Halbleiter

Halbleiter: kristalliner oder amorpher Festkörper (auch organischer Stoff), dessen elektrische Leitfähigkeit über der der Isolatoren und unter der der Metalle, das heißt zwischen 10" und 104 S/m liegt. Reine Halbleiter haben ein vollbesetztes Valenzband und ein leeres Leitungsband (siehe auch Bändermodell), da die Fermi-Energie der Elektronen innerhalb der verbotenen Zone liegt. Entscheidend für die Größe der elektrischen Leitfähigkeit sind neben der Breite dieser verbotenen Zone auch Art und Konzentration der im Kristall vorhandenen "T Störstellen sowie Temperatur und äußerer Druck. Durch thermische oder optische Anregung werden Elektronen ins Leitungsband gehoben, sie lassen im Valenzband Löcher zurück. Sowohl Elektronen als auch Löcher ermöglichen den Stromfluss (Eigenleitung); die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu. Störstellenleitung entsteht durch Dotierung; Donatoren geben Elektronen ins Leitungsband ab (n-Leitung), Akzeptoren nehmen Elektronen aus dem Valenzband auf (p-Leitung). Durch Rekombination von Elektronen und Löchern wird Energie frei, die zu einer Erwärmung des Halbleiters führt oder unter günstigen Umständen als elektromagnetische Strahlung (Licht) den Kristall verlässt. Die elektrischen und optischen Eigenschaften der Halbleiter führten zu ihrer Anwendung in einer Vielzahl von Bauelementen. Praktisch bedeutende Halbleiter sind Elemente der IV. Gruppe des Periodensystems (Silizium, Germanium), Verbindungen aus Elementen der ID. und V. Gruppe (zum Beispiel Galliumphosphid, -arsenid, Indiumarsenid und verschiedene Legierungen), der II. und VI. Gruppe (zum Beispiel Zinksulfid, Cadmiumtellurid) sowie Bleichalkogenide (zum Beispiel Bleisulfid, -tellurid) und Selen.

Halbleiterbauelemente: Elektronik Bauelemente mit durch die Eigenart des verwendeten Halbleitermaterials (meist Silizium in Form von dotierten Einkristallen) bestimmten Eigenschaften. Hauptanwendung finden Halbleiterbauelemente als Halbleiterdioden, Transistoren, Thyristoren und Festkörperschaltkreise.

Halbleiterdetektor: kernphysikalisches Messgerät mit hohem energetischem Auflösungsvermögen zur Spektrometrie von geladenen Teilchen, Gamma- und Röntgenstrahlung. Die ionisierende Strahlung erzeugt in einem Halbleiter-Einkristall mit pn-Übergang, an dem eine Spannung in Sperrichtung liegt, Ladungsträgerpaare. Die in der Sperrschicht erzeugte Ladungsmenge ist der Energie des Teilchens oder Quants proportional. Nachweiseffektivität, Energieauflösung und Zeitverhalten von Halbleiterdetektor sind günstiger als bei Ionisationskammern. Bei Oberflächensperrschicht- oder Oberflächen-Barrieren-Detektoren, die hauptsächlich zum Nachweis von Protonen und schweren Ionen dienen, ist die Dicke der Sperrschicht der angelegten Spannung proportional. Für die Gammaspektroskopie werden Germaniumdetektoren mit einem Volumen bis 100 cm3 verwendet, die zur Verminderung des Sperrstroms und damit zur Verbesserung der Energieauflösung mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Vorläufer des Halbleiterdetektors war der Kristallzähler, ein mit Elektroden versehener, normalerweise nichtleitender Kristall, zum Beispiel Diamant.

Halbleiterdiode, Kristalldiode, Diode: nichtlineares Halbleiterbauelement mit Ventilwirkung, vorwiegend mit Silizium- oder (seltener) Germanium-Einkristallen als Grundwerkstoff (Siliziumdiode (Si-Diode), Germaniumdiode. Die Ventilwirkung erlaubt Gleichrichterwirkung (hochohmige Sperrichtung, niederohmige Flussrichtung), weshalb die Halbleiterdiode auch als Halbleiter- oder Kristallgleichrichter bezeichnet wird. Die Verwendung von Halbleiterdiode zur Hochfrequenzgleichrichtung in Rundfunkempfängern führte zu der Bezeichnung Germanium- beziehungsweise Siliziumdetektor. Zum Gleichrichten wird ein pn-Übergang benutzt, der ursprünglich mit einer Spitze auf einem Einkristall erzielt wurde (Spitzendiode). Später wurden pn-Übergänge durch Legierung oder Diffusion innerhalb des Kristalls hergestellt, während die Kontakte flächenhaft am Kristall angebracht wurden (Flächendiode). Der pn-Übergang besteht als schmale Zone innerhalb des Einkristalls, wo auf der einen Seite ein mit Akzeptoren dotiertes Gebiet mit Löcherleitung (p-Gebiet) einem mit Donatoren dotierten Gebiet (n-Gebiet) mit Elektronenleitung gegenübersteht. zwischen beiden bildet sich ein Raumladungsgebiet aus, das entsprechend der angelegten Spannung hoch- oder niederohmig wird.

Halbleiterlaser, Laserdiode: ein Laser, dessen aktives Gebiet ein in Flussrichtung betriebener pn-Übergang einer speziellen Halbleiterdiode ist. Hohe Dotierung eines geeigneten Halbleiters (zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs) oder Galliumarsenidphosphid (GaAsP)), welcher die Wellenlänge des Laserlichts bestimmt, sowie große elektrische Stromdichte führen zu einer Besetzungsinversion in den Energiebändern, so dass das bei der strahlenden Rekombination von Elektronen und Löchern entstehende Licht selbst eine starke, induzierte Emission bewirkt. Halbleiterlaser arbeiten heute wegen der hohen thermischen Belastung entweder bei tiefen Temperaturen (= 80 K) oder im Impulsbetrieb; sie werden verwendet zur Nachrichtenübertragung (Lichtleitertechnik) und zur Entfernungsmessung.

Halbleitertechnik: Technik der Bauelemente-Herstellung auf Halbleiterbasis vom Einzelelement bis zur Mikroelektronik.