Physik compact, Basiswissen 7, Schulbuch

89 17.2 Leitungstypen www Leitungstypen Eigenhalbleitung A1 Wiederhole die Energieeinheit eV! Halbleiter sind Festkörper, die in reinem Zustand, bei tiefenTemperaturen – imGegensatz zu Metallen – iso- lieren. Bei höheren Temperaturen weisen Halbleiter – im Gegensatz zu Isolatoren – Leitfähigkeit auf. Diese Leitfähigkeit kann durch die leichte Ablösbarkeit eines Elektrons aus den Halbleiteratomen (zB Si, Silizi- um) erklärt werden. Die Ablösearbeit eines Elektrons des Halbleiters beträgt rund 1 bis 6 eV. In Metallen liegt sie darunter, in Isolatoren darüber. Bemerkung: Das Auffüllen eines Loches im Atomgitter mit einem freien Elektron nennt man Rekombination (Wie- dervereinigung, recombination ). Die Löcherwanderung kommt somit durch fortschreitende Rekombination be- nachbarter Elektronen und Löcher zustande. A2 Was ist ein NTC-Widerstand? 17.2 17.2.1 Störstellenhalbleitung Kleinste Mengen von fremden Atomen verändern den spezifischen Widerstand eines Halbleiters sehr stark. So senkt Arsen in einer Konzentration von 1 ppm ( parts per million, zu deutsch 1 Teil unter 10 6 Teilen) den spezifischen Widerstand von Silizium auf ein Hunderttausendstel. Diese „Verunreinigung“ des reinen Halbleitermaterials mit Fremdatomen bezeich­ net man als Dotieren eines Halbleiters. (The silicon is doped with small amounts of arsenic). A3 Bestimme mit Hilfe des Periodensystems der Elemente die Anzahl der für die chemische Bindung entscheidenden Außenelektronen für die Elemente Silizium (Si), Arsen (As), Bor (B)! Da bei Zimmertemperatur praktisch jedes fünfte Au- ßenelektron der Fremdatome losgelöst ist, ist die Leit- fähigkeit eines n-Leiters von der Temperatur unabhän- gig. Ein n-Leiter leitet den elektrischen Strom wie ein metallischer Leiter. Der Widerstand eines n-Leiters ist allerdings höher als der eines Metalls, weil der n-Leiter weniger freie Elektronen als ein Metall aufweist. 17.2.2 Unter Spannung wandern die freien Elektronen zur Anode. Die Löcher werden von der Kathode mit Elektronen auf- gefüllt. Si-Kristall Löcher- wanderung Elektronen- Abb. 89.1 Ladungstransport im reinen Halbleiter Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 1. 2. 3. 4. 5. Elektronenstrom Bewegung der freien Stelle „Löcherwanderung” Abb. 89.2 Bewegung eines Elektronenlochs durch Rekombina- tion mit freien Elektronen. (Die Zeichnung zeigt die Anordnung von Elektronen (•) und Löchern ( o ) zu fünf verschiedenen Zeit- punkten.) Das Dotieren eines Halbleiters mit Fremdatomen be­ stimmt die Eigenschaften des Halbleiters. Beispiel Dotierung mit As Ein Siliziumkristall wird mit Arsenatomen dotiert: Abb. 89.3 Fünfwertiges Arsen enthält ein Außenelektron mehr als das vierwertige Silizium. Im Siliziumkristall tragen vier Elekt- ronen von As zur Bindung bei. Si Si Si Si Si Si Si Si Si As Si Si Si Si Si Si Si-Kristall mit Arsen dotiert (fünfwertig) Das 5. Außenelektron kann leicht durch thermische Anregung entfernt werden. Wird Silizium mit einem fünfwertigen Element wie As dotiert, entsteht ein Halbleiter, der hauptsächlich durch das leicht ablösbare fünfte Elektron der Fremd- atome elektrisch leitend wird. Er wird als n-Leiter oder auch als Donator bezeichnet. n-Leiter Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv