Halbleiter – Aufbau, Eigenschaften, Herstellung, IR-Optik
von: Martin
Halbleiter besitzen im Bändermodell ein Leitungsband und ein Valenzband. Bei Halbleitern ist das Valenzband voll besetzt. Im Leitungsband befinden sich bei 0 K keine freien Elektronen. Zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband gibt es einen Bandabstand, dessen Energiedifferenz vom Werkstoff abhängig ist und bei Halbleitern weniger als 3 eV beträgt.
ΔE Silizium ® 1,12 eV
ΔE Germanium ® 0,72 eV
ΔE Galliumarsenid ® 1,43 eV
Die Eigenleitung von Halbleitern kommt dadurch zustande, dass durch Temperatur, Licht oder Verunreinigungen Elektronen aus dem vollbesetzten Valenzband in das noch leere Leitungsband angeregt werden, wo sie sich unter Einfluss eines elektrischen Feldes wie fast freie Elektronen bewegen und zum elektrischen Stromfluss beitragen (n-Leitung). Gleichzeitig bleibt im Valenzband ein so genanntes Loch mit positiver elektrischer Ladung übrig, das sich in Gegenrichtung bewegt (p-Leitung).
Halbleiterwerkstoffe bilden Kristalle aus. Kristalle besitzen unterschiedliche Strukturen. Sie können monokristallin oder polykristallin aufgebaut sein. Wenn die Form und die Flächen seinem Gitterbau entsprechen spricht man von Einkristallen. Sind die Kristalle jedoch durch mehrere Kristalle aufgebaut, spricht man von polykristallinen Stoffen.
Diese Kristalle werden unter anderem im Institut für Kristallzüchtung (IKZ) in Berlin gezüchtet. Um monokristallines Silizium herzustellen gibt es hauptsächlich zwei Verfahren die in der Technik Anwendung finden. Das sind zum einen das sogenannte Czochralski-Verfahren (links) und das Zonenschmelzverfahren (rechts).
Halbleiter werden auch genutzt für die Optik einer IR-Kamera. Für Linsen muss ein Material verwendet werden, dass für die entsprechenden Strahlung durchlässig (transmissiv) ist:
| IR-Optik Materialien | Wellenlängenbereich in µm, wo Stoffe transmissiv sind |
| Germanium (Ge) |
2 – 17 |
| Silizium (Si) |
1,06 – 6,7 und 30-FIR |
| Saphir (Al2O3) |
0,15 – 5 |
| Calciumfluorid (CaF2) |
0,15 – 8 |
| Bariumfluorid (BaF2) |
0,3 – 9,5 |
| Zinkselenid (ZnSe) |
0,5 – 20 |
Vollständig durchlässig sind die Halbleitermaterialien für die Infrarotstrahlung jedoch nicht. An ihnen treten auch kleine Reflexionen auf. Um das zu verhindern wird eine Anti-Reflexschicht Schicht aus Diamant auf der Linse aufgetragen.
Quellen:
http://rmico.com/technical-notes/zns-cleartran-sapphire-spinel#sapphire
http://rmico.com/technical-notes/bk7-quartz-ge-si#si
http://rmico.com/technical-notes/mgf2-caf2-uvfs-irfs#calcium-fluoride
http://rmico.com/technical-notes/baf2-znse-amtir-gaas#baf2
http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/bohmayr/img12.gif
http://www.et.hs-mannheim.de/kni/pvr/pv/halbleiter/sv12112169.jpg
http://www-tet.ee.tu-berlin.de/lehre/Grundlagen-ET-2/folie003.png
http://www-tet.ee.tu-berlin.de/lehre/Grundlagen-ET-2/folie004.png
