Was sind die verschiedenen Arten von Halbleitermaterial?
Halbleiter sind wesentliche Bestandteile moderner elektronischer Geräte und damit einer der Grundbausteine moderner Technologie. Um als Halbleitermaterial geeignet zu sein, muss ein Stoff eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die zwischen der von Isolatoren, die sehr wenig Strom leiten, und Leitern, die einen sehr leichten Stromfluss ermöglichen, liegt. Die meisten Halbleitermaterialien sind kristalline anorganische Feststoffe, es existieren jedoch auch Halbleiter aus amorphen Feststoffen und Flüssigkeiten. Übliche Halbleitermaterialien umfassen Silizium, Galliumarsenid und Galliumnitrid, obwohl auch andere existieren. Neben diesen Primärmaterialien enthalten Halbleiter häufig auch geringe Mengen anderer Substanzen, sogenannte Dotierstoffe.
Die Leitfähigkeit eines Halbleitermaterials kann erhöht werden, indem es elektrischer Energie, Magnetfeldern oder anderen Reizen ausgesetzt wird, die die Energieniveaus der Elektronen des Materials erhöhen und dazu führen, dass sich einige von ihnen vom Valenzband mit niedriger Energie zum Band mit höherer Energie mit geringerer Energie bewegen überfülltes Leitungsband. Dies ermöglicht es den angeregten Elektronen, sich freier durch das Material zu bewegen und gleichzeitig positiv geladene Lücken im Valenzband zu erzeugen, die als Elektronenlöcher bezeichnet werden. Dadurch kann Strom durch den Halbleiter fließen. Durch Manipulieren der Leitfähigkeit eines Halbleiters kann er als Schalter verwendet werden. Halbleiter werden auch zur Erzeugung von Sonnenenergie und zur Erfassung von Licht verwendet, da sie bei geeigneter Bestromung durch einfallende Lichtphotonen einen Stromfluss erzeugen können.
Das am häufigsten verwendete Halbleitermaterial ist Silizium, das 14. Element im Periodensystem und eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste. Die meisten Siliciumhalbleiter haben eine regelmäßige Kristallstruktur, in der ihre Atome angeordnet sind, es kann jedoch auch nichtkristallines oder amorphes Silicium verwendet werden. Halbleiter aus amorphem Silizium weisen im Vergleich zu kristallinem Silizium eine schlechtere Leistung auf, aber amorphes Silizium kann in viel dünneren Schichten abgeschieden werden, was die Materialkosten senken kann.
Das nächsthäufigste Halbleitermaterial ist die Verbindung Galliumarsenid (GaAs). Galliumarsenid ist Silizium in einer Reihe von Aspekten überlegen, wie z. B. schnelleres Schalten und höhere Hitzebeständigkeit. Es ist jedoch auch teurer und schwieriger zu verarbeiten und wird daher normalerweise nur für Anwendungen verwendet, bei denen Silizium unzureichend ist. Es leidet auch unter einem höheren Stromverbrauch. Galliumarsenid wird üblicherweise für Zwecke wie Hochgeschwindigkeitselektronik und hocheffiziente Photovoltaikzellen verwendet.
Eine andere Galliumverbindung, die für Halbleiter verwendet wird, ist Galliumnitrid (GaN), das bei sehr hohen Temperaturen und Spannungen funktionieren kann und daher häufig für Anwendungen mit Mikrowellen verwendet wird. Galliumnitrid wird auch in Leuchtdioden (LEDs) und Hochfrequenzlaserdioden sowie in einigen Militärradaren verwendet. Es kann auch mit einem anderen Halbleitermaterial, Indiumnitrid (InN), kombiniert werden, um ein Gemisch zu erzeugen, das als Indiumgalliumnitrid bezeichnet wird. Indiumgalliumnitrid wird üblicherweise in LEDs verwendet und kann auch ein äußerst effizientes Material für Solarzellen sein.
Halbleiter enthalten häufig geringe Mengen an Dotierstoffen, um ihre Leitfähigkeitseigenschaften entsprechend ihrer Funktion zu verändern. Übliche Dotierstoffe in Silizium umfassen die Elemente Bor, Phosphor und Arsen. Mit Metallen wie Mangan dotiertes Galliumarsenid und Galliumnitrid haben sowohl halbleitende als auch ferromagnetische Eigenschaften.