Intrinsische und extrinsische Halbleiter

Ein reiner Halbleiter leitet nur durch thermisch erzeugte Elektron-Loch-Paare, aber die gezielte Zugabe von Donator- oder Akzeptorverunreinigungen wandelt ihn in n-leitendes oder p-leitendes Material mit kontrollierbarer Leitfähigkeit um.

Definition

Ein intrinsischer Halbleiter ist ein reiner Kristall, in dem durch thermische Anregung über die Bandlücke gleiche Anzahlen von Elektronen und Löchern erzeugt werden; ein extrinsischer Halbleiter ist ein dotierter Halbleiter mit Donator- oder Akzeptorverunreinigungen, die einen Überschuss eines Ladungsträgertyps erzeugen und ihn n-leitend oder p-leitend machen.

Scope

Dieses Thema unterscheidet intrinsische Halbleiter, bei denen die Elektronen- und Lochkonzentrationen gleich sind und durch thermische Anregung über die Bandlücke bestimmt werden, von extrinsischen (dotierten) Halbleitern, bei denen Donator- oder Akzeptorverunreinigungen Majoritätsladungsträger liefern. Es behandelt die flachen Donator- und Akzeptorniveaus, die Ionisation, die Temperaturbereiche des Ausfrierens (freeze-out), des extrinsischen und des intrinsischen Verhaltens sowie die daraus resultierende Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerkonzentration. Es bereitet die nachfolgenden Themen der Ladungsträgerstatistik und der pn-Übergänge vor.

Core questions

• Wie werden Ladungsträger in einem reinen Halbleiter erzeugt, und warum steigt die intrinsische Konzentration mit der Temperatur steil an?
• Wie erzeugen Donator- und Akzeptorverunreinigungen n-leitendes und p-leitendes Material?
• Warum sind Dotierstoffenergieniveaus flach, und wie variiert die Ionisation mit der Temperatur?
• Was sind die Ausfrier-, extrinsischen und intrinsischen Bereiche der Ladungsträgerkonzentration?

Key concepts

• Intrinsische Ladungsträgerkonzentration
• Donator- und Akzeptorverunreinigungen
• n-leitendes und p-leitendes Material
• Flache Störstellenniveaus und Ionisation
• Ausfrier-, extrinsische und intrinsische Bereiche

Clinical relevance

Die kontrollierte Dotierung, die extrinsisches von intrinsischem Material unterscheidet, ist die Grundlage aller Halbleiterbauelemente; die Auswahl des Dotierungstyps und der Konzentration bestimmt die Ladungsträgerdichte und Leitfähigkeit der Bereiche, die Dioden, Transistoren und integrierte Schaltungen bilden.

History

Die Rolle von Verunreinigungen bei der Halbleiterleitung wurde in den 1930er und 1940er Jahren geklärt, und die Entwicklung der kontrollierten Dotierung und des Einkristallwachstums in den Bell Labs in den späten 1940er und frühen 1950er Jahren ermöglichte reproduzierbares n-leitendes und p-leitendes Material, was den Transistor und die Halbleiterindustrie hervorbrachte.

Key figures

• William Shockley
• Gordon Teal
• Walter Brattain

Seminal works

• sze2007
• ashcroft1976

Frequently asked questions

Was macht einen Dotierstoff zu einem Donator oder einem Akzeptor?

Ein Donator hat ein Valenzelektron mehr als das Wirtsatom, das er ersetzt, und gibt es leicht an das Leitungsband ab (n-Typ); ein Akzeptor hat eines weniger, fängt ein Elektron aus dem Valenzband ein und hinterlässt ein Loch (p-Typ).

Warum leitet ein intrinsischer Halbleiter besser, wenn er erhitzt wird?

Eine Erhöhung der Temperatur verleiht mehr Elektronen genügend Energie, um die Bandlücke zu überwinden, wodurch die Anzahl der Elektron-Loch-Paare, die Strom leiten können, exponentiell ansteigt, im Gegensatz zu einem Metall, dessen Leitfähigkeit mit Erwärmung abnimmt.