Elektronische Eigenschaften
Die hier behandelten Halbleitermaterialien sind Einkristalle, d.h. die Atome sind in einer dreidimensionalen periodischen Form angeordnet. Abbildung 2A zeigt eine vereinfachte zweidimensionale Darstellung eines intrinsischen Siliziumkristalls, der sehr rein ist und eine vernachlässigbar geringe Menge an Verunreinigungen enthält. Jedes Siliciumatom im Kristall ist von vier seiner nächsten Nachbarn umgeben. Jedes Atom hat vier Elektronen in seiner äußeren Umlaufbahn und teilt diese Elektronen mit seinen vier Nachbarn. Jedes gemeinsame Elektronenpaar bildet eine kovalente Bindung. Die Anziehungskraft der beiden Kerne auf die Elektronen hält die beiden Atome zusammen.
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Bei niedrigen Temperaturen sind die Elektronen in ihren jeweiligen Positionen im Kristall gebunden; folglich stehen sie für die elektrische Leitung nicht zur Verfügung. Bei höheren Temperaturen können thermische Schwingungen einige der kovalenten Bindungen aufbrechen. Durch das Aufbrechen einer Bindung entsteht ein freies Elektron, das an der Stromleitung teilnehmen kann. Sobald sich ein Elektron von einer kovalenten Bindung entfernt, entsteht ein Elektronenmangel in dieser Bindung. Dieser Mangel kann durch eines der benachbarten Elektronen aufgefüllt werden, was zu einer Verschiebung des Mangels von einem Ort zum anderen führt. Dieser Mangel kann somit als ein elektronenähnliches Teilchen betrachtet werden. Dieses fiktive Teilchen, das als Loch bezeichnet wird, trägt eine positive Ladung und bewegt sich unter dem Einfluss eines angelegten elektrischen Feldes in eine Richtung, die der eines Elektrons entgegengesetzt ist.
Bei einem isolierten Atom können die Elektronen des Atoms nur diskrete Energieniveaus haben. Wenn eine große Anzahl von Atomen zusammengebracht wird, um einen Kristall zu bilden, bewirkt die Wechselwirkung zwischen den Atomen, dass sich die diskreten Energieniveaus in Energiebändern ausbreiten. Wenn es keine thermischen Schwingungen gibt (d. h. bei niedriger Temperatur), füllen die Elektronen in einem Halbleiter eine Reihe von Energiebändern vollständig aus, während die übrigen Energiebänder leer bleiben. Das am höchsten gefüllte Band wird als Valenzband bezeichnet. Das nächsthöhere Band ist das Leitungsband, das vom Valenzband durch eine Energielücke getrennt ist. Diese Energielücke, auch Bandlücke genannt, ist ein Bereich, der Energien bezeichnet, die die Elektronen im Halbleiter nicht besitzen können. Die meisten der wichtigen Halbleiter haben Bandlücken im Bereich von 0,25 bis 2,5 eV. Die Bandlücke von Silizium liegt beispielsweise bei 1,12 eV und die von Galliumarsenid bei 1,42 eV.
Wie bereits erwähnt, brechen bei endlichen Temperaturen einige Bindungen durch thermische Schwingungen. Wenn eine Bindung gebrochen wird, entsteht ein freies Elektron zusammen mit einem freien Loch, d.h. das Elektron besitzt genügend thermische Energie, um die Bandlücke zum Leitungsband zu überqueren, und hinterlässt ein Loch im Valenzband. Wenn ein elektrisches Feld an den Halbleiter angelegt wird, gewinnen sowohl die Elektronen im Leitungsband als auch die Löcher im Valenzband an kinetischer Energie und leiten Strom. Die elektrische Leitfähigkeit eines Materials hängt von der Anzahl der Ladungsträger (d. h. freie Elektronen und freie Löcher) pro Volumeneinheit und von der Geschwindigkeit ab, mit der sich diese Ladungsträger unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen. In einem intrinsischen Halbleiter gibt es eine gleiche Anzahl von freien Elektronen und freien Löchern. Die Elektronen und Löcher haben jedoch unterschiedliche Mobilitäten, d. h. sie bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in einem elektrischen Feld. Für intrinsisches Silizium bei Raumtemperatur beträgt die Elektronenmobilität beispielsweise 1.500 Quadratzentimeter pro Volt pro Sekunde (cm2/V-s), d. h. ein Elektron bewegt sich in einem elektrischen Feld von einem Volt pro Zentimeter mit einer Geschwindigkeit von 1.500 Zentimetern pro Sekunde, während die Lochmobilität 500 cm2/V-s beträgt. Die Mobilitäten eines bestimmten Halbleiters nehmen im Allgemeinen mit steigender Temperatur oder mit erhöhter Verunreinigungskonzentration ab.
Die elektrische Leitung in intrinsischen Halbleitern ist bei Raumtemperatur recht schlecht. Um eine höhere Leitfähigkeit zu erreichen, kann man absichtlich Verunreinigungen einbringen (normalerweise in einer Konzentration von einem Teil pro Million Wirtsatome). Dies ist der so genannte Dotierungsprozess. Wenn beispielsweise ein Siliziumatom durch ein Atom mit fünf Außenelektronen wie Arsen ersetzt wird (Abbildung 2C), bilden vier der Elektronen kovalente Bindungen mit den vier benachbarten Siliziumatomen. Das fünfte Elektron wird zu einem Leitungselektron, das an das Leitungsband „gespendet“ wird. Durch das zusätzliche Elektron wird das Silicium zu einem n-Typ-Halbleiter. Das Arsenatom ist der Donator. In ähnlicher Weise zeigt Abbildung 2C, dass, wenn ein Atom mit drei Außenelektronen, wie z. B. Bor, ein Siliziumatom ersetzt, ein zusätzliches Elektron „angenommen“ wird, um vier kovalente Bindungen um das Boratom herum zu bilden, und ein positiv geladenes Loch im Valenzband erzeugt wird. Es handelt sich um einen Halbleiter vom p-Typ, bei dem das Bor einen Akzeptor darstellt.
