Halbleitertechnologie von A bis Z

Alles über Halbleiter und die Waferfertigung

Halbleiter

Halbleiter sind Stoffe, deren Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Nichtleitern liegt. Im Periodensystem der Elemente findet man die Halbmetalle zwischen den Metallen und Nichtmetallen. Dies sind insbesondere Bor, Germanium, Tellur und der in der Halbleiterindustrie wichtigste Halbleiter Silicium. Daneben gibt es noch Halbleiterverbindungen wie zum Beispiel Galliumarsenid oder Indiumphosphid.

Bei Metallen ist das Valenzband – in dem sich die für die Leitfähigkeit verantwortlichen Valenzelektronen befinden – entweder nicht voll mit Elektronen besetzt, oder das gefüllte Valenzband überlappt sich mit dem leeren Leitungsband. In der Regel treffen beide Zustände gleichzeitig zu, die Elektronen können sich also im nur teilweise besetzten Valenzband oder in den zwei sich überlappenden Bändern bewegen. Bei Halb- und Nichtleitern befindet sich die Bandlücke zwischen den beiden Energiebändern, so dass die Elektronen nicht direkt vom Valenzband in das Leitungsband gelangen können.

Bei Nichtleitern ist es auch bei hohen Energien nicht möglich, die Bandlücke zu überwinden, gleichzeitig ist das Valenzband voll besetzt, so dass sich die Elektronen darin nicht bewegen können. Somit gibt es bei Nichtleitern keinen oder nur einen unbedeutenden Stromfluss. Bei Halbleitern ist die Bandlücke dagegen so klein, dass Elektronen bereits bei geringer Energie (z.B. Lichteinfall, Temperaturerhöhung) ins Leitungsband gelangen können. Jedes Elektron, das in das Leitungsband gelangt, hinterlässt außerdem ein "Loch" im Valenzband, so dass sich die Elektronen auch im Valenzband bewegen können.

Besonders interessant ist jedoch die Tatsache, dass man die Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt beeinflussen kann, indem man zusätzliche Ladungsträger im Halbleiter erzeugt. Dabei kann es sich um freie Elektronen oder Löcher handeln, die durch das Dotieren von Halbleiterkristallen mit 3- oder 5-wertigen Fremdatomen (meist Bor, Arsen oder Phosphor) entstehen. Halbleiter, die durch andere Stoffe verunreinigt sind werden als Störstellenhalbleiter bezeichnet. In der Halbleiterindustrie sind jedoch nur solche Störstellenhalbleiter relevant, die ganz gezielt mit bestimmten Elementen in einer definierten Konzentration verunreinigt = dotiert wurden. Durch die Kombination dotierter Bereiche kann man Halbleiterbauteile wie Transistoren direkt im Siliciumwafer erzeugen und somit elektronische Schaltungen herstellen.

Die angesprochenen Verbindungshalbleiter sind Stoffe, die aus chemischen Elementen zusammengesetzt sind, so dass ihre elektrischen Eigenschaften denen eines Halbleiters entsprechen. Durch diese Kombination kann die Bandlücke, also der Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband so eingestellt werden, dass diese Energiedifferenz einer bestimmten Wellenlänge entspricht. So lassen sich beispielsweise LEDs mit unterschiedlichen Farben erzeugen.

Am bekanntesten sind wohl die III-V-Halbleiter wie Galliumarsenid oder Indiumphosphid. Es können jedoch auch Elemente anderer Hauptgruppen des Periodensystems kombiniert werden. Daneben gibt es auch organische Halbleiter, also solche, die auf Kohlenstiffverbindungen beruhen.

Übersicht über verschiedene Halbleiter

Elementare Halbleiter Chemisches Symbol Gruppe im PSE
VerbindungsHalbleiter Chemisches Symbol Gruppe im PSE
Organische Halbleiter