EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Exkurs Silicium – n-Leiter – p-Leiter Halbleiter KM-5: Modellbildung und Strukturen 47 47 Abb. 047–3: Tiegelziehen Abb. 047–1: Wirkungsweise eines n-Leiters Die Elemente, die im Periodensystem die Grenze zwischen Metallen und Nicht- metallen bilden, bezeichnet man als Halbmetalle. Sie sind bei tiefer Temperatur meist elektrische Isolatoren. Bei höherer Temperatur werden sie Leiter – die Leitfähigkeit steigt im Gegensatz zu den Metallen mit steigender Temperatur. Auch Verunreinigungen erhöhen die Leitfähigkeit. Auf Grund dieses Verhaltens bezeichnet man solche Halbmetalle als Halbleiter. Silicium als Halbleiter Der technisch wichtigste Halbleiter ist Silicium. Es kristallisiert in einem räum- lichen Atomgitter vom Diamanttyp. Die Bindungen zwischen den Silicium-Ato- men sind durch den großen Atomradius schwächer als die Bindungen zwischen Kohlenstoff-Atomen im Diamant. Durch Wärmestöße kann es daher zum Auf- brechen von Bindungen kommen. Bindungselektronen werden dadurch im Gitter frei beweglich. Das Si-Atom, das von einem Elektron verlassen wurde, trägt nun eine positive Ladung ( Elektro- nenlücke oder Defektelektron ). Diese Ladungen können sich bei Anlegen von Spannung ebenfalls 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 Leitfä- higkeit steigt mit der Heftigkeit der Wärmestöße, also mit der Temperatur. Auch der starke Anstieg der Leitfähigkeit durch Verunreinigungen lässt sich auf diese Weise erklären. n-Leiter Wird ein Element der 15. Gruppe , wie zB Arsen, in das Siliciumgitter einge- baut, so werden von den fünf Außenelektronen des Arsen-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 Bindungen vorhanden. Durch Elemente der 15. Gruppe verstärkt sich daher die n-Leitung. p-Leiter Ein Element der 13. Gruppe, wie zB Gallium, erzeugt dagegen im Siliciumgitter ein zusätzliches 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. Dotierung Schon ein Fremdatom der 13. oder 15. Gruppe auf 1 Million Si-Atome erhöht die Leitfähigkeit um etwa vier Zehnerpotenzen. Dies macht man sich beim Bau von Dioden, Transistoren und integrierten Schaltkreisen zunutze. In hochreines Silicium werden gezielt Fremdatome eingebaut (Dotieren). Da- durch werden n- bzw. p-leitende Bereiche erzeugt. Silicium Wafer Für die Anwendung in der Mikroelektronik benötigt man sehr reines Silicium. Es muss ein Reinheitsgrad von weniger als einem Fremdatom auf eine Milliarde Silicium-Atome erreicht werden. Dieses Reinstsilicium bildet im Zuge des Rei- nigungsprozesses einen stangenförmigen Kristall (Verfahren: Tiegelziehen sie- he Abb. 047–3). Dieser wird in dünne, runde Scheiben (Wafer) geschnitten und dient als Ausgangsmaterial zur Microchip-Herstellung. fixe Ladung bewegliche Ladung fixe Ladung bewegliche Ladung Abb. 047–2: Wirkungsweise eines p-Leiters Mit Hilfe eines kleinen Startkristalls (= Impf- kristall) wird ein großer Einkristall aus der Schmelze gezogen. Sauerstoff muss dabei ausgeschlossen werden, daher Schutzgas. Si-Schmelze Heizung Si- Einkristall Schutzgas Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv