Halbleiterphysik
Halbleiter sind Materialien, deren moderate Bandlücke es ermöglicht, ihre Leitfähigkeit durch Temperatur, Dotierung und angelegte Felder einzustellen, was sie zur physikalischen Grundlage der modernen Elektronik macht.
Definition
Halbleiterphysik ist die Anwendung der elektronischen Bandtheorie auf Materialien mit einer so kleinen Bandlücke, dass thermische Anregung und Dotierung das Leitungsband und Valenzband mit mobilen Elektronen und Löchern besetzen, deren Konzentrationen und Bewegung zur Konstruktion elektronischer Bauelemente gesteuert werden können.
Scope
Dieser Bereich umfasst die Physik halbleitender Festkörper: intrinsisches und extrinsisches (dotiertes) Verhalten, Elektron- und Lochträgerstatistik, die Position des Fermi-Niveaus, die Bildung von p-n-Übergängen und die Bandverbiegung an Grenzflächen sowie die optische Absorption und Transporteigenschaften, die Bauelemente steuern. Er wendet die Bandtheorie auf Materialien mit einer kleinen Bandlücke an und verbindet die mikroskopische elektronische Struktur mit der Funktionsweise von Dioden, Transistoren und optoelektronischen Bauelementen, während Details der Bauelemententwicklung angewandten Feldern überlassen werden.
Sub-topics
Core questions
- Wie macht die kleine Bandlücke eines Halbleiters seine Trägerkonzentration empfindlich gegenüber Temperatur und Dotierung?
- Welche Rolle spielen Löcher, und wie erzeugen Donator- und Akzeptorverunreinigungen n-leitendes und p-leitendes Material?
- Wie gleichrichtet ein p-n-Übergang Strom durch Bandverbiegung und ein eingebautes Potential?
- Was bestimmt die optische Absorption und Trägermobilität, die Halbleiterbauelemente steuern?
Key concepts
- Bandlücke, Leitungsband und Valenzband
- Elektronen und Löcher als Ladungsträger
- Donator- und Akzeptordotierung (n-Typ und p-Typ)
- Fermi-Niveau und Trägerstatistik
- p-n-Übergang, eingebautes Potential und Gleichrichtung
Key theories
- Trägerstatistik und das Massenwirkungsgesetz
- Die Gleichgewichtskonzentrationen von Elektronen und Löchern ergeben sich aus der Zustandsdichte und der Fermi-Dirac-Statistik; ihr Produkt ist bei einer gegebenen Temperatur festgelegt, so dass eine Dotierung, die einen Träger erhöht, den anderen unterdrückt.
- p-n-Übergangs-Gleichrichtung
- Das Zusammenfügen von p-leitendem und n-leitendem Material gleicht das Fermi-Niveau an, verbiegt die Bänder und erzeugt eine Verarmungszone mit einem eingebauten Feld, das den Strom nur in eine Richtung leicht fließen lässt, die Grundlage der Diode.
Clinical relevance
Die Halbleiterphysik ist die Grundlage der gesamten Elektronik- und Informationstechnologiebranche: Dioden, Transistoren, integrierte Schaltkreise, Solarzellen, Leuchtdioden, Laser und Photodetektoren basieren alle auf der hier entwickelten Träger- und Übergangsphysik.
History
Die Quantentheorie der Bänder erklärte das Halbleiterverhalten in den 1930er Jahren, und die Erfindung des Spitzkontakt- und Sperrschichttransistors durch Bardeen, Brattain und Shockley in den Bell Labs 1947-1948 machte die Halbleiterphysik zur Grundlage der modernen Elektronik und der nachfolgenden Mikroelektronik-Revolution.
Key figures
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
Related topics
Seminal works
- sze2007
- ashcroft1976
Frequently asked questions
- Was ist ein Loch?
- Ein Loch ist das Fehlen eines Elektrons in einem ansonsten gefüllten Valenzband; es verhält sich wie ein positiv geladener mobiler Träger, und das Verfolgen von Löchern ist weitaus einfacher als das Verfolgen der vielen Elektronen, die sich bewegen, um sie zu füllen.
- Warum verändert das Hinzufügen winziger Mengen von Verunreinigungen die Leitfähigkeit so dramatisch?
- Donator- oder Akzeptoratome führen Energieniveaus direkt innerhalb der Bandlücke ein, die bei Raumtemperatur leicht ionisiert werden können, so dass selbst eine Dotierung im Bereich von Teilen pro Million die Konzentration freier Ladungsträger um viele Größenordnungen verändern kann.