Abmessungen und geringer Verlustleistung. Eine Diode besteht aus je einer Schicht n-leitendem und p-leitendem Material. So- lange sich die beiden Stücke nicht berühren, sind sie elektrisch neutral: Im n-Lei- ter befinden sich viele frei bewegliche Elektronen, die großteils von den Donatoren stammen, wenige Elektronenlöcher und die entsprechende Anzahl von ortsfesten positiven Donator-Ionen. Im p-Leiter befinden sich viele frei bewegliche Elektro- nenlöcher, wenige freie Elektronen und die entsprechende Anzahl ortsfester nega- tiver Akzeptor-Ionen. Bringt man nun n- und p-Leiter in Kontakt, so kommt an der Kontaktfläche einiges in Bewegung. Infolge der Wärmebewegung wandern Elekt- ronen und Elektronenlöcher durch die Kontaktfläche und rekombinieren. Dadurch nehmen die frei beweglichen Ladungsträger im Bereich der Grenzschicht ab. Im n-Leiter bleiben die positiven Donator-Ionen unkompensiert zurück, das n-Gebiet lädt sich dadurch positiv auf. Im p-Leiter führen die unkompensierten Akzeptor- Ionen zu einer negativen Aufladung. Das dadurch entstehende elektrische Feld ver- hindert die weitere Wanderung von Ladungsträgern über die Kontaktfläche. Durch die Verarmung an freien Ladungsträgern steigt der Widerstand der Grenzschicht, sie wird zur Sperrschicht ( 95.2 ). a) Der pn-Übergang mit äußerer Spannung ( Sperrrichtung ) Legt man an den pn-Übergang eine Spannung so an, dass der Minuspol am p-Lei- ter und der Pluspol am n-Leiter liegt, so werden die freien Elektronen des n-Leiters zum Pluspol, die Löcher des p-Leiters zum Minuspol gezogen: Die Sperrschicht verbreitert sich, es kann kein Ladungstransport durch den Übergang erfolgen. Die Diode sperrt ( 95.3 ). b) Der pn-Übergang mit äußerer Spannung ( Durchlassrichtung ) Legt man den Minuspol einer Spannungsquelle an den n-Leiter, den Pluspol an den p-Leiter, so werden die freien Elektronen bzw. Löcher in die Sperrschicht ge- drängt. Diese wird schmäler. Überschreitet schließlich die angelegte Spannung ei- nen bestimmten Schwellenwert (Schwellenspannung), dann kompensiert sie das Feld der Ionen in der Sperrschicht, die Sperrschicht verschwindet und Strom kann fließen, indem an der Grenzschicht die einströmenden Elektronen und Löcher re- kombinieren ( 95.4 ). Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv