Fragen zum Halbleiter

carom · Anmeldungsdatum: 11.03.2008 Beiträge: 4

Hallo allesamt,

ich beschäftige mich gerade mich Halbleitern und mir stellen sich da ein paar Fragen - leider bin ich alles andere als ein Physikexperte, deshalb hab ich mich mal hier registriert smile

Also:

Thema Bändermodell:

Am Bändermodell lässt sich ein Halbleiter ja auch erklären.

1) Valenz- und Leitungsband sind ja ca. benachbarte Energieniveaus, oder? Liegt das Energieniveau des verbotenen Bandes genau zwischen beiden und kann von Elektronen des Valenzbandes nicht erreicht werden, so dass sie das verbotene Band überspringen müssen um im Leitungsband das nächsthöhere Niveau zu finden? (anders gesagt: eigentlich wäre das verbotene Band das nächsthöhere Niveau, das ist jedoch verboten und es folgt der Sprung zum übernächsten, dem Leitungsband?)

2) Unterscheiden sich Isolatoren und Halbleiter nur in der Breite des verbotenen Bandes? Was macht diese Breite des verbotenen Bandes eigentlich aus, die höhere Anzahl der verbotenen Zustände/nicht erreichbaren Energieniveaus etwa (welche Valenzb. vom Leitungsb. trennen)? Eine größere räumliche Distanz wird es ja nicht sein, wie man bei Bildern des Bändermodells ja denken könnte.

3) Was bringt die Wärmezufuhr exakt - löst sie Elektronen aus ihren Paarbindungen im Valenzband heraus, oder gibt sie ihnen die Energie um den höheren Zustand des Leitungsbandes zu erreichen, oder beides?

Ich meine hier im Forum gelesen zu haben, dass vollbesetzte Bänder keine Energie aufnehmen können. Im Anfangszustand ist das Valenzband ja voll besetzt - nur kann ich aus dieser Tatsache und Punkt 3 keinen Reim machen.

4) Wenn man den Halbleiter erwärmt, ohne Strom anzulegen, bewegen sich die innen herausgelösten freien Elektronen im Leitungsband willkürlich? Selbe frage für die nun freien Löcher. Denn wenn Strom angelegt ist, ist die Bewegung ja immer relativ geordnet zum Pluspol hin, die Löcher entgegengesetzt (aber ohne Strom keine Pole)..
Wenn man den Halbleiter abkühlt, gehen die Elektronen dann ausnahmlos in die entstandenen Löcher zurück?

Thema Dotieren:

5) Der Halbleiter hat ja eine Eigenleitung, die Temperaturabhängig ist. Wenn man nun Elemente mit einem 5. Außenelektron in z.b. Silizium baut, hat man ja pro verbautes Element ein zusätzliches freies Elektron. Dieses muss nicht erst herausgelöst werden und ins Leitungsband übergehen, sondern ist ja immer frei. Heißt das, ein n-Halbleiter kann auch beim absoluten Nullpunkt leicht leiten, auch wenn die Eigenleitung noch garnicht begonnen hat? Es sind ja immer freie Elektronen da durch die n-Dotierung.

6) Was hat das Dotieren, egal ob n- oder p-, konkret für Auswirkungen? Es ist Elektronenfluss bei niedrigeren Temperaturen möglich, wegen den neuen freien Elektronen... aber die eigentliche Eigenleitung setzt auch erst bei der altbekannten Temperatur ein?

Fragen über Fragen, die meisten werden doof klingen. hoffe dennoch auf hilfe, vielen Dank schonmal! smile

edit: Achja: kann nur Wärme die Elektronen aus dem Valenzband herausbefördern? Habe da noch Licht/Photonen im Hinterkopf..

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

carom · Anmeldungsdatum: 11.03.2008 Beiträge: 4

Vielen Dank für deine ausfürhliche Antwort! Soweit verstanden, nur eines nicht:

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Herauslösen ja, aber was man da löst, ist ja die Bindung des Elektrons an den positiv geladenen Atomrumpf, also eher nicht die Bindung des Elektrons "an ein anderes Elektron".

carom · Anmeldungsdatum: 11.03.2008 Beiträge: 4

Ok, danke soweit.

Wie lässt sich das auf permanente Leiter übertragen? Müssen die Elektronen dort auch erst gelöst werden, und sei der Aufwand dazu auch noch so gering?

Im Bändermodell haben Leiter ja kein verbotenens Band, aber eine minimale Änderung des Energieniveaus von Valenz- in Leitungsband ist auch hier von Nöten?

mfg

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Diese Frage erscheint mir ein bisschen theoretisch. Wenn man sagt, man bräuchte eine winzige Zusatzenergie für Elektronen, damit sie sich in einem Leiter frei bewegen können, und diese Zusatzenergie sei für alle praktischen Zwecke kleiner als die verfügbare Zusatzenergie zum Beispiel durch thermische Bewegung auch bei kleinsten Temperaturen,

bedeutet das dann nicht für alle praktischen Zwecke dasselbe wie "Die Elektronen sind auch ohne Zusatzenergie in Leitern frei beweglich"?

In Leitern gibt es nicht die Unterscheidung zwischen Valenzband und Leitungsband, denn das oberste besetzte Band (Valenzband) ist in Leitern nur zum Teil gefüllt und damit gleichzeitig das Leitungsband. Also muss man hier auch nichts "vom Valenzband ins Leitungsband" anregen.

carom · Anmeldungsdatum: 11.03.2008 Beiträge: 4

Okay danke smile

Eine allerletzte Frage noch, dann hör ich auf solche Fragen zu stellen.

Beim Bipolaren npn-Transistor wird ja durch anlegen einer Spannung an der Basis die BE-Sperrschicht geöffnet, richtig? Es fließen also Elektronen vom Emitter in die Basis. Dort passieren wenige Rekombinationen wegen der dünnen p-Schicht, der Elektronenfluss kann von der Basis nur gering abgesaugt werden.
Doch das mit dem BC-Übergang jhab ich nicht ganz verstanden. Dort ist ja die Sperrschicht nach wie vor aufrecht, dh es können eigentlich keine Elektronen in den Kollektor kommen. Wie schaffen die es trotzdem?
Ich habe gelesen, dass das elektrische Feld der Sperrschicht die Elekktronen in den Kollektor beschleunigt...müsste dieses Feld stattdessen nicht abbremsen? die BC-Sperre ist ja aktiv.
Oder wird diese auf einem anderen Weg überwunden?

Danke

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

Einverstanden, dabei spielt eine große Rolle, dass die Basis-Schicht so dünn ist. (Als Grund dafür würde ich allerdings nicht die Anzahl der rekombinationen betonen.)

Und das hat, wenn man genau hinschauen möchte, in der Tat nicht direkt was mit der anschaulich direkten Vorstellung zu tun, die Elektronen würden so stark vom Emitter in die Basis hineinbeschleunigt, dass sie dann meistens einfach geradeaus in den Kollektor weiterfliegen. Denn an der Basis-Kollektor-Grenzschicht treffen die Elektronen ja auf ein Gegenfeld, das sie abbremst.

Die Elektronen werden also nicht von der Basisschicht in die Kollektorschicht rüberbeschleunigt, sondern sie diffundieren vielmehr von der Basisschicht in die Kollektorschicht hinüber. Denn wenn man mit einem Elektronenstrom aus dem Emitter die Basis mit Elektronen flutet, dann ist die Konzentration an Elektronen in der Basisschicht viel höher als in der Kollektorschicht, und die Elektronen verbringen in dieser superdünnen Basisschicht ein ziemlich lange Zeit ziemlich nahe an der Grenze zwischen Basisschicht und Kollektorschicht. Diese Zeit ist lange genug, dass der größte Teil der Elektronen es gar nicht erst komplett bis zur Basiselektrode schafft, sondern schon längst vorher in den Kollektor hinüberdiffundiert ist.