Halbleiter sindFestkörper, derenelektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischenLeitern (>104S/cm) und der vonNichtleitern (<10−8 S/cm) liegt.[1] Da sich die Grenzbereiche der drei Gruppen überschneiden, ist der negativeTemperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes ein weiteres wichtiges Merkmal von Halbleitern, das heißt, ihre Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu, sie sind sogenannteHeißleiter. Ursache hierfür ist die sogenannteBandlücke zwischen demValenz- und demLeitungsband. Nah am absolutenTemperaturnullpunkt sind diese voll- bzw. unbesetzt, und Halbleiter daher Nichtleiter. Es existieren im Gegensatz zuMetallen primär keine freien Ladungsträger, diese müssen erst z. B. durch Erwärmung entstehen. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern steigt aber steil mit der Temperatur an, so dass sie bei Raumtemperatur, je nach materialspezifischem Abstand von Leitungs- und Valenzband, mehr oder weniger leitend sind. Des Weiteren lassen sich durch das Einbringen von Fremdatomen (Dotieren) aus einer anderen chemischen Hauptgruppe die Leitfähigkeit und der Leitungscharakter (Elektronen- undLöcherleitung) in weiten Grenzen gezielt beeinflussen.
Stephen Gray entdeckte 1727 den Unterschied zwischen Leiter und Nichtleiter. NachdemGeorg Simon Ohm 1821 dasOhmsche Gesetz aufstellte, womit die Proportionalität zwischen Strom und Spannung in einem elektrischen Leiter beschrieben wird, konnte auch dieLeitfähigkeit eines Gegenstandes bestimmt werden.
DerNobelpreisträgerFerdinand Braun entdeckte denGleichrichtereffekt der Halbleiter 1874. Er schrieb: „Bei einer grossen Anzahl natürlicher und künstlicher Schwefelmetalle […] habe ich gefunden, dass der Widerstand derselben verschieden war mit Richtung, Intensität und Dauer des Stromes. Die Unterschiede betragen bis zu 30 pCt. des ganzen Werthes.“[3] Er beschrieb damit erstmals, dass der Widerstand veränderlich sein kann.
Greenleaf Whittier Pickard erhielt 1906 das erste Patent für eine aufSilicium basierendeSpitzendiode zurDemodulation des Trägersignals in einemDetektorempfänger.[4][5] Anfangs wurde im gleichnamigen Empfänger („Pickard Crystal Radio Kit“) meistensBleiglanz (Galenit) mit seinen Halbleiter-ähnlichen Eigenschaften verwendet,[6][7] wobei in den 1920er Jahren robustere und leistungsfähigere Dioden auf Basis von Kupfersulfid-Kupfer-Kontakten entstanden. Die Funktionsweise des auf einem Halbleiter-Metall-Übergang basierenden Gleichrichtereffektes blieb trotz technischer Anwendung über Jahrzehnte ungeklärt. 1931 entwickelteAlan Herries Wilson aus dem Bändermodell die theoretische Möglichkeit von Eigen- und Störstellenleitung.[8] ErstWalter Schottky konnte 1939 die theoretischen Grundlagen zur Beschreibung der nach ihm benanntenSchottky-Diode legen.[9]
Das erste Patent zum Prinzip des Transistors wurde 1925 vonJulius Edgar Lilienfeld (US-Physiker österreichisch-ungarischer Abstammung) angemeldet.[10] Lilienfeld beschrieb in seiner Arbeit ein elektronisches Bauelement, welches im weitesten Sinne mit heutigenFeldeffekttransistoren vergleichbar ist, ihm fehlten seinerzeit die notwendigen Technologien, Feldeffekttransistoren praktisch zu realisieren.[11]
Die Herstellung von hochreinemSilicium gelang 1954Eberhard Spenke und seinem Team in derSiemens & Halske AG mit demZonenschmelzverfahren. Dies brachte Mitte der 1950er Jahre zusammen mit der Verfügbarkeit eines Isolationsmaterials (Siliciumdioxid) mit günstigen Eigenschaften (nicht wasserlöslich wieGermaniumoxid, einfach herstellbar usw.) den Durchbruch von Silicium als Halbleitermaterial für die Elektronikindustrie und etwa 30 Jahre später auch für die ersten Produkte derMikrosystemtechnik. Für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen wird heute (2009) fast ausschließlich mit demCzochralski-Verfahren kostengünstiger hergestelltes Silicium verwendet.
Die in derMikroelektronik verwendeten klassischen, das heißt kristallinen elektronischen Halbleiter lassen sich in zwei Gruppen einordnen, denElementhalbleitern und denVerbindungshalbleitern. Zu den Elementhalbleitern zählen Elemente mit vierValenzelektronen, beispielsweise Silicium (Si) und Germanium (Ge). Die Gruppe der Verbindungshalbleiter umfasstchemische Verbindungen, die im Mittel vier Valenzelektronen besitzen. Dazu zählen Verbindungen von Elementen der III. mit der V. Hauptgruppe desPeriodensystems(III-V-Verbindungshalbleiter), wie Galliumarsenid (GaAs) oderIndiumantimonid (InSb), und der II. Neben- mit der VI. Hauptgruppe(II-VI-Halbleiter), wie Zinkselenid (ZnSe) oderCadmiumsulfid (CdS).
Es gibt auch Verbindungshalbleiter aus verschiedenen Elementen der IV. Hauptgruppe wie z. B. CSiGeSn.[14][15]
Neben diesen häufig eingesetzten Halbleitern gibt es noch dieI-VII-Halbleiter, wieKupfer(I)-chlorid. Auch Materialien, die im Durchschnitt nicht vier Valenzelektronen haben, können als Halbleiter bezeichnet werden, wenn sie einenspezifischen Widerstand im Bereich von größer 10−4 Ω·m und kleiner 106 Ω·m haben.
Eine weitere große Klasse sind dieorganischen Halbleiter. Als organisch werden sie bezeichnet, weil sie hauptsächlich aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind. Sie werden unterteilt in halbleitende Polymere (unterschiedlich lange Ketten aus einzelnen Monomeren) und kleine Moleküle (einzelne, abgeschlossene Einheiten). ObwohlFullerene,Kohlenstoffnanoröhren und deren Derivate streng genommen auch kleine Moleküle darstellen, werden sie oft als alleinstehende Untergruppe wahrgenommen. Klassische Beispiele für organische Halbleiter sindP3HT (Poly-3-hexylthiophen, Polymer),Pentacen (kleines Molekül) oderPCBM (Phenyl-C61-butyric acid methyl ester, Fulleren-Derivat). Eingesetzt werden organische Halbleiter in Leuchtdioden (OLEDs),Solarzellen (OPVs) und Feldeffekttransistoren.
Mehrere halbleitende Moleküle oder Atome bilden im Verbund einen Kristall oder erzeugen einen ungeordneten (amorphen) Festkörper. Grob können die meisten anorganischen Halbleiter als kristallin, die meisten organischen Halbleiter als amorph klassifiziert werden. Ob jedoch wirklich ein Kristall oder ein amorpher Festkörper gebildet wird, hängt im Wesentlichen vom Herstellungsprozess ab. So kann beispielsweise Silicium kristallin (c-Si) oder amorph (a-Si) sein, beziehungsweise auch einepolykristalline Mischform (poly-Si) bilden. Ebenso existierenEinkristalle aus organischen Molekülen.
Die Halbleitereigenschaften von Stoffen gehen auf ihre chemischen Bindungen und somit ihren atomaren Aufbau zurück. Halbleiter können in unterschiedlichen Strukturenkristallisieren.Silicium undGermanium kristallisieren in derDiamantstruktur (reinkovalente Bindung) undIII-V- undII-VI-Verbindungshalbleiter hingegen meist in derZinkblende-Struktur (gemischt kovalent-ionische Bindung).
Bändermodell von typ. Metallen, Eigenhalbleiter und Isolatoren:E = Energie – entspricht ArbeitW,x = räumliche Ausdehnung in eindimensionaler Richtung,EF ist dieFermi-Energie beiT = 0 K
Die grundlegenden Eigenschaften von kristallinen Halbleitern lassen sich anhand desBändermodells erklären: DieElektronen in Festkörpern wechselwirken über sehr viele Atomabstände hinweg miteinander. Dies führt faktisch zu einer Aufweitung der (im Einzelatom noch als diskrete Niveaus vorliegenden) möglichen Energiewerte zu ausgedehnten Energiebereichen, den sogenanntenEnergiebändern. Da die Energiebänder je nach Aufweitung und Atomart verschieden zueinander liegen, können Bänder sich überlappen oder durch Energiebereiche, in denen nach derQuantenmechanik keine erlaubten Zustände existieren (Energie- oderBandlücke), getrennt sein.
Bei Halbleitern sind nun das höchste besetzte Energieband (Valenzband) und das nächsthöhere Band (Leitungsband) durch eine Bandlücke getrennt. DasFermi-Niveau liegt genau in der Bandlücke.[16]Bei einer Temperatur in der Nähe desabsoluten Nullpunktes ist das Valenzband voll besetzt und das Leitungsband vollkommen frei von Ladungsträgern. Da unbesetzte Bänder mangels beweglicher Ladungsträger keinen elektrischen Strom leiten und Ladungsträger in vollbesetzten Bändern mangels erreichbarer freier Zustände keine Energie aufnehmen können, was zu einer beschränkten Beweglichkeit führt, leiten Halbleiter den elektrischen Strom nicht bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt.
Für den Leitungsvorgang sind teilbesetzte Bänder notwendig, die beiMetallen durch eine Überlappung der äußeren Bänder bei jeder Temperatur zu finden sind. Dies ist – wie oben erwähnt – bei Halbleitern und Isolatoren nicht gegeben. Die Bandlücke („verbotenes Band“ oder „verbotene Zone“ genannt) bei Halbleitern ist im Gegensatz zu Isolatoren (typischerweiseEG > 4 eV[17]) jedoch relativ klein (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-Ga2O3: ≈ 4,8 eV,Diamant: ≈ 5,45 eV), so dass beispielsweise durch die Energie der Wärmeschwingungen bei Raumtemperatur oder durchAbsorption vonLicht viele Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt werden können. Halbleiter haben also eineintrinsische, mit der Temperatur zunehmende elektrische Leitfähigkeit. Deshalb werden Halbleiter auch zu denHeißleitern gezählt. Der Übergang von Halbleitern zu Isolatoren ist fließend. So wird beispielsweiseGalliumnitrid (GaN; Einsatz in blauenLEDs) mit einer Bandlückenenergie von ≈ 3,2 eV ebenfalls zu den Halbleitern gezählt, Diamant mit einer Bandlücke von ≈ 5,5 eV aber nicht mehr. Halbleiter mit einer Bandlücke deutlich größer als 1 eV werden auch alsHalbleiter mit breitem Bandabstand (englischwide-bandgap semiconductor) bezeichnet.
Wird, wie oben beschrieben, ein Elektron in einem Halbleiter aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt, so hinterlässt es an seiner ursprünglichen Stelle einDefektelektron, „Loch“ genannt. Gebundene Valenzelektronen in der Nachbarschaft solcher Löcher können durch Platzwechsel in ein Loch „springen“, hierbei wandert das Loch. Es kann daher als bewegliche positive Ladung aufgefasst werden.Sowohl die angeregten Elektronen als auch die Defektelektronen tragen somit zur elektrischen Leitung bei.
Elektronen aus dem Leitungsband können mit den Defektelektronenrekombinieren (Elektron-Loch-Rekombination). Dieser Übergang zwischen den beteiligten Niveaus kann unter Abgabe von elektromagnetischer Rekombinationsstrahlung (Photon) und/oder unter der Abgabe einesImpulses an das Kristallgitter (Phonon) erfolgen.
Halbleiter werden in zwei Gruppen eingeteilt, diedirekten und dieindirekten Halbleiter. Ihre unterschiedlichen Eigenschaften lassen sich nur durch die Betrachtung derBandstruktur im sogenanntenImpulsraum verstehen: Die Ladungsträger im Halbleiter lassen sich alsMateriewellen mit einemQuasiimpuls auffassen. Innerhalb eines Bandes hängt die Energie vom Quasiimpuls (oft als Wellenvektor angegeben) ab.
Die Extremwerte der Energie innerhalb der Bänder, also die Bandkanten, liegen bei unterschiedlichen Wellenvektoren – wo genau, hängt vom Material und der Struktur ab.Wenn ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband angeregt wird, so ist es energetisch am günstigsten (und somit am wahrscheinlichsten), wenn es vom Maximum des Valenzbandes zum Minimum des Leitungsbandes angeregt wird.
Liegen diese Extrema nahezu beim gleichen Quasiimpuls, ist eine Anregung zum Beispiel durch einPhoton ohne weiteres möglich, da das Elektron lediglich seine Energie, nicht aber seinen Impuls ändern muss. Man spricht von einemdirekten Halbleiter. Liegen die Extrema jedoch bei unterschiedlichen Quasiimpulsen, so muss das Elektron zusätzlich zu seiner Energie auch seinen Impuls ändern, um ins Leitungsband angeregt zu werden. Dieser Impuls kann nicht von einem Photon (welches einen sehr kleinen Impuls hat) stammen, sondern muss von einer Gitterschwingung (auchPhonon) beigesteuert werden.
Bei derRekombination von Elektronen-Loch-Paaren gilt im Prinzip dasselbe. In einem direkten Halbleiter kann bei der Rekombination ein Lichtquant ausgesandt werden. Bei einem indirekten Halbleiter hingegen müsste zum Photon für die Energie noch ein Phonon für den Impuls erzeugt (oder absorbiert) werden und die strahlende Rekombination wird weniger wahrscheinlich. Es dominieren dann oft andere, nicht strahlende Rekombinationsmechanismen, z. B. über Verunreinigungen. Hieraus folgt, dass nur direkte Halbleiter zur effektiven Strahlungserzeugung verwendet werden können.Direkte und indirekte Halbleiter werden mittels Absorptionsversuch voneinander unterschieden.In der Regel sind Elementhalbleiter (Silicium,Germanium) und Verbindungshalbleiter aus der IV.Hauptgruppe indirekt und Verbindungshalbleiter aus verschiedenen Hauptgruppen (III/V:GaAs, InP, GaN) direkt. Durch Steuerung der Zusammensetzung kann beim IV–IV-Material CSiGeSn die Bandlücke eingestellt werden und sogar ein direkter Halbleiter hergestellt werden.[14][15]
Bei einer Bandstruktur, bei der nahe der Leitungs- oder Valenzbandkante verschiedene Punkte im Impulsraum möglich sind, kann es zum sogenanntenGunn-Effekt kommen.
Die Dichte freier Elektronen und Löcher in reinen, das heißt undotierten, Halbleitern wirdintrinsische Ladungsträgerdichte oderEigenleitungsdichte genannt – ein Eigenhalbleiter wird deshalb auch intrinsischer Halbleiter genannt, der dominierende Leitungsmechanismus ist die Eigenleitung. Die Ladungsträgerdichte im undotierten Halbleiter ist stark von der Temperatur abhängig und steigt mit ihr an. Wird dagegen die Konzentration der Ladungsträger im Leitungsband (Elektronen) beziehungsweise im Valenzband (Löcher) durch den Dotierstoff bestimmt, spricht man von einem Störstellenhalbleiter oderextrinsischen Halbleiter – hier ist der dominierende Leitungsmechanismus dieStörstellenleitung.
Durch Einbringen vonStörstellen in einen Halbleiterkristall können die elektrischen Eigenschaften (reiner) Halbleiter beeinflusst werden. Störstellen sind Fremdatome, welche sich in ihrerWertigkeit von den Atomen des Wirtsmaterials unterscheiden, Beispiele sind Bor oder Phosphor in einem Siliciumkristall. Der Vorgang wird allgemein alsDotierung beziehungsweise als „Dotieren“ bezeichnet. Außerdem können durch die Kombination von unterschiedlich dotierten Gebieten verschiedene Bauelemente, z. B. einBipolartransistor, hergestellt werden.In manchen Halbleitern können schon geringste Mengen an Fremdatomen (z. B. ein Fremdatom auf 10 Mio. Halbleiteratome) zu extremen Änderungen der elektrischen Eigenschaften führen, die das intrinsische Halbleiten weit übertreffen.
Das Einbringen von Störstellen erzeugt zusätzliche, örtlich gebundene Energieniveaus im Banddiagramm des Kristalls. Die Niveaus liegen im Allgemeinen in der für das Wirtsmaterial ansonsten vorhandenen Energielücke (Bandlücke) zwischen Valenz- und Leitungsband. Durch die im Vergleich zu undotierten Halbleitern geringeren Energiedifferenzen der „Zwischenniveaus“ zum Valenz- beziehungsweise Leitungsband können diese Niveaus leichter angeregt werden und so bewegliche Ladungsträger zur Verfügung stellen. Das Chemische Potential verschiebt sich aus der Mitte der Bandlücke in die Nähe der zusätzlichen Niveaus. Es stehen daher mehr Ladungsträger für die Leitung des elektrischen Stroms zur Verfügung, was sich in einer gegenüber dem reinen Halbleiter erhöhten Leitfähigkeit äußert. Man nennt diesen Leitungsmechanismus daher auchStörstellenleitung. Es werden dabei zwei Arten von Störstellen unterschieden: Donatoren und Akzeptoren.
Sichtbarmachung von n-Leitung (Elektronenleitung: grün, links) und p-Leitung (Defektelektronen-Leitung: braun, rechts) in einem KI-Kristall. Kathode (links) und Anode (rechts) sind in den Kristall eingeschmolzene Pt-Spitzen.
Als (Elektronen-)Donatoren (lat.donare = schenken) werden Fremdatome bezeichnet, die zusätzliche Elektronen im Leitungsband bereitstellen, man bezeichnet solche Gebiete auch als n-dotierte Halbleiter. Werden solche Fremdatome in den Halbleiter eingebracht (substituiert), so bringt jedes dieser Fremdatome (im Fall von mit Phosphor dotiertem Silicium) ein Elektron mit, das nicht für die Bindung benötigt wird und leicht abgelöst werden kann. Es bildet sich ein Störstellenniveau in der Nähe der unteren Energie des Leitungsbandes.
Analog werden als (Elektronen-)Akzeptoren (lat.accipere = annehmen) Fremdatome bezeichnet, die ein Elektron weniger im Valenzband haben. Dieses Elektron fehlt für die Bindung zum Nachbaratom. Sie wirken als ein zusätzlichesDefektelektron (Loch) mit (p-Dotierung), welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann – daher findet sich auch in einigen Betrachtungen der Begriff Löcherdonatoren. Im Bänderschema liegt ein solches Störstellenniveau nahe oberhalb der Valenzbandkante.
In einem intrinsischen Halbleiter sind die Ladungsträgerkonzentrationen von Elektronen und Löchern gleich (Elektronen-Loch-Paare). Daher sind beide Ladungsträgerartennäherungsweise zu gleichen Teilen am Ladungstransport beteiligt. Durch das Einbringen von Donatoren und Akzeptoren lässt sich dieses Gleichgewicht gezielt beeinflussen.
Bei Dotierung mit Donatoren sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband, bei Dotierung mit Akzeptoren die gedachten, positiv geladenen Löcher im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. Im ersten Fall spricht man vonElektronenleitung oder n-Leitung (n → negativ), im anderen Fall vonLöcherleitung oder p-Leitung (p → positiv). Halbleiterbereiche mitElektronenüberschuss bezeichnet man (wie oben erwähnt) alsn-dotiert, solche mit Mangel, also mit „Löcherüberschuss“, alsp-dotiert.Im n-Leiter werden die Elektronen als Majoritätsladungsträger (mehrheitlich vorhandene Ladungsträger), die Löcher als Minoritätsladungsträger bezeichnet, im p-Leiter gilt die entsprechende Umkehrung.Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen (siehep-n-Übergang) kann man einzelne, sogenannte diskreteHalbleiterbauelemente wieDioden undTransistoren und komplexe, aus vielen Bauelementen in einem einzigen Kristall aufgebauteintegrierte Schaltungen aufbauen.Oft ist in diesen Elektronikbauteilen das intrinsische Halbleiten sogar störend (siehe z. B.Leckstrom), sodass sie mitunter explizit gekühlt werden müssen.
Leitungsmechanismen im dotierten und undotierten Halbleiter (Silizium) in Abhängigkeit von der Temperatur
Am absoluten Nullpunkt (T = 0 K) unterscheiden sich dotierte und undotierte Halbleiter hinsichtlich der Ladungsträgerdichte nicht – es steht nicht ausreichend Energie zur Verfügung, um Elektronen in das Leitungsband oder auf Störstellenniveaus anzuregen. Wird die Temperatur erhöht (damit steigt die zur Verfügung stehende Energie durch thermische Anregung), ändern sich die Verhältnisse. Da die energetischen Abstände der Störstellen zum Valenz- beziehungsweise Leitungsband sehr viel geringer als der Bandabstand sind, können Elektronen vom Donatorniveau ins Leitungsband beziehungsweise Löcher vom Akzeptorniveau ins Valenzband angeregt werden. Es stehen in Abhängigkeit von der Temperatur freie Ladungsträger zur Verfügung, die Leitfähigkeit von dotierten Halbleitern steigt. Da noch nicht alle Störstellenniveaus ionisiert beziehungsweise besetzt sind, bezeichnet man diesen Bereich alsStörstellenreserve. Wird die Temperatur weiter erhöht, bis alle Störstellenniveaus ionisiert beziehungsweise besetzt sind, spricht man vonStörstellenerschöpfung. Die Ladungsträgerdichte und somit die Leitfähigkeit hängt in diesem Bereich im Wesentlichen nur noch von der Dotierungskonzentration ab. Wegen der mit zunehmender Temperatur abnehmenden Beweglichkeit hat man in diesem Temperaturbereich ähnlich wie bei Metallen i. A. eine mit der Temperatur leicht abnehmende Leitfähigkeit. Bei noch weiterer Erhöhung der Temperatur steht anschließend genug Energie zur Verfügung, um Elektronen direkt vom Valenzband in das Leitungsband anzuheben. Da typische Dotierungskonzentrationen deutlich geringer sind als die Anzahl der Halbleiteratome (mindestens sechs Größenordnungen), überwiegt die Ladungsträgergeneration von Elektron-Loch-Paaren, dieser Bereich wird als intrinsisch oder Eigenleitung des Halbleiters bezeichnet.
Durch die Kombination eines p-dotierten und eines n-dotierten Halbleiters entsteht an der Grenzfläche einp-n-Übergang. Die Kombination eines dotierten Halbleiters mit einem Metall (z. B.Schottky-Diode) oder einem Nichtleiter ist ebenfalls von Interesse, und wenn zwei Halbleiter, beispielsweiseGalliumarsenid undAluminiumgalliumarsenid, übereinander liegen, entsteht einHeteroübergang. Dabei sind nicht nur p-n-Übergänge von Bedeutung, sondern ebenfalls p-p-Übergänge und n-n-Übergänge, die sogenanntenisotypen Hetero-Übergänge, die beispielsweise in einemQuantentopf verwendet werden.
In jüngster Zeit gibt es Anstrengungen, Halbleiter,Supraleiter und Silicium- undIII-V-Halbleiter auf einem Chip zusammenzuführen. Da dieKristallstrukturen nicht kompatibel sind, entstehen in der Grenzfläche Brüche undGitterfehler, wenn es nicht gelingt, geeignete Materialien für eine wenigeAtomlagen dicke Zwischenschicht zu finden, in der die Gitterabstände sich angleichen können.[18]
Semimagnetische Halbleiter gehören zur Gruppe derVerbindungshalbleiter (englischcompound semiconductors). Es handelt sich um Verbindungen wieIndiumantimonid (InSb), die mit wenigen ProzentMangan (Mn) dotiert sind und semimagnetische Eigenschaften noch beiRaumtemperatur zeigen.[19] AuchIndiumarsenid (InAs) undGalliumarsenid (GaAs) zeigen, bei hoher Dotierung mit Mangan und dann als InMnAs bzw.GaMnAs bezeichnet, semimagnetische Eigenschaften. DieCurietemperatur liegt beiInMnAs bei 50–100 K und bei GaMnAs bei 100–200 K und damit deutlich unter Raumtemperatur.[20] Eine charakteristische Eigenschaft dieser semimagnetischen Halbleiter ist der großeZeeman-Effekt. Im Englischen nennt man semimagnetische Halbleiterdiluted magnetic semiconductors, da sie magnetisch verdünnt sind.
Amorphe Halbleiter haben keine Kristallstruktur. Ein Beispiel für die technische Anwendung istamorphes Silicium in derPhotovoltaik. Aufgrund ihrer hohen Störstellendichte müssen sie anders verarbeitet werden als kristalline Halbleiter, z. B. um Dotierung erst zu ermöglichen.
Im Allgemeinen sindorganische Materialien elektrisch isolierend. Besitzen Moleküle oder Polymere ein konjugiertes Bindungssystem bestehend aus Doppelbindungen, Dreifachbindungen und aromatischen Ringen, können auch diese elektrisch leitend werden und als organische Halbleiter verwendet werden. Als erstes wurde dies 1976 beiPolyacetylen beobachtet.[21] Polyacetylen ist ein unverzweigtesPolymer mit abwechselnderDoppelbindung undEinfachbindung (–C═C─C═C–). Wird diesem Kunststoff noch ein Akzeptor wie Chlor, Brom oder Iod angefügt(oxidative Dotierung), liegen zusätzliche Löcher vor. Durch das Hinzufügen von einemDonator wie Natrium(reduktive Dotierung) erhält der Kunststoff zusätzliche Elektronen. Durch diese chemische Änderung brechen die Doppelbindungen auf, und es entsteht ein durchgehendes Leitungsband: Das ursprünglich nichtleitende Polymer wird elektrisch leitend. Besitzen Moleküle oder Polymere auch im undotierten Zustand halbleitende Eigenschaften, spricht man wie bei anorganischen Halbleitern von der intrinsischen Leitfähigkeit (Eigenleitfähigkeit), z. B.Pentacen oderPoly(3-Hexylthiophen).Wird der Kunststoff in Form einerdünnen Schicht von 5 bis 1000 nm Dicke hergestellt, ist er geordnet genug, um eine elektrisch durchgängige Schicht zu bilden.
Der Fachbereich, der sich mit der Herstellung von halbleiterbasierten mikroelektronischer Bauelemente und Baugruppen befasst wird alsHalbleitertechnik bezeichnet. Voraussetzung ist die Kenntnis, wie der Halbleiter bearbeitet werden muss, um das gewünschte elektrische Verhalten zu erreichen. Dazu gehören dasDotieren des Halbleiters und das Gestalten der Grenzfläche zwischen Halbleiter und einem weiteren Material.
EinWafer (einkristallineSilicium-Scheibe) mit mikroelektronischen Bauelementen
Mikroprozessor
Polykristalline Silicium-Solarzellen in einem Solarmodul
Die Halbleiterindustrie ist eine Großindustrie. Die Halbleiter-Marktanalyse-GesellschaftWorld Semiconductor Trade Statistics (WSTS) schätzt im Jahr 2022 das Gesamtvolumen der Industrie auf 580 Milliarden US-Dollar.[22] Zum Vergleich im Jahr 1999 lag der Wert noch bei 149,4 Milliarden US-Dollar.[23]
Analysten sagen eine „Billionen-Dollar-Industrie“ bis im Jahr 2030 voraus.[24]
Hochreine,monokristalline Silizium-Wafer gelten als das Ausgangsprodukt der Halbleitertechnologie. Nur wenige Hersteller weltweit bieten derartige Wafer in den Größen zwischen 25 mm bis 300 mm (bzw. 1 Zoll bis 12 Zoll) an. Übergrößen, wie 450-mm-Wafer (18 Zoll), sind verfügbar, jedoch meist im Rahmen vonF&E.[25]
Für die Solarindustrie kommt demPolysilizium eine aus wirtschaftlichen Gründen entscheidende Rolle zu.[26] Die meisten Solarzellen (ca. 90 %) sind aus kristallinem (Poly-)Silizium gemacht (andere sind z. B.Dünnschichtsolarzellen) und davon sind etwa 40 % aus monokristallinem Silizium.[27]
Das Solar-Silizium wird pro Kilogramm zumSpotpreis gehandelt. Der Preis liegt (Stand November 2022) bei 36,91 US-Dollar pro kg.[28] In den Jahren 2008 bis 2012 kam es zu starken Preisschwankungen bei den Rohstoffpreisen.[29]
Preise für Solarsystem inkl. Batterien (USA) werden durch das amerikanischeNREL verfolgt, aufgearbeitet und publiziert.[30]
Kai Handel:Anfänge der Halbleiterforschung und -entwicklung. Dargestellt an den Biographien von vier deutschen Halbleiterpionieren. Aachen 1999 (rwth-aachen.de [PDF] Doktorarbeit).
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