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Leitungsmechanismus

Prozeß der Entstehung und Bewegung von Ladungsträgern in Halbleitern. Der L. in Halbleitern läßt sich am Beispiel von hochreinem Silicium (Si) vereinfacht folgendermaßen verstehen: Bei der Temperatur des absoluten Nullpunkts (etwa -273°C) befinden sich alle Si-Atome im Gitter in ihren Ruhelagen. Die die Kristallbindungen bewirkenden Valenzelektronen sind örtlich fest an die Gitteratome gebunden, freie Elektronen sind deshalb im Halbleiterkristall nicht vorhanden. Im Bändermodell bedeutet dies, daß das Valenzband voll mit Elektronen besetzt, das Leitungsband völlig leer ist. Es kann weder Elektronen-noch Löcherleitung stattfinden, der Halbleiter wirkt wie ein Isolator. Mit wachsender Temperatur nimmt das Kristallgitter (bestehend aus Atomrümpfen und Valenzelektronen) thermische Energie auf, und die Si-Atome beginnen um ihre Ruhelage zu schwingen. Diese Gitterschwingungen sind um so stärker ausgeprägt, je höher die Temperatur ist. Andererseits werden auch die Valenzelektronen thermisch angeregt (Anregung). Einige Elektronen nehmen dabei so viel Energie auf, daß sie die Bindungskräfte überwinden können und aus den Gitterbindungen ausbrechen: Es entstehen freie Elektronen, d. h. negative Ladungsträger (Generation). Da die Elektronen im Gitter Lük-ken zurücklassen, entstehen gleichzeitig Defektelektronen (Löcher), d. h. positive Ladungsträger. Unter dem Einfluß eines angelegten elektrischen Feldes findet im Halbleiter eine Stromleitung statt (Eigenleitung). Im Bändermodell entspricht dieser Vorgang der (energetischen) Anhebung der Elektronen infolge der aufgenommenen Energie vom Valenzband über die verbotene Zone ins Leitungsband. Dort können sie sich als Leitungselektronen frei bewegen und zur positiven Elektrode laufen. Im Valenzband bleiben bewegliche Löcher zurück. Diese bewegen sich sukzessive zur negativen Elektrode hin, indem sie die zur positiven Elektrode wandernden Elektronen aufnehmen, die ihrerseits an anderer Stelle Löcher hinterlassen. Das Einfangen der Elektronen durch die Orte mit positiven Ladungen führt zu einer Ladungsträgervernichtung (Rekombination) und bewirkt die begrenzte Lebensdauer der Ladungsträger. Bei einer gegebenen Temperatur stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der thermischen Erzeugung und der Vernichtung von Ladungsträgerpaaren ein, da im Zeitmittel genauso viele Elektron-Loch-Paare entstehen wie verschwinden. Die mittleren Elektronen- und Löcherdichten bleiben demgemäß konstant. Werden in das Siliciumgitter nun zusätzlich Störstellen durch Dotierung eingebracht, bewirken diese eine zusätzliche Stromleitung infolge Störstellenleitung. Sie ist bei niedrigen Temperaturen (unter 100 K) sehr klein, überdeckt aber bei höheren Temperaturen fast vollständig die Eigenleitung, so daß bei Raumtemperatur (300 K) der Strom praktisch völlig von der Störstellenleitung getragen wird. Bei noch höheren Temperaturen (oberhalb 500 °C) nimmt der Stromfluß stark zu, da jetzt der Großteil der Valenzelektronen ionisiert werden kann. Die Leitfähigkeit (Leitfähigkeit, spezifische) zeigt dementsprechend einen steilen Anstieg über mehrere Größenordnungen. Die Bewegung der Ladungsträger im Gitter verläuft nicht ungestört, sondern wird durch mehrere Streuprozesse behindert. Zum einen erfährt das Elektronengas (Leitungselektronen) elastische Stöße mit den schwingenden Gitteratomen. Diese Gitterstreuung nimmt mit wachsender Temperatur zu. Zum anderen werden die Ladungsträger von den ionisierten, d. h. geladenen Störstellen durch elektrostatische Beeinflussung von ihrer geradlinigen Bahn abgelenkt. Die Störstellenstreuung wird mit wachsender Temperatur geringer. Folglich ist die Ladungsträgerbeweglichkeit vor allem von der Temperatur und der Störstellenkonzentration abhängig. Andere Streuvorgänge spielen i. allg. eine untergeordnete Rolle.

 

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