12.12 Halbleitertechnik
In Bild 12.131 siehst du einen Einplatinencomputer – einen vollwertigen Computer in der Größe einer Bankkarte. Er besteht zu einem großen Teil aus Halbleiterbauelementen.
Bild 12.131: Raspberry Pi
Egal, ob Computer, Smartphone oder LED – Halbleitertechnik ist heute aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. In diesem Kapitel geht es um die elektrische Leitung in Halbleitern und um Bauteile, die aus Halbleitern aufgebaut sind.
In diesem Kapitel arbeiten wir mit sehr einfachen Modellen. Viele Effekte von Halbleitern lassen sich aber nur mit dem Bändermodell der Quantenmechanik erklären.
12.12.1 Halbleiter
Im Abschnitt über den spezifischen Widerstand hast du schon von der Einteilung in elektrische Leiter, Halbleiter und Isolator erfahren.
Die Leitfähigkeit eines Festkörpers hängt von der Anzahl der frei beweglichen Elektronen ab. Wie viele freie Elektronen sich in einem Material befinden, hängt einerseits von seiner Gitterstruktur und andererseits von seiner Temperatur ab. Die Ablösearbeit der Außenelektronen ist bei Metallen so niedrig, dass die thermische Bewegung bei Zimmertemperatur bereits ausreicht, ausreichend freie Elektronen zu erzeugen.
Die Ablösearbeit bei Halbleitern beträgt um die \(3\;\mathrm{eV}\). Bei Zimmertemperatur sind zwar kaum freie Elektronen vorhanden, aber eine Erhöhung der Temperatur führt rasch zu einer deutlichen Leitfähigkeit (Heißleiter). Reine Halbleiter werden daher für den Bau von NTC-Widerständen – also Bauteile, deren Leitfähigkeit mit der Temperatur steigt. Die bekanntesten Halbleiter-Elemente sind Silicium (engl. silicon, Bild 12.132 – nicht zu verwechseln mit Silikon) und Germanium.
Bild 12.132: Im Labor gezüchtete Säule aus hochreinem, monokristallinem Silicium
Im Gegensatz dazu ist die Ablösearbeit von Isolatoren so hoch, dass auch eine Temperaturerhöhung kaum zu einer nennenswerten Leitfähigkeit führt. Glas zum Beispiel ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator. Erst ab einer Temperatur von rund \(1500\;^\circ\mathrm{C}\) – knapp unterhalb seines Schmelzpunkts – wird Glas elektrisch leitend.
12.12.2 Eigenleitung von reinen Halbleitern
In einem reinen Halbleiter (engl. intrinsic semiconductor) sind prinzipiell alle Elektronen im Gitter gebunden. Durch thermische Anregung sind immer nur ein paar Elektronen aus ihren Gitterplätzen losgelöst.
In einem reinen Halbleiter kommt es zu zwei Arten von elektrischer Leitung (Bild 12.133):
- durch die Temperatur losgelösten Elektronen („Elektronen im Leiterband“)
- durch die zurückgebliebenen Löcher (hier können benachbarte Gitteratome um jeweils eine Stelle weiterrücken; „Löcherleitung“)
Wird die Temperatur erhöht, verlassen mehr Elektronen ihre Plätze und die Anzahl der freien Elektronen steigt. Gleichzeit steigt damit auch die Anzahl der Elektronenlöcher.
12.12.3 Dotierte Halbleiter
Obwohl es auch Anwendungen für reine Halbleiter gibt, werden meist Halbleiter verwendet, die mit wenigen Fremdatomen „verunreinigt“ werden (dotierte Halbleiter, engl. doped semiconductors). Die Verunreinigung ist dabei extrem gering. Auf etwa 100 Millionen (\(10^8\)) Halbleiteratome kommt nur ein einziges Fremdatom. Bereits diese geringe Anzahl an Störstellen im Halbleitergitter reicht aus, um die elektrische Leitfähigkeit drastisch zu erhöhen. Dabei werden zwei Arten von Dotierungen unterschieden:
- n-dotierter Halbleiter (Elektronenüberschussleiter)
- p-dotierter Halbleiter (Elektronenmangelleiter)
Bei der Dotierung mit Fremdatomen ändert sich nur die Beweglichkeit der Elektronen, nicht das Verhältnis von Elektronen zu Protonen. Auch dotierte Halbleiter sind elektrisch neutral!
12.12.3.1 Elektronenüberschussleiter
Wir ersetzen einige wenige Silicium-Atome im reinen Gitter durch Atome mit fünf Valenzelektronen (Elektronen in der äußersten Schale) wie Phosphor (Bild 12.134).
Von diesen fünf Außenelektronen können aber nur vier davon in das regelmäßige Kristallgitter eingebunden werden. Das restliche Elektron jedes Phosphor-Atoms kann durch thermische Bewegung relativ leicht gelöst werden und wird zu einem freien Elektron. In einem Elektronenüberschussleiter (auch n-dotierter Halbleiter oder n-Leiter; engl. n-type semiconductor) wird gegenüber einem reinen Halbleiter die Konzentration der freien Elektronen erhöht (daher „n“ für negativ). Da das 5. Elektron der Phosphor-Atome aber keine Gitterplätze belegt, ist die Anzahl der Elektronenlöcher gegenüber einem reinen Halbleiter gleich groß. Da die Fremdatome freie Elektronen beisteuern, werden diese auch Donatoren (vom lateinischen Wort dōnāre für „schenken“) genannt.
12.12.3.2 Elektronenmangelleiter
Wir ersetzen einige wenige Silicium-Atome im reinen Gitter durch Atome mit drei Valenzelektronen (Elektronen in der äußersten Schale) wie Aluminium (Bild 12.135).
Jedes Aluminium-Atom lässt einen Platz für ein Elektron im Gitter unbesetzt. Gegenüber einem reinen Halbleiter gibt es in einem Elektronenmangelleiter oder p-dotierter Halbleiter (p-Leiter) (engl. p-type semiconductor) zusätzliche Möglichkeiten für die Löcherleitung. Das „p“ steht für positiv, weil die Fehlstellen im Kristall wie positive Ladungsträger wirken. Die Anzahl der freien Elektronen ist davon unbeeinflusst und gleich groß wie bei einem reinen Halbleiter.
12.12.4 p-n-Übergang
Bei einem p-n-Übergang (engl. p-n-junction) befindet sich auf der einen Seite ein n-dotierten Halbleiter und auf der anderen Seite ein p-dotierten Halbleiter. Sofern sich beide Hälften nicht berühren, sind sie elektrisch neutral (Bild 12.136 a).
Bild 12.136: Aufbau einer Halbleiterdiode: (a) getrennte Teile (b) zusammengesetzte Teile (c) Ladungsdichte an der Übergangsschicht
Nach dem Zusammensetzen beider Hälften dringen durch thermische Bewegung die Elektronen in der Leiterschicht des n-dotierten Halbleiters durch die Grenzschicht und besetzen dort die freien Elektronenplätze im Gitter des p-dotierten Halbleiters („rekombinieren“, b). Die eine Seite der Grenzschicht wird dadurch negativ, die andere Seite positiv geladen (c). Diese Potenzialdifferenz (Diffusionsspannung) bildet sich ohne angelegte Spannung aus. Die Diffusionsspannung sinkt mit steigender Temperatur und beträgt bei Raumtemperatur etwa \(0{,}3\;\mathrm{V}\). Der geladene Bereich um die Kontaktstelle wird als Sperrschicht bezeichnet.
12.12.5 Diode
Eine Diode (engl. diode) ist ein Bauteil, der elektrischen Strom nur in eine Richtung durchlässt – eine Art „Einbahnstraße“ für Elektronen. In Bild 12.137 (a) siehst du das Schaltzeichen einer Diode. Die Kennzeichnung der positiven (\(+\)) und negativen (\(−\)) Seite entspricht einer Beschaltung in Durchlassrichtung. Der Pfeil im Schaltsymbol zeigt dann in die technische Stromrichtung. Darunter in (b) siehst du die übliche Gehäusemarkierung einer Diode: Ein Ring, der die Kathode in Durchlassrichtung markiert.
Bild 12.137: Diode: (a) Schaltzeichen, (b) Gehäusemarkierungen und (c) Schichtenaufbau aus n- und p-dotierten Halbleitern
Eine Halbleiterdiode besteht aus einem einzigen p-n-Übergang. Ist die Diode wie im Bild in Durchlassrichtung gepolt, bewegen sich die Elektronen von rechts nach links (physikalische Stromrichtung entgegen der eingezeichneten technischen Stromrichtung). Betrachte noch einmal das Potenzial in Bild 12.136 (c). Nähert sich das Elektron von der positiven Seite der Grenzschicht, wird es beschleunigt und es genügt ein winziger zusätzlicher „Schubser“, um es auch über den darauffolgenden gleich hohen negativen Potenzialhügel auf die andere Seite der Grenzschicht zu bewegen. Im Falle einer Polung in Sperrrichtung nähert sich das Elektron allerdings von der anderen Seite und trifft an der Grenzschicht zuerst auf das negative Potenzial und wird abgestoßen.
Noch genauer siehst du das Verhalten einer Halbleiterdiode bei angelegter Spannung anhand ihrer Kennlinie (Bild 12.138). Beachte: die Achsen haben in ihren positiven und negativen Bereichen unterschiedliche Skalierungen!
Beginnen wir mit der rechten Seite des Diagramms – das entspricht einer Polung in Durchlassrichtung (engl. forward bias). Die freien Ladungsträger im n-Leiter werden in die Sperrschicht getrieben. Sobald die angelegte Spannung die Sperrspannung (hier etwa \(0{,}6\;\mathrm{V}\)) der Diode übersteigt, wird die Diode durchlässig. Ab dieser Spannung kann der Strom fast ungehindert passieren.
Auf der linken Seite des Diagramms siehst du das Verhalten der Halbleiterdiode bei Polung in Sperrrichtung (engl. reverse bias). Die freien Ladungsträger des n-Leiters bewegen sich zum Pluspol und die Grenzschicht verbreitert sich. In der Praxis wandern aber auch in Sperrrichtung immer ein paar Ladungsträger durch Diffusion durch die Sperrschicht hindurch. Das führt zu einem kleinen, aber messbaren Sperrstrom (Leckstrom) (engl. reverse current), hier etwa \(0{,}01\;\mathrm{\mu A}\). Bei großen Spannungen in Sperrrichtung (Durchbruchspannung, engl. breakdown voltage), hier etwa \(100\;\mathrm{V}\), wird die Diode in Sperrrichtung durchlässig (thermischer Durchbruch). Das Überschreiten der Durchbruchspannung zerstört die Diode (Ausnahme: Zener-Diode).
12.12.6 Leuchtdiode
Eine besondere Diode ist die LED (engl. light-emitting diode, Bild 12.139), die zusätzlich Licht aussendet (Bild 12.139). Werden freie Elektronen im Kristallgitter gebunden („Rekombinieren Elektronen und Löcher“), wird Bindungsenergie frei. Im Fall einer LED wird diese als sichtbares Licht abgestrahlt.
LEDs sind langlebig, robust und benötigen für die gleiche Helligkeit deutlich weniger elektrische Energie als Glühlampen oder Leuchtstoffröhren. Anders als ein herkömmliches Lämpchen leuchtet eine LED allerdings nur, wenn sie in Durchlassrichtung gepolt ist.
Die Betriebsspannung von LEDs beträgt \(2\;\mathrm{V}\) (Rot), \(2{,}3\;\mathrm{V}\) (Gelb/Grün) und \(3\;\mathrm{V}\) (Blau/Weiß). In den meisten Fällen ist die Versorgungsspannung für den direkten Betrieb von LEDs zu groß. Hier muss in der Schaltung ein Vorwiderstand die LED vor zu großer Stromstärke schützen.
12.12.7 Wassermodell einer Diode
Für das Verhalten einer Halbleiterdiode gibt es eine sehr anschauliche mechanische Analogie: ein Regelventil (Bild 12.140).
Zunächst ist die „Wasserdiode“ in Durchlassrichtung gepolt. Ist der Wasserdruck zu gering, um das Ventil zu öffnen, kann kein Wasser fließen (b). Übersteigt der Wasserdruck den Widerstand der Feder, öffnet sich das Ventil und Wasser fließt (Überwindung der Sperrspannung bei der Diode, (c).
Polen wir die „Wasserdiode“ in Sperrrichtung, kann kein Wasser fließen (d). Erst wenn der Wasserdruck so hoch ist, dass das Ventil bricht (Durchbruchspannung bei der Diode), kann Wasser auch in Sperrrichtung fließen (e). Die „Wasserdiode“ ist damit defekt (Ausnahme: Zener-Diode).
12.12.8 Transistor
Eines der wichtigsten Halbleiterbauelemente ist der Transistoren (engl. transitor). Er dient zum Steuern oder Verstärken von elektrischen Spannungen und Strömen. „Transistor“ ist ein Kofferwort aus den englischen Wörtern transfer (durchlassen) und resistor (behindern, sperren).
Die Funktion eines Transistors entspricht der eines elektrischen Regelventils. Je nach Bauweise kann mit einer kleinen Steuerspannung oder einem kleinen Steuerstrom ein großer Laststrom geregelt werden. Ein Transistor kann auch wie ein Ein-/Aus-Schalter verwendet werden. Somit kann er dieselbe Funktion wie ein elektromagnetisches Relais erfüllen, kommt allerdings ohne mechanische Teile aus, ist viel kleiner und kann wesentlich schneller schalten. Alle integrierten Schaltkreise, die Grundlage unserer digitalen Welt, verwenden Transistoren als Schalter. Trotz dieser vielen Vorteile gibt es auch heute noch Situationen, bei denen Relais verwendet werden. Überall dort, wo Steuer- und Laststrom vollständig getrennt sein sollen („galvanisch getrennt“) – etwa im Starkstrom- oder Hochspannungsbereich – werden nach wie vor Relais verwendet.
In Bild 12.141 siehst du verschiedene Bauformen von Transistoren. Die zwei wichtigsten Bauformen von Transistoren sind:
12.12.9 Bipolartransistor
Ein Bipolartransistor (engl. bipolar junction transistor, BJT) ist eine spezielle Bauform eines Transistors. Er besteht aus drei Halbleiterschichten abwechselnder Dotierung (NPN oder PNP), wobei die mittlere Schicht wesentlich dünner ist. Jede Schicht ist mit einem Kontakt versehen. Die Anschlüsse werden
- Emitter E (engl. emitter)
- Basis B (engl. base) und
- Kollektor C (engl. collector)
genannt (Bild 12.142).
Bild 12.142: Schaltsymbol und Aufbau eines npn-Bipolartransistors (Pfeile zeigen die technische Stromrichtung)
Einen Bipolartransistor kannst du dir als Zusammensetzung von zwei Dioden mit entgegengesetzter Durchlassrichtung vorstellen (n-p-Übergang gefolgt von einem p-n-Übergang bei einem npn-Transistor). Daher kann kein Strom durch den Transistor fließen, solange nur eine Spannung an Kollektor und Emitter (egal welche Polung) anliegt – eine der beiden Dioden sperrt immer. Liegt zwischen Emitter und Basis allerdings auch eine Spannung an (Basisspannung), werden aus der Sperrschicht Elektronen über die Basis abtransportiert („Ladungsträgerinjektion“, Basisstrom) und die Rekombination in der Sperrschicht wird vorübergehend aufgehoben. Da die Basis-Schicht sehr dünn ist und viele Elektronenlöcher jetzt unbesetzt sind, können die meisten Elektronen zur Kollektorseite durchwandern und zwischen Emitter und Kollektor fließt ein Strom (Kollektorstrom). Dabei kann der Kollektorstrom das Tausendfache des Basisstroms betragen!
Wird der Basisstrom abgeschaltet, sorgt die thermische Bewegung dafür, dass Elektronen wieder die Elektronenlöcher der Basis-Schicht besetzen und die Sperrschicht wieder aufbauen. Damit ist der Stromfluss zum Kollektor wieder unterbunden.
Beachte: Die hochgesetzten \(+\) in Bild 12.143 sollen die unterschiedliche Dotierung der Materialien andeuten. Die Dotierung der Emitter-Schicht ist etwa zehnmal so groß wie die der Kollektor-Schicht.
Bei einem npn-Bipolartransistor kann der Strom über die Kollektor-Emitter-Strecke immer nur in eine Richtung fließen. Daher gibt es neben dem npn-Transistor auch den pnp-Transistor, der – bei umgekehrter Basisstromrichtung – den Strom in die andere Richtung entlang der Kollektor-Emitter-Strecke passieren lässt (Komplementär-Transistor, Bild 12.144). Während beim npn-Transistor ein Hauptstrom aus freien Elektronen durch einen kleinen Löcherstrom (Basisstrom) gesteuert wird, ist es beim pnp-Transistor umgekehrt: Ein Hauptstrom aus Löchern wird durch einen kleinen Steuerstrom aus freien Elektronen gesteuert.
12.12.10 Wassermodell Bipolartransistor
Die Regelung eines Bipolartransistors mithilfe eines Steuerstromes kannst du dir anhand eines Wassermodells verdeutlichen (Bild 12.145).
Fließt kein Basisstrom (zwischen Emitter und Basis), bleibt die Schleuse geschlossen und es kann kein Kollektorstrom (zwischen Emitter und Kollektor) fließen. Fließt ein Basisstrom, wird die Schleuse geöffnet, und ein Kollektorstrom kann fließen. Die Größe des Basisstroms bestimmt dabei, wie weit die Schleuse geöffnet ist und wie groß der Kollektorstrom werden kann.
12.12.11 Feldeffekttransistor
In Bild 12.146 siehst du den Aufbau eines Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (engl. metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, kurz MOSFET). Die Anschlüsse lauten:
- Source S (engl. für „Zufluss“)
- Gate G (engl. für „Tor“)
- Drain D (engl. für „Abfluss“)
- Bulk/Substrat B
Auf einem p-dotiertem Siliciumeinkristall sind zwei stark n-dotierte Gebiete eingelassen (Source und Drain). Sie bilden eine npn-Schicht wie beim Bipolartransistor, die den Stromfluss in beiden Richtungen sperrt. Über dem Zwischenraum befindet sich eine dünne Isolierschicht. Es kann daher kein Strom zwischen den beiden Kontakten fließen! Gate-Anschluss, Isolierschicht und Bulk-Anschluss bilden einen Kondensator mit Dielektrikum). Wird am Gate eine positive Spannung angelegt, werden durch das elektrische Feld Elektronen in den Zwischenraum gezogen (die Elektronenlöcher zurückgedrängt). Dadurch entsteht ein n-leitender Kanal zwischen Source und Drain, durch den Strom zwischen diesen beiden Kontakten fließen kann. Je größer die Gate-Spannung, desto stärker das elektrische Feld und desto breiter der leitende Kanal. Intern sind Source und Bulk meistens verbunden und ergeben einen Kontakt.
Während beim Bipolartransistor der Laststrom durch einen Steuerstrom geregelt wird, benötigt der Feldeffekttransistor lediglich eine angelegte Spannung. Im statischen Betrieb (konstante Gate-Spannung), fließt über das Gate so gut wie kein Strom. Wie bei einem Kondensator ist nur ein Lade- und Entladestrom notwendig.
12.12.12 Wassermodell Feldeffekttransistor
Die Regelung eines Feldeffekttransistors mithilfe einer Steuerspannung kannst du dir anhand eines Wassermodells verdeutlichen (Bild 12.147).
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Ist der Druck am Gate null, verschließt der elastische Pfropfen den gesamten Rohrquerschnitt und kein Wasser kann durch das Rohr fließen. Durch Erhöhung des Gate-Drucks (Spannung) wird der Pfropfen gestaucht und Wasser kann passieren. Je größer der Druck am Gate, desto größer der Durchfluss zwischen Source und Drain.
12.12.13 Integrierte Schaltkreise
Heute können Transistoren und ganze elektronische Schaltungen auf einem dünnen Plättchen aus Halbleitermaterial aufgebracht werden (Bild 12.148).
Bild 12.148: Silicium-Wafer mit integrierten Schaltkreisen
Auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter können über eine Milliarde Transistoren untergebracht werden. Solche kompakten Schaltungen heißen integrierter Schaltkreis (engl. integrated circuit, kurz IC). Ohne sie wären Computer heute noch so groß wie Schränke oder ganze Innenräume.
Bild 12.149: IC zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals (etwa einer Spannung) in einen 8-Bit-digitalen Wert (Analog-Digital-Wandler).
Nach wie vor gibt es für bestimmte Funktionen standardisierte ICs, bei denen die Größe nur eine geringe Rolle spielt. Teilweise werden diese seit den 1970er-Jahren hergestellt und bestehen nur aus ein paar Dutzend Transistoren (Bild 12.149).
