Strom aus Licht - Institut für naturwissenschaftliche Grundlagen

Kapitel 3: Physik der Halbleiter 20
3.3 Ladungstransport in Halbleitern
Völlig anders ist die Situation bei praktisch reinen Halbleitern. Die Zahl der frei beweglichen
Elektronen ist 10 6 bis 10 10 mal kleiner als im Metall und hängt stark von der Temperatur und
chemischen Verunreinigungen ab. Figur 3.1 b) zeigt, weshalb:
Cu
+29
-28
Cu
+29
-28
Cu
+29
-28
Si
+14
-10
Si
+14
-10
Si
+14
-10
Cu
+29
-28
Cu
+29
-28
Cu
+29
-28
Si
+14
-10
Si
+14
-10
Si
+14
-10
Cu
+29
-28
Cu
+29
-28
Cu
+29
-28
Si
+14
-10
Si
+14
-10
Si
+14
-10
Links Fig. 3.1 a) Metallische Bindung in Kupfer: Ein "See" frei beweglicher Elektronen hält die
Atomrümpfe zusammen.
Rechts Fig. 3.1 b) Kovalente Bindung beim Silizium: Nicht frei bewegliche Elektronenpaare binden die
Atomrümpfe. Die grauen Ringe um die weiss dargestellten Atomkerne symbolisieren die
Elektronenhüllen der Atomrümpfe. Die Zahlen geben die jeweilige Ladung an.
Im Metall werden die positiv geladenen Atomrümpfe durch den "See" der sehr zahlreichen
Leitungselektronen zusammengehalten (Fig. 3.1 a). Nicht so beim Halbleiter. Dort werden die
Atomrümpfe durch ein dazwischenliegendes, nicht frei bewegliches Paar von Elektronen aneinander
gebunden. Man spricht von Elektronenpaarbindung oder kovalenter Bindung.
Die Atomrümpfe sind beim Halbleiter so angeordnet, dass jeder Atomrumpf vier nächste
Nachbarn hat. An diese ist er durch je ein Elektronenpaar gebunden. Beim Ein-Element-
Halbleiter, der also nur eine Atomsorte enthält, stammen vier dieser insgesamt acht Elektronen
von dem einen Atomrumpf, die restlichen Vier stammen von den vier Nachbarn. Ein-Elementhalbleiter
bestehen also aus vierwertigen Elementen. Wichtige Beispiele sind Silizium und
Germanium. Beim Verbindungshalbleiter muss die durchschnittliche Wertigkeit vier betragen.
So sind es wiederum die acht Valenzelektronen, welche jedes Atom zu seinen vier nächsten
Nachbarn binden. Ein Beispiel für einen III-V-Verbindungshalbleiter ist Gallium-Arsenid
(GaAs); ein Beispiel für eine halbleitende II-VI-Verbindung ist Cadmium-Sulfid (CdS).
Durch die Temperaturbewegung der Atomrümpfe verlassen einzelne Valenzelektronen
gelegentlich ihren Platz. In diesem Zustand haben sie dann dieselbe freie Beweglichkeit wie die
Leitungselektronen im Metall. Wir haben also im Halbleiter einen im Vergleich zum Metall sehr
stark verdünnten "See" von Leitungselektronen. Der Seespiegel steigt mit der Temperatur rapid
an. Dies erklärt sowohl den viel grösseren spezifischen Widerstand als auch das entgegengesetzte
Temperaturverhalten der Halbleiter im Vergleich zu den Metallen.
ETH-Leitprogramm Physik
Strom aus Licht