Elektronik von Halbleiterbauelementen

Halbleiterbauelement, elektronische Schaltungskomponente aus einem Material, das weder ein guter Leiter noch ein guter Isolator ist (daher Halbleiter). Solche Geräte haben aufgrund ihrer Kompaktheit, Zuverlässigkeit und geringen Kosten breite Anwendung gefunden. Als diskrete Komponenten haben sie Verwendung in Leistungsgeräten, optischen Sensoren und Lichtemittern, einschließlich Festkörperlasern, gefunden. Sie verfügen über ein breites Spektrum an Strom- und Spannungshandhabungsfunktionen mit Nennstromstärken von wenigen Nanoampere (10 ^–9)Ampere) auf mehr als 5.000 Ampere und Nennspannungen über 100.000 Volt. Noch wichtiger ist, dass sich Halbleiterbauelemente für die Integration in komplexe, aber leicht herstellbare mikroelektronische Schaltungen eignen. Sie sind und bleiben in absehbarer Zeit die Schlüsselelemente für die meisten elektronischen Systeme, einschließlich Kommunikations-, Verbraucher-, Datenverarbeitungs- und Industriesteuerungsgeräte.

Halbleiter- und Verbindungsprinzipien

Halbleitermaterialien

Festkörpermaterialien werden üblicherweise in drei Klassen eingeteilt: Isolatoren, Halbleiter und Leiter. (Bei niedrigen Temperaturen können einige Leiter, Halbleiter und Isolatoren zu Supraleitern werden.) Abbildung 1 zeigt die Leitfähigkeiten σ (und die entsprechenden spezifischen Widerstände ρ = 1 / σ), die einigen wichtigen Materialien in jeder der drei Klassen zugeordnet sind. Isolatoren wie Quarzglas und Glas weisen sehr niedrige Leitfähigkeiten in der Größenordnung von 10 ^–18 bis 10 ^–10 Siemens pro Zentimeter auf; und Leiter wie Aluminium weisen hohe Leitfähigkeiten auf, typischerweise von 10 ⁴ bis 10 ⁶ Siemens pro Zentimeter. Die Leitfähigkeiten von Halbleitern liegen zwischen diesen Extremen.

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters ist im Allgemeinen empfindlich gegenüber Temperatur, Beleuchtung, Magnetfeldern und winzigen Mengen an Verunreinigungsatomen. Beispielsweise kann die Zugabe von weniger als 0,01 Prozent einer bestimmten Art von Verunreinigung die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters um vier oder mehr Größenordnungen (dh das 10.000-fache) erhöhen. Die Bereiche der Halbleiterleitfähigkeit aufgrund von Verunreinigungsatomen für fünf übliche Halbleiter sind in Abbildung 1 angegeben.

Das Studium der Halbleitermaterialien begann im frühen 19. Jahrhundert. Im Laufe der Jahre wurden viele Halbleiter untersucht. Die Tabelle zeigt einen Teil des Periodensystems, der sich auf Halbleiter bezieht. Die elementaren Halbleiter sind solche, die aus einzelnen Arten von Atomen wie Silizium (Si), Germanium (Ge) und grauem Zinn (Sn) in Spalte IV und Selen (Se) und Tellur (Te) in Spalte VI bestehen. Es gibt jedoch zahlreiche Verbindungshalbleiter, die aus zwei oder mehr Elementen bestehen. Galliumarsenid (GaAs) ist beispielsweise eine binäre III-V-Verbindung, die eine Kombination aus Gallium (Ga) aus Spalte III und Arsen (As) aus Spalte V ist.

Teil des Periodensystems der Elemente, die sich auf Halbleiter beziehen

Zeitraum	Säule
	II	III	IV	V.	VI
2	Bor B.	Kohlenstoff C.	Stickstoff N.
3	Magnesium Mg	Aluminium Al	Silizium Si	Phosphor P.	Schwefel S.
4	Zink Zn	Gallium Ga	Germanium Ge	Arsen As	Selen Se
5	Cadmium Cd	Indium In	Zinn Sn	Antimon Sb	Tellur Te
6	Quecksilber Hg	Blei Pb

Ternäre Verbindungen können durch Elemente aus drei verschiedenen Säulen gebildet werden, wie beispielsweise Quecksilberindiumtellurid (HgIn ₂ Te ₄), eine II-III-VI-Verbindung. Sie können auch durch Elemente aus zwei Säulen gebildet werden, wie beispielsweise Aluminiumgalliumarsenid (Al _x Ga _{1 - x} As), eine ternäre III-V-Verbindung, bei der sowohl Al als auch Ga aus Spalte III stammen und der Index x verwandt ist auf die Zusammensetzung der beiden Elemente von 100 Prozent Al (x = 1) bis 100 Prozent Ga (x = 0). Reines Silizium ist das wichtigste Material für die Anwendung integrierter Schaltkreise, und binäre und ternäre III-V-Verbindungen sind für die Lichtemission am wichtigsten.

Vor der Erfindung des Bipolartransistors im Jahr 1947 wurden Halbleiter nur als Bauelemente mit zwei Anschlüssen wie Gleichrichter und Fotodioden verwendet. In den frühen 1950er Jahren war Germanium das wichtigste Halbleitermaterial. Es erwies sich jedoch für viele Anwendungen als ungeeignet, da Vorrichtungen aus dem Material hohe Leckströme bei nur mäßig erhöhten Temperaturen zeigten. Seit den frühen 1960er Jahren ist Silizium ein praktischer Ersatz geworden, der Germanium als Material für die Halbleiterherstellung praktisch ersetzt. Die Hauptgründe dafür sind zweierlei: (1) Siliziumvorrichtungen weisen viel geringere Leckströme auf, und (2) hochwertiges Siliziumdioxid (SiO ₂), das ein Isolator ist, ist leicht herzustellen. Die Siliziumtechnologie ist mittlerweile die mit Abstand fortschrittlichste unter allen Halbleitertechnologien, und Geräte auf Siliziumbasis machen mehr als 95 Prozent aller weltweit verkauften Halbleiterhardware aus.

Viele der Verbindungshalbleiter haben elektrische und optische Eigenschaften, die in Silizium fehlen. Diese Halbleiter, insbesondere Galliumarsenid, werden hauptsächlich für Hochgeschwindigkeits- und optoelektronische Anwendungen verwendet.