halvleder

Halvledere er faste stoffer, hvis elektriske ledningsevne er mellem den for elektriske ledere (> ¹⁰⁴  S / cm) og den for ikke-ledere (<10 - ⁸ S / cm). Da grænsearealerne for de tre grupper overlapper hinanden, er den negative temperaturkoefficient for den specifikke modstand et andet vigtigt kendetegn ved halvledere, dvs. deres ledningsevne stiger med stigende temperatur, de er såkaldte termistorer . Årsagen til dette er det såkaldte båndgab mellem valens- og ledningsbåndene . Tæt på den absolutte temperatur nul er disse fuldstændigt eller ledige, og halvledere er derfor ikke-ledere. I modsætning til metaller er der primært ingen gratis ladestoffer. B. opstår ved opvarmning. Den elektriske ledningsevne for halvledere stiger kraftigt med temperaturen, så de ved stuetemperatur er mere eller mindre ledende afhængigt af den materialespecifikke afstand mellem lednings- og valensbåndene. Ved at indføre fremmede atomer ( doping ) fra en anden hovedkemisk gruppe kan ledningsevnen og ledningskarakteren (elektron- og hulledning ) desuden påvirkes specifikt inden for vide grænser.

Halvledere er opdelt i krystallinske og amorfe halvledere baseret på deres krystalstruktur ; se afsnit klassificering . Desuden kan de have forskellige kemiske strukturer. Det mest kendte er elementhalvledere silicium og germanium , som er sammensat af et enkelt element, og sammensatte halvledere såsom III-V-sammensatte halvleder galliumarsenid . Derudover har organiske halvledere fået betydning og popularitet i de sidste par årtier ; de bruges for eksempel i organiske lysemitterende dioder (OLED'er). Der er dog også andre stoffer med halvlederegenskaber, såsom B. organometalliske halvledere såvel som materialer, der erhverver halvlederegenskaber gennem nanostrukturering. Helt nye er ternære hydridforbindelser såsom lithium - barium - hydrid (LiBaH ₃ ).

Halvledere er vigtige for elektroteknik og især for elektronik , hvor muligheden for at påvirke deres elektriske ledningsevne gennem doping spiller en afgørende rolle. Kombinationen af ​​forskellige doterede områder, f.eks. B. pn-forbindelsen muliggør begge elektroniske komponenter med en retningsafhængig ledningsevne ( diode , ensretter ) eller en switchfunktion (z. B. transistor , thyristor , fotodiode ), z. B. kan styres ved at anvende en elektrisk spænding eller en strøm (se Arbejdsbetingelser i metal-isolator-halvlederstruktur ). Andre anvendelser ud over transistoren er: NTC-termistorer , varistorer , strålingssensorer ( fotoledere , fotoresistorer , fotodioder eller solceller ), termoelektriske generatorer , Peltier-elementer og stråling eller lyskilder ( laserdiode , lysdiode ). Størstedelen af ​​alle fremstillede halvlederindretninger er siliciumbaseret . Silicium har ikke de allerbedste elektriske egenskaber (fx ladningsbærermobilitet ), men i kombination med dets kemisk stabile oxid har det klare fordele i produktionen (se også termisk oxidation af silicium ).

historie

Stephen Gray opdagede forskellen mellem ledere og ikke-ledere i 1727. Efter Georg Simon Ohm etablerede Ohms lov i 1821 , der beskriver proportionaliteten mellem strøm og spænding i en elektrisk leder, kunne ledningsevnen af et objekt også bestemmes.

Den Nobelpristageren Ferdinand Braun opdagede berigtigelse effekt af halvledere i 1874. Han skrev: ”Med et stort antal af naturlige og kunstige svovl metaller [...] Jeg fandt, at modstanden i samme afveg med retningen, intensiteten og varigheden af den nuværende. Forskellene er op til 30 pCt. af alt det værd. ”Med dette beskrev han for første gang, at modstand kan ændres.

Greenleaf Whittier Pickard modtaget det første patent i 1906 for en silicium baseret spids diode til demodulation bærebølgesignalet i en detektor modtager . Oprindeligt opstod i den samme modtager (" Pickard Crystal Radio Kit for det meste") galena brugt som halvledere i 1920'erne mere robuste og mere kraftfulde dioder baseret på kobbersulfidkontakter. Funktionen af ​​ensrettereffekten baseret på en halvleder-metal-overgang forblev uforklarlig i årtier på trods af sin tekniske anvendelse. Det var først i 1939, at Walter Schottky var i stand til at lægge det teoretiske grundlag for at beskrive Schottky-dioden opkaldt efter ham .

Det første patent på transistorens princip blev ansøgt om i 1925 af Julius Edgar Lilienfeld (amerikansk fysiker af østrig-ungarsk herkomst). I sit arbejde beskrev Lilienfeld en elektronisk komponent, som i bred forstand kan sammenlignes med nutidens felteffekt-transistorer, og på det tidspunkt manglede han de nødvendige teknologier til at implementere felteffekt-transistorer i praksis.

Da forskere John Bardeen , William Bradford Shockley og Walter Houser Brattain ved Bell Laboratories i 1947 satte to metaltrådspidser på en germaniumplade og var således i stand til at styre den p-ledende zone med den anden trådspids med en elektrisk spænding, indså de tiptransistor ( bipolar transistor ). Dette gav dem 1956 Nobelprisen i fysik og grundlagde mikroelektronik.

I 1954 Eberhard Spenke og hans hold i Siemens & Halske AG lykkedes at producere høj renhed silicium ved hjælp af zone smelteprocessen . I midten af ​​1950'erne førte dette sammen med tilgængeligheden af ​​et isoleringsmateriale ( siliciumdioxid ) med gunstige egenskaber (ikke vandopløseligt som germaniumoxid , let at fremstille osv.) Gennembruddet af silicium som et halvledermateriale til elektronikindustrien og omkring 30 år senere for de første produkter af mikrosystemteknologi . Til produktion af integrerede kredsløb i dag (2009) anvendes næsten udelukkende silicium, der produceres billigere ved hjælp af Czochralski-processen .

Alan Heeger , Alan MacDiarmid og Hideki Shirakawa viste i 1976, at når polyacetylen  - en polymer, der er en isolator i ikke- dopet tilstand - er dopet med oxidationsmidler, er den specifikke elektriske modstand ned til 10 ^-5  Ωm ( sølv : ≈ 10 ⁻⁸  Ω m) kan falde. I 2000 modtog de Nobelprisen i kemi for dette (se afsnittet organiske halvledere ).

Klassifikation

De klassiske, dvs. krystallinske elektroniske halvledere, der anvendes i mikroelektronik, kan klassificeres i to grupper, elementhalvledere og sammensatte halvledere . Elementhalvledere inkluderer elementer med fire valenselektroner , for eksempel silicium (Si) og germanium (Ge). Gruppen af ​​sammensatte halvledere inkluderer kemiske forbindelser, der har et gennemsnit på fire valenselektroner. Disse inkluderer forbindelser af grundstoffer af III. med V hovedgruppe i det periodiske system ( III-V sammensatte halvledere ) , såsom galliumarsenid (GaAs) eller indium antimonide (InSb), og II. datterselskab med VI. Hovedgruppe (II-VI halvledere) , såsom zinkselenid (ZnSe) eller cadmiumsulfid (CdS).

Ud over disse ofte anvendte halvledere er der også I-VII halvledere , såsom kobber (I) chlorid . Selv materialer, der i gennemsnit ikke har fire valenselektroner, kan kaldes halvledere, hvis de har en specifik modstand i området større end 10 ⁻⁴  Ω · m og mindre end ¹⁰⁶  Ω · m.

Organiske halvledere er en anden stor klasse . De kaldes organiske, fordi de hovedsageligt er sammensat af kulstofatomer. De er opdelt i halvledende polymerer (kæder af individuelle monomerer i forskellige længder) og små molekyler (individuelle, selvstændige enheder). Selvom fullerener , carbon-nanorør og deres derivater strengt taget også er små molekyler, opfattes de ofte som en enkelt undergruppe. Klassiske eksempler på organiske halvledere er P3HT (poly-3-hexylthiophen, polymer), pentacen (lille molekyle) eller PCBM ( phenyl-C61-smørsyre-methylester , fullderenderivat). Organiske halvledere anvendes i lysemitterende dioder (OLED'er), solceller (OPV'er) og felteffekttransistorer.

Flere halvledende molekyler eller atomer kombineres for at danne en krystal eller skabe et uordnet (amorft) fast stof. De fleste uorganiske halvledere kan groft klassificeres som krystallinske, og de fleste organiske halvledere er amorfe. Hvorvidt der faktisk dannes et krystal eller et amorft fast stof, afhænger i høj grad af fremstillingsprocessen. F.eks. Kan silicium være krystallinsk (c-Si) eller amorft (a-Si), eller det kan også danne en polykrystallinsk blandet form (poly-Si). Der er også enkeltkrystaller lavet af organiske molekyler.

Krystallinske halvledere

Fysiske basics

Diamantstruktur ( enhedscelle )

Zink blende struktur (enhedscelle)

Halvlederegenskaberne for stoffer er baseret på deres kemiske bindinger og dermed deres atomstruktur. Halvledere kan krystallisere i forskellige strukturer . Silicium og germanium krystalliserer i diamantstrukturen (rent kovalent binding ) og III-V og II-VI- sammensatte halvledere på den anden side hovedsagelig i zinkblendestrukturen (blandet kovalent-ionisk binding).

Båndmodel af typiske metaller, indre halvledere og isolatorer: E  =  energi - svarer til arbejde W , x  = rumlig ekspansion i en-dimensionel retning, E _F er Fermi-energien ved T  = 0 K

De grundlæggende egenskaber ved krystallinske halvledere kan forklares ved hjælp af båndmodellen : Elektronerne i faste stoffer interagerer med hinanden over et stort antal atomafstande. Faktisk fører dette til en udvidelse af de mulige energiværdier (som stadig er til stede som diskrete niveauer i det enkelte atom) til dannelse af udvidede energiområder, de såkaldte energibånd . Da energibåndene er forskellige fra hinanden afhængigt af ekspansion og atomart, kan bånd overlappe hinanden eller adskilles af energiområder, hvor der ifølge kvantemekanik ikke findes nogen tilladte tilstande (energi eller båndgab ).

I halvledere adskilles det højeste optagne energibånd ( valensbånd ) og det næste højere bånd ( ledningsbånd ) med et båndgab. Det Fermi niveauet er præcis i båndgab. Ved en temperatur tæt på absolut nul er valensbåndet fuldt optaget, og ledningsbåndet er helt gratis bærere. Da ledige bånd ikke leder elektrisk strøm på grund af mangel på bevægelige ladebærere, og ladebærere i fuldt optagede bånd ikke kan absorbere energi på grund af mangel på frie tilstande, der kan nås, leder halvledere ikke elektrisk strøm ved en temperatur tæt på absolut nul.

Delvis besatte strimler er nødvendige for ledningsprocessen, som kan findes i metaller ved at overlappe de ydre strimler ved enhver temperatur. Som nævnt ovenfor er dette ikke tilfældet med halvledere og isolatorer. Båndgabet (kaldet "forbudt bånd" eller "forbudt zone") i halvledere er i modsætning til isolatorer (typisk E _G  > 4 eV) relativt lille ( InAs : ≈ 0,4  eV , Ge : ≈ 0,7 eV, Si : ≈ 1.1 eV, GaAs : ≈ 1.4 eV, SiC : ≈ 2.39 ... 3.33 eV, GaN : ≈ 3.4 eV, β-Ga ₂ O ₃ : ≈ 4.8 eV, diamant : ≈ 5.45 eV), således at f.eks. varme fra oscillationer ved stuetemperatur eller absorption af lys kan excitere mange elektroner fra det fuldt optagne valensbånd til ledningsbåndet. Halvledere har derfor en iboende elektrisk ledningsevne, der stiger med temperaturen. Derfor tælles halvledere også blandt termistorer . Overgangen fra halvledere til isolatorer er flydende. For eksempel tælles også galliumnitrid (GaN; brugt i blå lysdioder ) med en båndgabsenergi på ≈ 3,2 eV blandt halvledere, men diamant med et båndgab på ≈ 5,5 eV er ikke længere. Halvleder med en båndgap, der er signifikant større end 1 eV, anvendes også som henholdsvis halvleder med et stort båndgab ( engelsk bredbåndsgab halvleder ).

Hvis en elektron i en halvleder som beskrevet ovenfor exciteres fra valensbåndet ind i ledningsbåndet, efterlader den en defektelektron , kaldet et "hul", på sin oprindelige placering . Bundne valenselektroner i nærheden af ​​sådanne huller kan ”hoppe” ind i et hul ved at ændre deres plads, og hullet bevæger sig. Det kan derfor ses som en mobil positiv ladning. Både de ophidsede elektroner og defektelektronerne bidrager således til elektrisk ledning.

Elektroner fra ledningsbåndet kan rekombineres med defektelektronerne (elektronhulls-rekombination). Denne overgang mellem de involverede niveauer kan finde sted med emission af elektromagnetisk rekombinationsstråling ( foton ) og / eller med udsendelse af en puls til krystalgitteret ( fonon ).

Direkte og indirekte halvledere

Båndstruktur af en ...

... indirekte halvleder

... direkte halvleder

Halvledere er opdelt i to grupper, direkte og indirekte halvledere. Deres forskellige egenskaber kan kun forstås ved at se på båndstrukturen i det, der er kendt som momentumrummet : Ladebærerne i halvlederen kan forstås som stofbølger med et kvasi - momentum . Inden for et bånd afhænger energien af ​​kvasi-momentum (ofte givet som en bølgevektor).

De ekstreme værdier af energien inden i båndene, dvs. båndkanterne, er ved forskellige bølgevektorer - hvor det nøjagtigt afhænger af materialet og strukturen. Når en elektron exciteres fra valensbåndet ind i ledningsbåndet, er det energisk mest gunstigt (og derfor mest sandsynligt), når det exciteres fra det maksimale af valensbåndet til minimumet af ledningsbåndet.

Hvis disse ekstremer er næsten på samme kvasi-momentum, er excitation, f.eks. Af en foton, let mulig, da elektronen kun skal ændre sin energi, ikke sin momentum. Man taler om en direkte halvleder . Men hvis ekstremerne har forskellige kvasi-impulser, skal elektronen ændre sit momentum ud over dets energi for at blive ophidset i ledningsbåndet. Denne impuls kan ikke komme fra en foton (som har en meget lille impuls), men skal bidrages med en gitteroscillation (også kaldet phonon ).

I princippet gælder det samme for rekombination af elektronhulpar. I en direkte halvleder kan der udsendes et lyskvantum under rekombination. I tilfælde af en indirekte halvleder skal der på den anden side genereres (eller absorberes) et fonon til pulsen ud over fotonet for energien, og den strålende rekombination bliver mindre sandsynlig. Andre ikke-strålende rekombinationsmekanismer dominerer derefter ofte, f.eks. B. Om urenheder. Det følger heraf, at kun direkte halvledere kan bruges til effektivt at generere stråling. Direkte og indirekte halvledere skelnes fra hinanden ved hjælp af en absorptionstest. Som regel er elementhalvledere ( silicium , germanium ) og sammensatte halvledere fra hovedgruppe IV indirekte, og sammensatte halvledere fra forskellige hovedgrupper (III / V: GaAs , InP, GaN) er direkte.

I tilfælde af en båndstruktur, hvor forskellige punkter er mulige i momentumrummet nær linjen eller valensbåndets kant, kan den såkaldte Gunn-effekt forekomme.

Indbyggede halvledere og urenhed halvledere

Tætheden af ​​frie elektroner og huller i rene, dvs. ikke-dopede, halvledere kaldes indre ladningsbærertæthed eller iboende ledningstæthed - en indre halvleder kaldes derfor også en indre halvleder, den dominerende ledningsmekanisme er indre ledning. Opladningsbærertætheden i den ikke-dopede halvleder er stærkt afhængig af temperaturen og øges med den. Hvis derimod koncentrationen af ​​ladningsbærerne i ledningsbåndet (elektroner) eller i valensbåndet (huller) bestemmes af dopemidlet, taler man om en urenhedsleder eller en ekstern halvleder - her er den dominerende ledningsmekanisme den urenhed ledning .

Doping og urenhedsledning

Donorer og acceptorer

De elektriske egenskaber af (rene) halvledere kan påvirkes ved at indføre urenheder i en halvlederkrystal. Urenheder er fremmede atomer, der adskiller sig i deres valens fra værtsmaterialets atomer, eksempler er bor eller fosfor i en siliciumkrystal. Processen kaldes generelt doping eller "doping". Derudover forskellige komponenter såsom. B. der kan produceres en bipolar transistor . I nogle halvledere kan selv de mindste mængder af fremmede atomer (fx et fremmed atom for hver 10 millioner halvlederatomer) føre til ekstreme ændringer i de elektriske egenskaber, der langt overstiger den indre halvleder.

Indførelsen af ​​urenheder skaber yderligere, lokalt bundne energiniveauer i krystalets bånddiagram. Niveauerne er generelt i energigabet ( båndgabet ) mellem de valens- og ledningsbånd, der ellers ville eksistere for værtsmaterialet . På grund af de lavere energiforskelle mellem de "mellemliggende niveauer" og valens- eller ledningsbåndet sammenlignet med ikke-dopede halvledere, kan disse niveauer lettere ophidses og dermed gøre mobile ladebærere tilgængelige. Det kemiske potentiale skifter fra midten af ​​båndgabet til nærheden af ​​de ekstra niveauer. Der er derfor flere ladebærere til rådighed til at lede den elektriske strøm, hvilket manifesterer sig i en øget ledningsevne sammenlignet med den rene halvleder. Denne ledningsmekanisme kaldes derfor også urenhedsledning . Der skelnes mellem to typer urenheder: donorer og acceptorer.

Visualisering af n-linjen (elektronlinje: grøn, venstre) og p-linjen (defekt elektronlinje: brun, højre) i en KI-krystal. Katoden (venstre) og anoden (højre) er Pt-spidser smeltet ind i krystallen.

Udenlandske atomer, der tilvejebringer yderligere elektroner i ledningsbåndet kaldes (elektron) donorer (Latin donare = at give); sådanne områder kaldes også n-dopede halvledere. Hvis sådanne fremmede atomer introduceres (substitueres) i halvlederen, bringer hvert af disse fremmede atomer (i tilfælde af silicium doteret med fosfor) en elektron med sig, hvilket ikke er nødvendigt for bindingen og let kan løsnes. Et urenhedsniveau dannes nær ledningsbåndets lavere energi.

Tilsvarende er (elektron) acceptorer (latin: accipere = at acceptere) fremmede atomer, der har en elektron mindre i valensbåndet. Denne elektron mangler for båndet til det nærliggende atom. De fungerer som en yderligere defektelektron (hul) med (p-doping), som let kan optages af valensbåndselektroner - derfor bruges udtrykket huldonorer også i nogle overvejelser. I båndskemaet er et sådant urenhedsniveau tæt på over valensbåndets kant.

I en iboende halvleder er ladningsbærerkoncentrationerne af elektroner og huller de samme (elektron-hulpar). Derfor er begge typer ladebærere omtrent lige så involverede i ladetransport. Denne ligevægt kan påvirkes målrettet ved at introducere donorer og acceptorer.

I tilfælde af doping med donorer er det hovedsageligt elektronerne i ledningsbåndet, der sikrer elektrisk ledningsevne, i tilfælde af doping med acceptorer de imaginære, positivt ladede huller i valensbåndet. I det første tilfælde taler man om elektronledning eller n-ledning (n → negativ), i det andet tilfælde hulledning eller p-ledning (p → positiv). Halvlederområder med et overskud af elektroner kaldes n-doteret (som nævnt ovenfor) , dem med mangler, dvs. med "overskydende huller", som p-dopet . I n-lederen kaldes elektronerne majoritetsladningsbærere (ladebærere til stede i flertallet), hullerne kaldes mindretalsladningsbærere, i p-lederen gælder den tilsvarende reversering. Ved smart at kombinere n- og p-dopede områder (se pn-krydset ) er det muligt at opbygge individuelle, såkaldte diskrete halvlederkomponenter såsom dioder og transistorer og komplekse integrerede kredsløb, der består af mange komponenter i en enkelt krystal . Ofte er de iboende halvledere i disse elektroniske komponenter endda forstyrrende (se f.eks. Lækstrøm ), så de undertiden skal afkøles eksplicit.

Ledningsmekanismer i dopede halvledere

Ledningsmekanismer i dopede og ikke-dopede halvledere (silicium) som en funktion af temperaturen

Ved absolut nul ( T  = 0 K) adskiller dopede og ikke-dopede halvledere sig ikke med hensyn til ladningsbærertæthed - der er ikke nok energi til rådighed til at excitere elektroner i ledningsbåndet eller til urenhedsniveauet. Hvis temperaturen øges (den tilgængelige energi øges på grund af termisk excitation), ændres forholdene. Da de energiske afstande mellem urenhederne og valens- eller ledningsbåndet er meget mindre end båndgabet, kan elektroner exciteres fra donorniveauet ind i ledningsbåndet eller huller fra acceptorniveauet ind i valensbåndet. Afhængig af temperaturen er gratis ladestationer tilgængelige, og ledningsevnen for dopede halvledere øges. Da ikke alle urenhedsniveauer er ioniseret eller optaget, kaldes dette område for urenhedsreserve . Hvis temperaturen forøges yderligere, indtil alle urenheder ioniseres eller besat, man taler om urenhed udtømning . Opladningsbærertætheden og dermed ledningsevnen afhænger i det væsentlige kun af dopingkoncentrationen i dette område. På grund af den faldende mobilitet med stigende temperatur har man i dette temperaturområde svarende til metaller i. A. En ledningsevne, der falder lidt med temperaturen. Hvis temperaturen hæves yderligere, er der så nok energi til rådighed til at løfte elektroner direkte fra valensbåndet til ledningsbåndet. Da typiske dopingkoncentrationer er signifikant lavere end antallet af halvlederatomer (mindst seks størrelsesordener), frembringer genereringen af ​​ladningsbærere fra elektronhulpar; dette område kaldes iboende eller selvledende halvleder.

Grænseflader

Kombinationen af ​​en p-dopet og en n-dopet halvleder skaber en pn-forbindelse ved grænsefladen . Kombinationen af ​​en doteret halvleder med et metal (fx Schottky-diode ) eller et dielektrikum er også af interesse, og når to halvledere, fx galliumarsenid og aluminiumgalliumarsenid , ligger oven på hinanden, resulterer en heterojunction . I denne sammenhæng er ikke kun pn-kryds vigtige, men også pp-kryds og nn-kryds, de såkaldte isotypiske heterojunktioner , som f.eks. Anvendes i en kvantebrønd .

Der er for nylig gjort en indsats for at kombinere halvledere, superledere og silicium og III-V halvledere på en chip. Da krystalstrukturerne ikke er kompatible, opstår brud og gitterdefekter i grænsefladen, hvis det ikke er muligt at finde egnede materialer til et mellemliggende lag, der er et par atomiske lag tykke, og hvor gitterafstanden kan justeres.

Semimagnetiske halvledere

Semimagnetisk halvleder hører til sammensatte halvleder ( engelske sammensatte halvledere ). Disse er forbindelser, såsom indium antimonide (InSb), som er doteret med et par procent mangan (Mn), og som stadig udviser semimagnetic egenskaber ved stuetemperatur . Også, indium arsenid (InAs) og galliumarsenid (GaAs) show, ved en høj dotering med mangan og derefter som InMnAs eller GaMnAs udpeget semi magnetiske egenskaber. Den Curie-temperaturen for InMnAs er 50-100 K og for GaMnAs 100-200 K og således et godt stykke under stuetemperatur. En karakteristisk egenskab ved disse halvmagnetiske halvledere er den store Zeeman-effekt . På engelsk kaldes semimagnetiske halvledere fortyndede magnetiske halvledere, fordi de er magnetisk fortyndet.

Amorfe halvledere

Amorfe halvledere har ikke en krystalstruktur. Et eksempel på dets tekniske anvendelse er amorft silicium i solceller . På grund af deres høje tæthed af urenheder skal de behandles forskelligt end krystallinske halvledere, f.eks. B. at muliggøre doping i første omgang.

Organiske halvledere

Generelt er organiske materialer elektrisk isolerende. Hvis molekyler eller polymerer har et konjugeret bindingssystem bestående af dobbeltbindinger, tredobbelte bindinger og aromatiske ringe, kan disse også blive elektrisk ledende og bruges som organiske halvledere. Dette blev først observeret i 1976 med polyacetylen . Polyacetylen er en uforgrenet polymer med en alternerende dobbeltbinding og enkeltbinding (–C═C─C═C–). Hvis denne plast stadig er en acceptor sådan. B. tilsat klor, brom eller iod (oxidativ doping) , er der yderligere huller. Ved at tilføje en donor som f.eks B. natrium (reduktiv doping) plasten modtager yderligere elektroner. Som et resultat af denne kemiske ændring brydes dobbeltbindingerne, og der oprettes et kontinuerligt ledningsbånd: den oprindeligt ikke-ledende polymer bliver elektrisk ledende. Hvis molekyler eller polymerer har halvledende egenskaber selv i den ikke-dopede tilstand, taler man om den indre ledningsevne (indre ledningsevne), som i tilfældet med uorganiske halvledere, f.eks. B. pentacen eller poly (3-hexylthiophen) . Hvis plasten produceres i form af et tyndt lag 5 til 1000 nm tykt, bestilles det nok til at danne et elektrisk kontinuerligt lag.

Anvendelsesområder

Halvledere anvendes i forskellige former inden for elektronik. Det tilknyttede underområde kaldes halvlederelektronik . Disse inkluderer frem for alt de halvlederbaserede integrerede kredsløb (IC'er, såsom mikroprocessorer , mikrokontroller osv.) Og forskellige komponenter i effektelektronik (f.eks. IGBT'er ). Virksomheder i denne økonomiske sektor omtales også som halvlederproducenter . Yderligere anvendelsesområder med stigende betydning er solceller ( solceller ) såvel som detektorer og strålekilder i optik og optoelektronik ( f.eks. Fotodetektorer og lysemitterende dioder ). For at dække det brede spektrale spektrum af lysemitterende dioder fra infrarød til ultraviolet anvendes forskellige bredbåndsgap halvledere , som i stigende grad spiller en rolle i højfrekvens- og effektelektronik.

Afdelingen, der beskæftiger sig med fremstilling af halvlederbaserede mikroelektroniske komponenter og samlinger, er kendt som halvlederteknologi . Forudsætningen er viden om, hvordan halvlederen skal behandles for at opnå den ønskede elektriske adfærd. Dette inkluderer doping af halvlederen og design af grænsefladen mellem halvlederen og et andet materiale.

• 

  En skive (monokrystallinsk siliciumskive ) med mikroelektroniske komponenter

• 

  mikroprocessor

• 

  Polykrystallinske silicium solceller i et solmodul

økonomi

Globalt salg af halvledere fra 1993 til 2007

Efter at polysilicium var i høj efterspørgsel på grund af den store efterspørgsel fra solmarkedet i 2008/2009 steg prisen kraftigt. Dette har fået en række virksomheder til at begynde at bygge nye produktionsfaciliteter. De etablerede producenter udvidede også deres kapacitet. Derudover kommer nye udbydere - især fra Asien - ind på markedet.

Verdens største producent af wafere , inklusive sammensatte halvledere, er det japanske selskab Shin-Etsu Handotai (SEH) med et wafersalg på 4 milliarder dollars i 2007. Verdens næststørste producent, Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp. , er også japansk . (Sumco) havde et salg på 2,7 mia. Dollar samme år. Dette efterfølges af det tyske Siltronic AG ( Wacker ) med 1,8 milliarder dollars og det amerikanske firma MEMC Electronic Materials med 1,2 milliarder dollars. Disse fire virksomheder deler cirka 79% af det samlede Si wafer-marked på $ 12,5 mia.

Under den globale finanskrise (fra 2007) blev salget næsten halveret, i 2009 blev der kun solgt silicium til 6,7 milliarder dollars. I 2010 var salget allerede genoprettet til $ 9,7 mia.

Se også

• Tynd filmteknologi
• Bærestopeffekt
• Degenereret halvleder
• Halvleder topografi

litteratur

• Peter Y. Yu, Manuel Cardona: Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties. 3. Udgave. Springer 2004, ISBN 3-540-41323-5 .
• Marius Grundmann: Fysik af halvledere. En introduktion inklusive enhed og nanofysik. Springer 2006, ISBN 3-540-25370-X .
• Simon M.Sze , Kwok K. Ng: Physics of Semiconductor Devices. 3. Udgave. John Wiley & Sons 2006, ISBN 0-471-14323-5 .
• Michael Reisch: Halvlederkomponenter . Springer 2004, ISBN 3-540-21384-8 .
• Ulrich Hilleringmann: silicium halvlederteknologi . Teubner 2004, ISBN 3-519-30149-0 .
• Bernhard Hoppe: Mikroelektronik 1. Vogel-bog Kamprath-serie, 1997, ISBN 3-8023-1518-9 .
• Werner Gans: Kunsten at elektrificere plast. Nobelpris i kemi 2000. I: Spectrum of Science. Nr. 12, 2000, s. 16-19.
• Kai Handel: Begyndelsen af ​​halvlederforskning og -udvikling. Vist i biografierne fra fire tyske halvlederpionerer . Aachen 1999 ( PDF - doktorafhandling). 

Weblinks

Wiktionary: Semiconductors  - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

• Ioffe Institute St. Petersburg - Fysiske data om halvledermaterialer
• Flash-animation til strømledning i halvledere (dwu-undervisningsmateriale)
• 3D-animationer om emnet ( Memento fra 2. maj 2008 i internetarkivet )

Individuelle beviser

1. ↑ Leonhard Stiny: Aktive elektroniske komponenter: design, struktur, driftsform, egenskaber og praktisk anvendelse af diskrete og integrerede halvlederkomponenter . Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-658-14387-9 , pp. 7 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning [åbnet 23. december 2016]). 
2. ↑ Ferdinand Braun: Om den nuværende linje gennem svovlmetaller . I: Annaler for fysik og kemi . bånd 153 , nr. 4 , 1874, s. 556-563 ( digitaliseret version ). 
3. ↑ Patent US836531 : Midler til modtagelse af intelligens kommunikeret med elektriske bølger. Offentliggjort 20. november 1905 , opfinder: Greenleaf Whittier Pickard . ‌
4. Ed Jed Margolin: Vejen til transistoren . 2004.
5. ↑ Patent US1745175 : Metode og apparatur til styring af elektriske strømme. Opfinder: Julius Edgar Lilienfeld (første gang registreret den 22. oktober 1925 i Canada). ‌
6. Hold Reinhold Paul: felteffekt transistorer - fysiske principper og egenskaber. Verlag Berliner Union et al., Stuttgart 1972, ISBN 3-408-53050-5 .
7. ↑ Hideki Shirakawa, Edwin J. Louis, Alan G. MacDiarmid, Chwan K. Chiang, Alan J. Heeger: Syntese af elektrisk ledende organiske polymerer: halogenderivater af polyacetylen, (CH) x . I: J. Chem. Soc., Chem. Commun. Ingen. 16 , 1977, s. 578-580 , doi : 10.1039 / C39770000578 . 
8. ↑ CK Chiang, CR Fincher, YW Park, AJ Heeger, H. Shirakawa, EJ Louis, SC Gau, AG MacDiarmid: Elektrisk ledningsevne i dopet polyacetylen . I: Physical Review Letters . bånd 39 , nr. 17 , 1977, s. 1098-1101 , doi : 10.1103 / PhysRevLett.39.1098 . 
9. ↑ Stefan Goßner: Grundlæggende om elektronik. 11. udgave. Shaker 2019, ISBN 978-3-8440-6784-2 , kapitel 1: "Semiconductors"
10. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Lærebog i uorganisk kemi . 101. udgave. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , s. 1312.
11. ↑ Teknologiens verden: Superledende chips - en drøm om fremtiden?
12. ^ Muoner i magnetiske halvledere. Triumf.info, adgang 19. september 2010 . 
13. ↑ H. Ohno, A. Shen, F. Matsukura, A. Oiwa, A. Endo, S. Katsumoto, Y. Iye: (Ga, Mn) As: En ny fortyndet magnetisk halvleder baseret på GaA'er . I: Anvendt fysikbogstaver . bånd 69 , nr. 3 , 15. juli 1996, s. 363-365 , doi : 10.1063 / 1.118061 , bibcode : 1996ApPhL..69..363O . 
14. ↑ CK Chiang et al .: Elektrisk ledningsevne i dopet polyacetylen. I: Physical Review Letters 39, 1977, s. 1098-1101.
15. ↑ Robert Schramm, Lauren Licuanan: Feedback formular Solar Silicon konferencen . 28. april 2010.
16. ↑ Timothy Lam: Asia Solar View - Maj 2010 , 3. maj 2010.
17. Art Gartner siger, at verdensomspændende indtægter fra Silicon Wafer nåede $ 12,5 billioner i 2007 . Gartner, Inc., 11. juni 2008, adgang til 5. maj 2010 (pressemeddelelse).
18. ↑ Forsendelser af Silicon Wafer når rekordniveauer i 2010. (Ikke længere tilgængelig online.) I: Semi.org. 8. februar 2011, arkiveret fra originalen den 9. maj 2018 ; adgang i 2018 .