halvleder

Halvledere er faste stoffer som har elektrisk ledningsevne er mellom den for elektriske ledere (10> 4  S / cm) og den til ikke-ledere (<10 -8 S / cm). Siden grenseområdene til de tre gruppene overlapper hverandre, er den negative temperaturkoeffisienten til den spesifikke motstanden et annet viktig kjennetegn ved halvledere, det vil si at deres ledningsevne øker med økende temperatur, de er såkalte termistorer . Årsaken til dette er det såkalte båndgapet mellom valens- og ledningsbånd . Nær absolutt temperatur null er disse helt eller ledige, og halvledere er derfor ikke-ledere. I motsetning til metaller er det primært ingen gratis bærere. B. oppstår ved oppvarming. Den elektriske ledningsevnen til halvledere øker bratt med temperaturen, slik at de ved romtemperatur er mer eller mindre ledende, avhengig av den materialspesifikke avstanden mellom lednings- og valensbånd. Videre, ved å innføre fremmede atomer ( doping ) fra en annen hovedkjemisk gruppe, kan ledningsevnen og ledningskarakteren (elektron- og hullledning ) påvirkes spesifikt innenfor vide grenser.

Halvledere er delt inn i krystallinske og amorfe halvledere basert på deres krystallstruktur ; se avsnitt klassifisering . Videre kan de ha forskjellige kjemiske strukturer. Det mest kjente er element halvledere silisium og germanium , som er sammensatt av et enkelt element, og sammensatte halvledere slik som III-V sammensatte halvleder galliumarsenid . I tillegg har organiske halvledere fått betydning og popularitet de siste tiårene ; de brukes for eksempel i organiske lysdioder (OLED). Imidlertid er det også andre stoffer med halvlederegenskaper, som f.eks B. organometalliske halvledere samt materialer som tilegner seg halvlederegenskaper gjennom nanostrukturering. Splitter nye er ternære hydridforbindelser som litium - barium - hydrid (LiBaH 3 ).

Halvledere er viktige for elektroteknikk og spesielt for elektronikk , hvor muligheten for å påvirke deres elektriske ledningsevne gjennom doping spiller en avgjørende rolle. Kombinasjonen av forskjellige dopede områder, f.eks. B. pn-krysset , muliggjør begge elektroniske komponenter med retningsavhengig ledningsevne ( diode , likeretter ) eller en bryterfunksjon (z. B. transistor , tyristor , fotodiode ), z. B. kan styres ved å påføre en elektrisk spenning eller en strøm (se arbeidsforhold i metall-isolator-halvlederstruktur ). Andre applikasjoner i tillegg til transistoren er: NTC-termistorer , varistorer , strålingssensorer ( fotoledere , fotoresistorer , fotodioder eller solceller ), termoelektriske generatorer , Peltier-elementer og stråling eller lyskilder ( laserdiode , lysdiode ). Flertallet av alle produserte halvlederinnretninger er silisiumbasert . Silisium har ikke de aller beste elektriske egenskapene (f.eks. Ladningsbærermobilitet ), men i kombinasjon med dets kjemisk stabile oksid har det klare fordeler i produksjonen (se også termisk oksidasjon av silisium ).

historie

Stephen Gray oppdaget forskjellen mellom ledere og ikke-ledere i 1727. Etter at Georg Simon Ohm etablerte Ohms lov i 1821 , som beskriver proporsjonaliteten mellom strøm og spenning i en elektrisk leder, kunne også ledningsevnen til et objekt bestemmes.

Den nobelprisvinner Ferdinand Braun oppdaget rette opp effekten av halvledere i 1874. Han skrev: “Med et stort antall av naturlige og kunstige svovel metaller [...] Jeg fant at motstanden i samme avvek med retning, intensitet og varighet av den nåværende. Forskjellene er opptil 30 PCT. av alle verdiene. ”Med dette beskrev han for første gang at motstanden kan endres.

Greenleaf Whittier Pickard mottatt den første patent i 1906 for et silisiumbasert spiss diode for å demodulere bæresignalet på en detektor mottaker . Opprinnelig, i den samme mottakeren (" Pickard Crystal Radio Kit for det meste"), ble galena brukt som halvledere, på 1920-tallet, mer robuste og kraftigere dioder basert på kobbersulfidkontakter. Funksjonen av likerettereffekten basert på en halvleder-metallovergang forble uforklarlig i flere tiår til tross for sin tekniske anvendelse. Det var først i 1939 at Walter Schottky var i stand til å legge det teoretiske grunnlaget for å beskrive Schottky-dioden oppkalt etter ham .

Det første patentet på transistorens prinsipp ble søkt om i 1925 av Julius Edgar Lilienfeld (amerikansk fysiker av østerriksk-ungarsk avstamning). I sitt arbeid beskrev Lilienfeld en elektronisk komponent som i vid forstand er sammenlignbar med dagens felteffekt-transistorer, og på det tidspunktet manglet han de nødvendige teknologiene for å implementere felteffekt-transistorer i praksis.

Da forskere John Bardeen , William Bradford Shockley og Walter Houser Brattain ved Bell Laboratories i 1947 satte to metalltrådspisser på en germaniumplate og var dermed i stand til å kontrollere den p-ledende sonen med den andre ledningsspissen med en elektrisk spenning, innså de at tip transistor ( bipolar transistor ). Dette ga dem 1956 Nobelprisen i fysikk og grunnla mikroelektronikk.

I 1954, Eberhard Spenke og hans lag ved Siemens & Halske AG lykkes i fremstilling av høyren silisium ved hjelp av sonesmelteprosess . På midten av 1950-tallet førte dette sammen med tilgjengeligheten av et isolasjonsmateriale ( silisiumdioksid ) med gunstige egenskaper (ikke vannløselig som germaniumoksid , lett å produsere osv.) Gjennombrudd av silisium som et halvledermateriale for elektronikkindustrien og omtrent 30 år senere for de første produktene av mikrosystemteknologi . For produksjon av integrerte kretser i dag (2009) brukes nesten utelukkende silisium som produseres billigere ved bruk av Czochralski-prosessen .

Alan Heeger , Alan MacDiarmid og Hideki Shirakawa viste i 1976 at når polyacetylen  - en polymer som er en isolator i udopet tilstand - er dopet med oksidasjonsmidler, er den spesifikke elektriske motstanden nede på 10 −5  Ωm ( sølv : ≈ 10 −8  Ω m) kan reduseres. I 2000 mottok de Nobelprisen i kjemi for dette (se avsnitt organiske halvledere ).

Klassifisering

De klassiske, dvs. krystallinske elektroniske halvledere som brukes i mikroelektronikk, kan klassifiseres i to grupper, elementhalvledere og sammensatte halvledere . Elementhalvledere inkluderer elementer med fire valenselektroner , for eksempel silisium (Si) og germanium (Ge). Gruppen av sammensatte halvledere inkluderer kjemiske forbindelser som har et gjennomsnitt på fire valenselektroner. Disse inkluderer forbindelser av grunnstoffer av III. med V-hovedgruppen i det periodiske systemet ( III-V sammensatte halvledere ) , slik som galliumarsenid (GaAs) eller indiumantimonid (InSb), og datterselskapet II med VI. Hovedgruppe (II-VI halvledere) , for eksempel sinkselenid (ZnSe) eller kadmiumsulfid (CdS).

I tillegg til disse ofte brukte halvledere, er det også I-VII halvledere , slik som kobber (I) klorid . Og med materialer som ikke har fire valenselektroner i gjennomsnitt kan kalles halvledere hvis de har en spesifikk motstand i området fra større enn 10 -4  Ω · m og mindre enn 10 6  Ω nm.

Organiske halvledere er en annen stor klasse . De kalles organiske fordi de hovedsakelig er sammensatt av karbonatomer. De er delt inn i halvledende polymerer (kjeder av individuelle monomerer med forskjellige lengder) og små molekyler (individuelle, selvstendige enheter). Selv om fullerener , karbonnanorør og deres derivater strengt tatt også er små molekyler, blir de ofte oppfattet som en enkelt undergruppe. Klassiske eksempler på organiske halvledere er P3HT (poly-3-heksyltiofen, polymer), pentacen (lite molekyl) eller PCBM ( fenyl-C61-smørsyre metylester , fullerenderivat). Organiske halvledere brukes i lysdioder (OLED), solceller (OPV) og felteffekt-transistorer.

Flere halvledende molekyler eller atomer kombineres for å danne en krystall eller skape et uordnet (amorf) fast stoff. De fleste uorganiske halvledere kan grovt sett klassifiseres som krystallinske, og de fleste organiske halvledere som amorfe. Hvorvidt det faktisk dannes et krystall eller et amorft fast stoff, avhenger i stor grad av produksjonsprosessen. For eksempel kan silisium være krystallinsk (c-Si) eller amorft (a-Si), eller det kan også danne en polykrystallinsk blandet form (poly-Si). Det er også enkeltkrystaller laget av organiske molekyler.

Kjemisk klassifisering
Element halvledere Sammensatt halvleder (uten organisasjon HL) Organiske halvledere
Si , Ge , Se , α- Sn , B ,
Te , C  ( fullerener ),
C  ( CVD )
III-V : GAP , GaAs , InP , InSb , InAs , GaSb , Gan ,
AlN , Inn , Al x Ga 1-x As , I x Ga 1-x N
Tetracen , pentacene , polythiophene ,
fthalocyanine , PTCDA , MePTCDI ,
quinacridone , acridone , indanthron ,
flavanthron , perinone , Alq3
II-VI : ZnO , ZnS , ZnSe , ZnTe , CdS , CdSe , CdTe ,
Hg (1-x) Cd (x) Te , BeSe , BeTe , HgS
Under høyt trykk:
BiCa , Sr , Ba , Yb , P ,
S , I
III-VI: GaS , GaSe , GaTe , InS , InSe , InTe ...
I-III-VI: CuInSe 2 , CuInGaSe 2 , CuInS 2 , CuInGaS 2 ... Blandede systemer:
polyvinylkarbazol , TCNQ- komplekser
IV-IV: SiC , SiGe
IV-VI: SnTe
β-Ga 2 O 3

Krystallinske halvledere

Fysiske grunnleggende

Diamanter gitter.svg
Sphalerite polyhedra.png


Diamantstruktur ( enhetscelle )
Sinkblendestruktur (enhetscelle)

Halvlederegenskapene til stoffer er basert på deres kjemiske bindinger og dermed deres atomstruktur. Halvledere kan krystallisere seg i forskjellige strukturer . Silisium og germanium krystalliserer i diamantstrukturen (rent kovalent binding ) og III-V og II-VI sammensatte halvledere, derimot, hovedsakelig i sinkblendestrukturen (blandet kovalent-ionisk binding).

Båndmodell for typiske metaller, indre halvledere og isolatorer: E  =  energi - tilsvarer arbeid W , x  = romlig utvidelse i endimensjonal retning, E F er Fermi-energien ved T  = 0 K

De grunnleggende egenskapene til krystallinske halvledere kan forklares ved hjelp av båndmodellen : Elektronene i faste stoffer samhandler med hverandre over et stort antall atomavstander. Faktisk fører dette til en utvidelse av de mulige energiverdiene (som fremdeles er til stede som diskrete nivåer i det enkelte atom) for å danne utvidede energiområder, de såkalte energibåndene . Siden energibåndene er forskjellige fra hverandre, avhengig av ekspansjon og atomtype, kan bånd overlappe eller skilles fra energiområder der, ifølge kvantemekanikken, ingen tillatte tilstander eksisterer (energi eller båndgap ).

I halvledere er det høyeste okkuperte energibåndet ( valensbånd ) og det neste høyere båndet ( ledningsbånd ) skilt av et båndgap. Den Fermi-nivået er nøyaktig i bandet gapet. Ved en temperatur nær absolutt null er valensbåndet fullt opptatt og ledningsbåndet er helt gratis bærere. Siden ledige bånd ikke leder elektrisk strøm på grunn av mangel på bevegelige ladebærere og ladebærere i fullt opptatt bånd ikke kan absorbere energi på grunn av mangel på frie tilstander som kan nås, leder ikke halvledere elektrisk strøm ved en temperatur nær absolutt null.

Delvis okkuperte striper er nødvendige for ledningsprosessen, som kan finnes i metaller ved å overlappe de ytre stripene ved enhver temperatur. Som nevnt ovenfor, er dette ikke tilfelle med halvledere og isolatorer. Båndgapet (kalt "forbudt bånd" eller "forbudt sone") i halvledere er, i motsetning til isolatorer (typisk E G  > 4 eV), relativt lite ( 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), slik at for eksempel energien til varmsvingningene ved romtemperatur eller absorpsjonen av lys kan begeistre mange elektroner fra det fullt okkuperte valensbåndet til ledningsbåndet. Halvledere har derfor en egen elektrisk ledningsevne som øker med temperaturen. Derfor regnes også halvledere blant termistorene . Overgangen fra halvledere til isolatorer er flytende. For eksempel regnes også galliumnitrid (GaN; brukt i blå lysdioder ) med en båndgapsenergi på ≈ 3,2 eV blant halvledere, men diamant med et båndgap på ≈ 5,5 eV er ikke lenger. Halvleder med en båndgap som er betydelig større enn 1 eV, brukes også som henholdsvis halvleder med stort båndgap ( engelsk bredbåndsgap halvleder ).

Hvis, som beskrevet ovenfor, et elektron i en halvleder blir eksitert fra valensbåndet inn i ledningsbåndet, etterlater det et defektelektron , kalt et "hull", på sin opprinnelige plassering . Bundne valenselektroner i nærheten av slike hull kan "hoppe" inn i et hull ved å endre plass, og hullet beveger seg. Det kan derfor sees på som en mobil positiv ladning. Både de eksiterte elektronene og defektelektronene bidrar dermed til elektrisk ledning.

Elektroner fra ledningsbåndet kan rekombinere med defektelektronene (elektronhulls-rekombinasjon). Denne overgangen mellom nivåene som er involvert kan skje med utslipp av elektromagnetisk rekombinasjonsstråling ( foton ) og / eller med utslipp av en puls til krystallgitteret ( fonon ).

Direkte og indirekte halvledere

Bandstruktur av en ...
Bandstruktur - indirekte båndovergang
Bandstruktur - direkte båndovergang


... indirekte halvleder
... direkte halvleder

Halvledere er delt inn i to grupper, direkte og indirekte halvledere. De forskjellige egenskapene deres kan bare forstås ved å se på båndstrukturen i det som er kjent som momentumområdet : Ladebærerne i halvlederen kan forstås som materiebølger med kvasi - momentum . Innenfor et bånd avhenger energien av kvasi-momentum (ofte gitt som en bølgevektor).

De ekstreme verdiene av energien i båndene, dvs. båndkantene, er ved forskjellige bølgevektorer - der det avhenger nøyaktig av materialet og strukturen. Når et elektron blir eksitert fra valensbåndet inn i ledningsbåndet, er det energisk mest gunstig (og derfor mest sannsynlig) når det blir eksitert fra det maksimale av valensbåndet til minimum ledningsbåndet.

Hvis disse ekstremene nesten har samme kvasi-momentum, er eksitasjon, for eksempel av et foton, lett mulig, siden elektronet bare trenger å endre sin energi, ikke sin fremdrift. Man snakker om en direkte halvleder . Imidlertid, hvis ytterpunktene har forskjellige kvasi-impulser, må elektronen endre momentum i tillegg til sin energi for å bli begeistret i ledningsbåndet. Denne impulsen kan ikke komme fra et foton (som har en veldig liten impuls), men må bidra med en gitteroscillasjon (også kalt fonon ).

I prinsippet gjelder det samme for rekombinasjon av elektronhullpar. I en direkte halvleder kan et lyskvantum sendes ut under rekombinasjon. I tilfelle av en indirekte halvleder, derimot, må det genereres (eller absorberes) et fonon for pulsen i tillegg til fotonet for energien, og den strålende rekombinasjonen blir mindre sannsynlig. Andre, ikke-strålende rekombinasjonsmekanismer dominerer da ofte, f.eks. B. Om urenheter. Det følger av dette at bare direkte halvledere kan brukes til å generere stråling effektivt. Direkte og indirekte halvledere skiller seg fra hverandre ved hjelp av en absorpsjonstest. Som regel er elementhalvledere ( silisium , germanium ) og sammensatte halvledere fra hovedgruppe IV indirekte og sammensatte halvledere fra forskjellige hovedgrupper (III / V: GaAs , InP, GaN) er direkte.

I tilfelle av en båndstruktur der forskjellige punkter er mulige i momentumområdet nær linjen eller valensbåndkanten, kan den såkalte Gunn-effekten oppstå.

Intrinsiske halvledere og urenhets halvledere

Tettheten av frie elektroner og hull i rene, dvs. udopede, halvledere kalles egenladningsbærertetthet eller indre ledningstetthet - en egen halvleder kalles derfor også en indre halvleder, den dominerende ledningsmekanismen er indre ledning. Ladebærertettheten i den ikke-dopede halvlederen er sterkt avhengig av temperaturen og øker med den. Hvis derimot konsentrasjonen av ladningsbærerne i ledningsbåndet (elektroner) eller i valensbåndet (hull) bestemmes av dopemidlet, snakker man om en urenhet halvleder eller ekstrinsisk halvleder - her er den dominerende ledningsmekanismen den urenhet conduction .

Doping og urenheter

Givere og aksepterere

Grad av doping av silisium
Dopingstyrke n-ledende p-type
normal doping en giver på 10 7 en aksepterer på 10 6
tung doping en giver på 10 4 en aksepterer på 10 4

De elektriske egenskapene til (rene) halvledere kan påvirkes ved å innføre urenheter i en halvlederkrystall. Urenheter er fremmede atomer, som avviker i valens fra atomer i vertsmaterialet, eksempler er bor eller fosfor i en silisiumkrystall. Prosessen er vanligvis referert til som doping eller “doping”. I tillegg forskjellige komponenter slik. B. en bipolar transistor kan produseres. I noen halvledere kan til og med de minste mengder fremmede atomer (f.eks. Et fremmed atom for hver 10 millioner halvlederatomer) føre til ekstreme endringer i de elektriske egenskapene som langt overstiger den indre halvlederen.

Innføringen av urenheter skaper ytterligere, lokalt bundet energinivå i bånddiagrammet til krystallet. Nivåene ligger vanligvis i energigapet ( båndgapet ) mellom valens- og ledningsbånd som ellers ville eksistert for vertsmaterialet . På grunn av de lavere energiforskjellene mellom "mellomnivåene" og valens- eller ledningsbåndet sammenlignet med udopede halvledere, kan disse nivåene lettere opphisses og dermed gjøre mobilladningsbærere tilgjengelige. Det kjemiske potensialet skifter fra midten av båndgapet til nærheten av tilleggsnivåene. Det er derfor flere ladebærere tilgjengelig for å lede den elektriske strømmen, noe som manifesterer seg i en økt ledningsevne sammenlignet med den rene halvlederen. Denne ledningsmekanismen kalles derfor også forurensningsledning . Det skilles mellom to typer urenheter: givere og akseptorer.

Visualisering av n-linjen (elektronlinje: grønn, venstre) og p-linje (defekt elektronlinje: brun, høyre) i en KI-krystall. Katoden (venstre) og anoden (høyre) er Pt-spisser smeltet inn i krystallet.

Utenlandske atomer som gir ekstra elektroner i ledningsbåndet kalles (elektron) donorer (Latin donare = å gi); slike områder kalles også n-dopede halvledere. Hvis slike fremmede atomer blir introdusert (substituert) i halvlederen, fører hvert av disse fremmede atomer (i tilfelle silisium dopet med fosfor) et elektron med seg, som ikke er nødvendig for bindingen og lett kan løsnes. Et urenhetsnivå dannes nær ledningsbåndets lavere energi.

På samme måte er (elektron) akseptorer (latin: accipere = å akseptere) fremmede atomer som har ett elektron mindre i valensbåndet. Dette elektronet mangler for båndet til det nærliggende atomet. De fungerer som en ekstra defektelektron (hull) med (p-doping), som lett kan okkuperes av valensbåndelektroner - derfor brukes begrepet huldonorer også i noen betraktninger. I båndskjemaet er et slikt urenhetsnivå nær over valensbåndkanten.

I en egen halvleder er ladningsbærerkonsentrasjonene av elektroner og hull de samme (elektronhullspar). Derfor er begge typer ladebærere omtrent like involvert i ladetransport. Denne balansen kan påvirkes målrettet ved å introdusere givere og akseptorer.

Når det gjelder doping med givere, er det hovedsakelig elektronene i ledningsbåndet som sikrer elektrisk ledningsevne, i tilfelle doping med akseptorer de imaginære, positivt ladede hullene i valensbåndet. I det første tilfellet snakker man om elektronledning eller n-ledning (n → negativ), i det andre tilfellet hullledning eller p-ledning (p → positiv). Halvlederområder med et overskudd av elektroner blir referert til som n-dopet (som nevnt ovenfor) , de med mangler, dvs. med "overflødige hull", som p-dopet . I n-lederen kalles elektronene majoritetsladningsbærere (ladebærere til stede i flertall), hullene kalles minoritetsladningsbærere, i p-lederen gjelder den tilsvarende reverseringen. Ved smart å kombinere n- og p-dopede områder (se pn-kryss ) er det mulig å bygge individuelle, såkalte diskrete halvlederkomponenter som dioder og transistorer og komplekse integrerte kretser som består av mange komponenter i en krystall . Ofte er de indre halvledere i disse elektroniske komponentene til og med forstyrrende (se f.eks. Lekkasjestrøm ), slik at de noen ganger må avkjøles eksplisitt.

Ledningsmekanismer i dopede halvledere

Ledningsmekanismer i dopede og udopede halvledere (silisium) som en funksjon av temperaturen

Ved absolutt null ( T  = 0 K) skiller ikke dopede og udopede halvledere seg ikke med hensyn til ladningsbærertetthet - det er ikke nok energi tilgjengelig til å begeistre elektroner i ledningsbåndet eller til urenhetsnivået. Hvis temperaturen økes (den tilgjengelige energien øker på grunn av termisk eksitasjon), endres forholdene. Siden de energiske avstandene mellom urenhetene og valens- eller ledningsbåndet er mye mindre enn båndgapet, kan elektroner eksiteres fra givernivået inn i ledningsbåndet eller hull fra akseptornivået til valensbåndet. Avhengig av temperaturen er gratis ladestasjoner tilgjengelig og ledningsevnen til dopede halvledere øker. Siden ikke alle urenhetsnivåer er ionisert eller okkupert, kalles dette området urenhetsreserven . Hvis temperaturen økes ytterligere til alle urenhetsnivåer er ionisert eller opptatt, snakker man om urenhetsutarmning . Ladebærertettheten og dermed ledningsevnen avhenger i det vesentlige bare av dopingkonsentrasjonen i dette området. På grunn av den reduserte mobiliteten med økende temperatur, har man i dette temperaturområdet lik metaller i. A. En ledningsevne som avtar litt med temperaturen. Hvis temperaturen økes ytterligere, er det da nok energi tilgjengelig til å løfte elektroner direkte fra valensbåndet til ledningsbåndet. Siden typiske dopingkonsentrasjoner er betydelig lavere enn antall halvlederatomer (minst seks størrelsesordener), er genereringen av ladningsbærere fra elektronhullspar dominerende; dette området blir referert til som egen- eller selvledning av halvlederen.

Grensesnitt

Kombinasjonen av en p-dopet og en n-dopet halvleder skaper et pn-kryss ved grensesnittet . Kombinasjonen av en dopet halvleder med et metall (f.eks. Schottky-diode ) eller et dielektrikum er også av interesse, og når to halvledere, for eksempel galliumarsenid og aluminiumgalliumarsenid , ligger oppå hverandre, resulterer et heterojunksjon . I denne sammenheng er ikke bare pn-kryss viktige, men også pp-kryss og nn-kryss, de såkalte isotypiske heterojunksjonene , som for eksempel brukes i en kvantebrønn .

Det er nylig gjort en innsats for å kombinere halvledere, superledere og silisium- og III-V-halvledere på en chip. Siden krystallstrukturene ikke er kompatible, oppstår brudd og gitterdefekter i grensesnittet hvis det ikke er mulig å finne egnede materialer for et mellomlag som er noen få atomslag tykk og hvor gitteravstanden kan justeres.

Semimagnetiske halvledere

Semimagnetisk halvleder tilhører sammensatte halvleder ( engelsk sammensatte halvledere ). Dette er forbindelser som indiumantimonid (InSb), som er dopet med noen få prosent mangan (Mn) og som fremdeles viser semimagnetiske egenskaper ved romtemperatur . Også indiumarsenid (InAs) og galliumarsenid (GaAs) viser, ved høy doping med mangan og deretter som InMnAs eller GaMnAs betegnet semi-magnetiske egenskaper. Den Curie-temperaturen for InMnAs er 50 til 100 K og for GaMnAs 100-200 K og dermed godt under romtemperatur. En karakteristisk egenskap ved disse halvmagnetiske halvledere er den store Zeeman-effekten . På engelsk kalles semimagnetiske halvledere fortynnede magnetiske halvledere fordi de er magnetisk fortynnet.

Amorfe halvledere

Amorfe halvledere har ikke krystallstruktur. Et eksempel på teknisk anvendelse er amorf silisium i solceller . På grunn av deres høye tetthet av urenheter, må de behandles annerledes enn krystallinske halvledere, f.eks. B. for å muliggjøre doping i utgangspunktet.

Organiske halvledere

Generelt er organiske materialer elektrisk isolerende. Hvis molekyler eller polymerer har et konjugert bindingssystem bestående av dobbeltbindinger, trippelbindinger og aromatiske ringer, kan disse også bli elektrisk ledende og brukes som organiske halvledere. Dette ble først observert i 1976 med polyacetylen . Polyacetylen er en uforgrenet polymer med en vekslende dobbeltbinding og enkeltbinding (–C═C─C═C–). Hvis denne plasten fortsatt er en akseptor slik. B. klor, brom eller jod tilsatt (oksidativ doping) , er det flere hull. Ved å legge til en donor som B. natrium (reduktiv doping) plasten mottar flere elektroner. Som et resultat av denne kjemiske endringen, brytes dobbeltbindingen og det opprettes et kontinuerlig ledningsbånd: den opprinnelig ikke-ledende polymeren blir elektrisk ledende. Hvis molekyler eller polymerer har halvledende egenskaper selv i udopert tilstand, snakker man om den indre ledningsevnen (indre ledningsevne), som i tilfelle uorganiske halvledere, f.eks. B. pentacene eller poly (3-heksyltiofen) . Hvis plasten produseres i form av et tynt lag 5 til 1000 nm tykt, er det ordnet nok til å danne et elektrisk kontinuerlig lag.

Bruksområder

Halvledere brukes i forskjellige former i elektronikk. Det tilhørende delområdet er referert til som halvlederelektronikk . Disse inkluderer fremfor alt halvlederbaserte integrerte kretser (IC-er, for eksempel mikroprosessorer , mikrokontroller osv.) Og forskjellige komponenter i kraftelektronikk (f.eks. IGBT-er ). Bedrifter i denne økonomiske sektoren blir også referert til som produsenter av halvledere . Ytterligere bruksområder med økende betydning er solceller ( solceller ) så vel som detektorer og strålingskilder i optikk og optoelektronikk ( f.eks. Fotodetektorer og lysdioder ). For å dekke det brede spektrumet av lysdioder fra infrarød til ultrafiolett, brukes forskjellige halvledere med bred båndgap , som i økende grad spiller en rolle i høyfrekvens- og kraftelektronikk.

Avdelingen som arbeider med produksjon av halvlederbaserte mikroelektroniske komponenter og samlinger er kjent som halvlederteknologi . Forutsetningen er kunnskapen om hvordan halvlederen må behandles for å oppnå ønsket elektrisk oppførsel. Dette inkluderer doping av halvlederen og utforming av grensesnittet mellom halvlederen og et annet materiale.

økonomi

Verdensomspennende salg av halvledere fra 1993 til 2007

Etter at polysilisium var i høy etterspørsel på grunn av den høye etterspørselen fra solmarkedet i 2008/2009, steg prisen kraftig. Dette har fått flere selskaper til å begynne å bygge nye produksjonsanlegg. De etablerte produsentene utvidet også kapasiteten. I tillegg kommer nye leverandører - spesielt fra Asia - inn i markedet.

Verdens største produsent av wafere , inkludert sammensatte halvledere, er det japanske selskapet Shin-Etsu Handotai (SEH) med vaflesalg på 4 milliarder dollar i 2007. Verdens nest største produsent, Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp. , er også japansk . (Sumco) omsatte for 2,7 milliarder dollar samme år. Dette følges av tyske Siltronic AG ( Wacker ) med 1,8 milliarder dollar og det amerikanske selskapet MEMC Electronic Materials med 1,2 milliarder dollar. Disse fire selskapene deler omtrent 79% av det totale Si wafer-markedet på 12,5 milliarder dollar.

Under den globale finanskrisen (fra 2007) ble salget nesten halvert, i 2009 ble bare silisium for 6,7 milliarder dollar solgt. I 2010 hadde salget allerede kommet seg til 9,7 milliarder dollar.

Se også

Portal: Mikroelektronikk  - Oversikt over Wikipedia-innhold om emnet mikroelektronikk

litteratur

  • Peter Y. Yu, Manuel Cardona: Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties. 3. Utgave. Springer 2004, ISBN 3-540-41323-5 .
  • Marius Grundmann: Fysikken til halvledere. En introduksjon inkludert enhet og nanofysikk. Springer 2006, ISBN 3-540-25370-X .
  • Simon M. Sze , Kwok K. Ng: Physics of Semiconductor Devices. 3. Utgave. John Wiley & Sons 2006, ISBN 0-471-14323-5 .
  • Michael Reisch: Halvlederkomponenter . Springer 2004, ISBN 3-540-21384-8 .
  • Ulrich Hilleringmann: silisiumhalvlederteknologi . Teubner 2004, ISBN 3-519-30149-0 .
  • Bernhard Hoppe: Microelectronics 1st Vogel book Kamprath series, 1997, ISBN 3-8023-1518-9 .
  • Werner Gans: Kunsten å elektrifisere plast. Nobelpris i kjemi 2000. I: Spectrum of Science. Nr. 12, 2000, s. 16-19.
  • Kai Handel: Begynnelser for halvlederforskning og utvikling. Vist i biografiene til fire tyske halvlederpionerer . Aachen 1999 ( PDF - doktoravhandling).

weblenker

Commons : Semiconductors  - samling av bilder, videoer og lydfiler
Wiktionary: Semiconductors  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

Individuelle bevis

  1. Leonhard Stiny: Aktive elektroniske komponenter: design, struktur, driftsmåte, egenskaper og praktisk bruk av diskrete og integrerte halvlederkomponenter . Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-658-14387-9 , pp. 7 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book Search [åpnet 23. desember 2016]).
  2. Ferdinand Braun: Om den nåværende linjen gjennom svovelmetaller . I: Annaler for fysikk og kjemi . teip 153 , nr. 4 , 1874, s. 556-563 ( digitalisert versjon ).
  3. Patent US836531 : Midler for mottak av intelligens kommunisert av elektriske bølger. Publisert 20. november 1905 , oppfinner: Greenleaf Whittier Pickard .
  4. Jed Margolin: Veien til transistoren . 2004.
  5. Patent US1745175 : Metode og apparater for styring av elektriske strømmer. Oppfinner: Julius Edgar Lilienfeld (første gang registrert 22. oktober 1925 i Canada).
  6. Reinhold Paul: felteffekt-transistorer - fysiske prinsipper og egenskaper. 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 av elektrisk ledende organiske polymerer: halogenderivater av polyacetylen, (CH) x . I: J. Chem. Soc., Chem. Commun. Nei. 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 . teip 39 , nr. 17 , 1977, s. 1098-1101 , doi : 10.1103 / PhysRevLett.39.1098 .
  9. Stefan Gossner: Grunnleggende elektronikk. 11. utgave. Shaker 2019, ISBN 978-3-8440-6784-2 , kapittel 1: "Semiconductors"
  10. ^ AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Lærebok for uorganisk kjemi . 101. utgave. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9 , s. 1312.
  11. ↑ Teknologiens verden: Superledende sjetonger - en drøm om fremtiden?
  12. ^ Muoner i magnetiske halvledere. Triumf.info, åpnet 19. september 2010 .
  13. H. Ohno, A. Shen, F. Matsukura, A. Oiwa, A. Endo, S. Katsumoto, Y. Iye: (Ga, Mn) As: En ny fortynnet magnetisk halvleder basert på GaAs . I: Applied Physics Letters . teip 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: Tilbakemelding fra Solar Silicon Conference . 28. april 2010.
  16. Timothy Lam: Asia Solar View - Mai 2010 , 3. mai 2010.
  17. Art Gartner sier at verdensomspennende inntekter fra Silicon Wafer nådde $ 12,5 billioner i 2007 . Gartner, Inc., 11. juni 2008, åpnet 5. mai 2010 (pressemelding).
  18. Forsendelser av silikonplater når rekordnivåer i 2010. (Ikke lenger tilgjengelig online.) I: Semi.org. 8. februar 2011, arkivert fra originalen 9. mai 2018 ; åpnet i 2018 .