Quelltext der Seite Halbleiter – chemie-schule.de

'''Halbleiter''' sind [[Festkörper]], die hinsichtlich ihrer [[Elektrische Leitfähigkeit|elektrischen Leitfähigkeit]] sowohl als [[Leiter (Physik)|Leiter]] als auch als [[Nichtleiter]] betrachtet werden können. Halbleiter können verschiedene chemische Strukturen besitzen. Unterschieden wird zwischen '''Elementhalbleitern''', die aus einem einzigen Element aufgebaut sind,  und '''Verbindungshalbleitern'''<ref>Graham Chedd: ''Halbmetalle.'' Verlag DVA, Stuttgart 1971, ISBN 3-421-02246-1.</ref>, hierbei speziell den organischen Halbleitern.

Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark temperaturabhängig. In der Nähe des absoluten [[Absoluter Nullpunkt|Temperaturnullpunkts]] sind Halbleiter Isolatoren. Bei Raumtemperatur sind sie je nach materialspezifischem Abstand von [[Leitungsband|Leitungs]]- und [[Valenzband]] leitend oder nichtleitend. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern nimmt mit steigender Temperatur zu, sie gehören damit zu den [[Heißleiter]]n. Des Weiteren lässt sich die Leitfähigkeit durch das Einbringen von Fremdatomen ([[Dotierung|Dotieren]]) aus einer anderen chemischen Hauptgruppe in weiten Grenzen gezielt beeinflussen.

Halbleiter werden in [[einkristall]]iner, [[polykristall]]iner und [[Amorphes Material|amorpher]] Form verwendet.
Bedeutung haben Halbleiter für die [[Elektrotechnik]] und insbesondere für die [[Elektronik]], hierbei kann ihre Leitfähigkeit durch Anlegen einer Steuerspannung oder eines Steuerstroms wie zum Beispiel beim [[Transistor]] an geeignete Strukturen verändert werden oder sie weisen eine richtungsabhängige Leitfähigkeit auf ([[Diode]], [[Gleichrichter]]).
Weitere Anwendungen sind [[Heißleiter]], [[Varistor]]en, Strahlungssensoren ([[Photoleiter]], [[Fotowiderstand|Fotowiderstände]], [[Photodiode]]n beziehungsweise [[Solarzelle]]n), [[Thermoelektrischer Generator|thermoelektrische Generatoren]], [[Peltierelement]]e sowie Strahlungs- beziehungsweise [[Lichtquelle]]n ([[Laserdiode]], [[Leuchtdiode]]).
[[Datei:Etchedwafer.jpg|miniatur|hochkant=1.5|Ein [[Wafer]] (einkristalline [[Silicium]]-Scheibe) mit mikroelektronischen Bauelementen]]

== Geschichte ==
[[Stephen Gray]] entdeckte 1727 den Unterschied zwischen Leiter und Nichtleiter. Nachdem [[Georg Simon Ohm]] 1821 das [[Ohmsches Gesetz|Ohmsche Gesetz]] aufstellte, womit die Proportionalität zwischen Strom und Spannung in einem elektrischen Leiter beschrieben wird, konnte auch die [[Elektrische Leitfähigkeit|Leitfähigkeit]] eines Gegenstandes bestimmt werden.

Der [[Nobelpreis]]träger [[Ferdinand Braun]] entdeckte den [[Gleichrichter]]effekt der Halbleiter 1874. Er schrieb: „[…] bei einer großen Anzahl natürlicher und künstlicher Schwefelmetalle […] der Widerstand derselben war verschieden mit Richtung, Intensität und Dauer des Stroms. Die Unterschiede betragen bis zu 30 % des ganzen Wertes.“ Er beschrieb damit erstmals, dass der ohmsche Widerstand veränderlich sein kann.

[[Greenleaf Whittier Pickard]] erhielt 1906 das erste Patent für eine auf [[Silicium]] basierende [[Spitzendiode]] zur [[Demodulation]] des Trägersignals in einem [[Detektorempfänger]]<ref>{{Patent|Land=US|V-Nr=836531|Erfinder=[[Greenleaf Whittier Pickard]]|Titel=Means For Receiving Intelligence Communicated By Electric Waves|V-Datum=1905-11-20}}</ref><ref>Jed Margolin: ''[http://www.jmargolin.com/history/trans.htm The Road to the Transistor].'' 2004</ref>. Anfangs wurde im gleichnamigen Empfänger („{{lang|en|Pickard Crystal Radio Kit}}“) meistens [[Bleiglanz]] als Halbleiter verwendet, wobei in den 1920er Jahren robustere und leistungsfähigere Dioden auf Basis von Kupfersulfid-Kupfer-Kontakten entstanden. Die Funktionsweise des auf einem Halbleiter-Metall-Übergang basierenden Gleichrichtereffektes blieb trotz technischer Anwendung über Jahrzehnte ungeklärt. Erst [[Walter Schottky]] konnte 1939 die theoretischen Grundlagen zur Beschreibung der nach ihm benannten [[Schottky-Diode]] legen.

Das erste Patent zum Prinzip des Transistors wurde schon 1925 von [[Julius Edgar Lilienfeld]] (US-Physiker österreichisch-ungarischer Abstammung) angemeldet <ref>{{Patent|Land=US|V-Nr=1745175|Erfinder=Julius Edgar Lilienfeld|Titel=Method and Apparatus For Controlling Electric Currents|Kommentar=Erstanmeldung am {{FormatDate|1925-10-22}} in Kanada.}}</ref>. Lilienfeld beschreibt in seiner Arbeit ein elektronisches Bauelement, welches im weitesten Sinne mit heutigen [[Feldeffekttransistoren]] vergleichbar ist, ihm fehlten seinerzeit die notwendigen Technologien, Feldeffekttransistoren praktisch zu realisieren <ref>Reinhold Paul: ''Feldeffekttransistoren&nbsp;– physikalische Grundlagen und Eigenschaften.'' Verlag Berliner Union [u.&nbsp;a.], Stuttgart 1972, ISBN 3-408-53050-5.</ref>.

Als 1947 in den [[Bell Laboratories]] die Wissenschaftler [[John Bardeen]], [[William Bradford Shockley]] und [[Walter Houser Brattain]] zwei Metalldrahtspitzen auf ein Germaniumplättchen steckten und somit die p-leitende Zone mit der zweiten Drahtspitze mit einer elektrischen Spannung steuern konnten, war der [[Spitzentransistor]] ([[Bipolartransistor]]) ''realisiert'' worden. Dies brachte ihnen den Physik-[[Nobelpreis]] von 1956 ein und begründete die Mikroelektronik. 

Die Herstellung von hochreinem [[Silicium]] gelang 1954 [[Eberhard Spenke]] und seinem Team in der [[Siemens & Halske]] AG mit dem [[Zonenschmelzverfahren]]. Dies brachte Mitte der 1950er Jahre zusammen mit der Verfügbarkeit eines Isolationsmaterials ([[Siliciumdioxid]]) mit günstigen Eigenschaften (nicht wasserlöslich wie [[Germanium(IV)-oxid|Germaniumoxid]], einfach herstellbar, usw.) den Durchbruch von Silicium als Halbleitermaterial für die Elektronikindustrie und etwa 30&nbsp;Jahre später auch für die ersten Produkte der [[Mikrosystemtechnik]]. Für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen wird heute (2009) fast ausschließlich mit dem [[Czochralski-Verfahren]] kostengünstiger hergestelltes Silicium verwendet.

[[Alan Heeger]], [[Alan MacDiarmid]] und [[Hideki Shirakawa]] zeigten 1976, dass bei einer Dotierung von [[Polyethin|Polyacetylen]]&nbsp;–&nbsp;einem [[Polymer]], das im undotierten Zustand ein Isolator ist&nbsp;–&nbsp;mit Oxidationsmitteln der [[Spezifischer Widerstand|spezifische elektrische Widerstand]] bis zu 10<sup>−5</sup>&nbsp;Ω·m ([[Silber]]: ≈10<sup>−8</sup>&nbsp;Ωm) sinken kann. Im Jahre 2000 erhielten sie dafür den [[Chemienobelpreis]] (siehe Abschnitt [[#Organische Halbleiter|organische Halbleiter]]).<ref>{{Literatur|Autor=Hideki Shirakawa, Edwin J. Louis, Alan G. MacDiarmid, Chwan K. Chiang, Alan J. Heeger|Titel=Synthesis of electrically conducting organic polymers: halogen derivatives of polyacetylene, (CH)x|Sammelwerk=[[Chemical Communications|J. Chem. Soc., Chem. Commun.]]|Nummer=16|Jahr=1977|Seiten=578-580|DOI=10.1039/C39770000578}}</ref> <ref>{{Literatur|Autor=C. K. Chiang, C. R. Fincher, Y. W. Park, A. J. Heeger, H. Shirakawa, E. J. Louis, S. C. Gau, A. G. MacDiarmid|Titel=Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene|Sammelwerk=[[Physical Review|Physical Review Letters]]|Band=39|Nummer=17|Jahr=1977|Seiten=1098–1101|DOI=10.1103/PhysRevLett.39.1098}}</ref>

== Einteilung ==
{{Überarbeiten|grund=Die Einteilung/Übersicht ist unvollständig. Es fehlen beispielsweise Angaben zu amorphen Halbleitern und Ionenhalbleitern. zudem bezieht sich der Abschnitt sehr stark auf kristalline Halbleiter, die immer wichtiger werdenden amorphen Halbleitern, zu denen die meisten organischen Halbleiter gehören, werden nicht erwähnt.|2=Dieser Abschnitt}}
In der [[Mikroelektronik]] verwendete Halbleiter lassen sich in zwei Gruppen einordnen, den ''Elementhalbleitern'' und den ''Verbindungshalbleitern''. Zu den Elementhalbleitern zählen Elemente mit vier [[Valenzelektron]]en, beispielsweise Silicium (Si) und [[Germanium]] (Ge). Die Gruppe der Verbindungshalbleiter umfasst [[Chemische Verbindung]]en, die im Mittel vier Valenzelektronen besitzen. Dazu zählen Elemente der III. und V.&nbsp;Hauptgruppe des [[Periodensystem]]s ''([[III-V-Halbleiter]])'', wie [[Galliumarsenid]] (GaAs) oder [[Indiumantimonid]] (InSb), und der II. und VI.&nbsp;Hauptgruppe ''(II-VI-Halbleiter)'', wie Zinkselenid (ZnSe) oder [[Cadmiumsulfid]] (CdS).

Neben diesen häufig eingesetzten Halbleitern gibt es noch die ''I-VII-Halbleiter'', wie [[Kupfer(I)-chlorid]]. Auch Materialien, die im Durchschnitt nicht vier Valenzelektronen haben, können als Halbleiter bezeichnet werden, wenn sie einen [[Spezifischer Widerstand|spezifischen Widerstand]] im Bereich von größer 10<sup>−4</sup>&nbsp;Ω·m und kleiner 10<sup>6</sup>&nbsp;Ω·m haben. Eine Gruppe vielversprechender neuer Halbleiter sind beispielsweise die [[Organische Halbleiter|organischen Halbleiter]], die in organischen Solarzellen oder in [[Organischer Feldeffekttransistor|organischen Feldeffekttransistoren]] bereits Verwendung gefunden haben. Eine weitere Gruppe sind [[Kohlenstoffnanoröhren]], die beispielsweise für [[Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldeffekttransistor]]s benutzt werden können.
{| class="wikitable centered"
|+ Chemische Einteilung
|- style="background-color:#ABCDEF"
! width="33%" | Elementhalbleiter
! width="33%" | Verbindungshalbleiter
! width="34%" | Organische Halbleiter
|-
| [[Germanium|Ge]], [[Silicium|Si]], α-[[Zinn|Sn]], [[Kohlenstoff|C]] ([[Fullerene]]), [[Bor|B]], [[Selen|Se]], [[Tellur|Te]]
| [[III-V-Verbindungshalbleiter|III-V]]: [[Galliumphosphid|GaP]], [[Galliumarsenid|GaAs]], [[Indiumphosphid|InP]], [[Indiumantimonid|InSb]], [[Indiumarsenid|InAs]], [[Galliumantimonid|GaSb]], [[Galliumnitrid|GaN]], [[Aluminiumnitrid|AlN]], [[Indiumnitrid|InN]], [[Aluminiumgalliumarsenid|Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As]], [[Indiumgalliumnitrid|In<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N]]
| [[Tetracen]], [[Pentacen]], [[Phthalocyanin]]e, [[Polythiophen]]e, [[PTCDA]], [[MePTCDI]], [[Chinacridon]], [[Acridon]], [[Indanthron]], [[Flavanthron]], [[Perinon]], [[Aluminium-tris(8-hydroxychinolin)|Alq3]]
|-
| Unter Druck: [[Bismut|Bi]], [[Calcium|Ca]], [[Strontium|Sr]], [[Barium|Ba]], [[Ytterbium|Yb]], [[Phosphor|P]], [[Schwefel|S]], [[Iod|I]]
| [[II-VI-Verbindungshalbleiter|II-VI]]: [[Zinkoxid|ZnO]], [[Zinksulfid|ZnS]], [[Zinkselenid|ZnSe]], [[Zinktellurid|ZnTe]], [[Cadmiumsulfid|CdS]], [[Cadmiumselenid|CdSe]], [[Cadmiumtellurid|CdTe]], [[Quecksilber-Cadmium-Tellurid|Hg(1-x)Cd(x)Te]], [[Berylliumselenid|BeSe]], [[Berylliumtellurid|BeTe]], [[Quecksilbersulfid|HgS]]
| Mischsysteme: [[Polyvinylcarbazol]], [[TCNQ]] Komplexe
|-
| &nbsp;
| III-VI: [[Galliumsulfid|GaS]], [[Galliumselenid|GaSe]], [[Galliumtellurid|GaTe]], [[Indium(III)-sulfid|InS]], [[Indium(II)-selenid|InSe]], [[Indiumtellurid|InTe]] …
| &nbsp;
|-
| &nbsp;
| I-III-VI: [[Kupferindiumdiselenid|CuInSe<sub>2</sub>]], [[Kupferindiumgalliumdiselenid|CuInGaSe<sub>2</sub>]], [[Kupferindiumdisulfid|CuInS<sub>2</sub>]], [[Kupferindiumgalliumsulfid|CuInGaS<sub>2</sub>]] …
| &nbsp;
|-
| &nbsp;
| IV-IV: [[SiC]], [[Siliciumgermanium|SiGe]]
| &nbsp;
|}

== Kristalline Halbleiter ==
=== Physikalische Grundlagen ===
<gallery class="float-left" perrow=1>
Datei:Diamonds glitter.png|Diamantstruktur ([[Elementarzelle]])
Datei:Sphalerite polyhedra..png|Zinkblendestruktur (Elementarzelle)
</gallery>

Die Halbleitereigenschaften von Stoffen gehen auf ihre chemischen Bindungen und somit ihren atomaren Aufbau zurück. Halbleiter können in unterschiedlichen Strukturen [[kristallisieren]], so kristallisieren [[Silicium]] und [[Germanium]] in der [[Diamantstruktur]] (rein [[kovalente Bindung]]), [[III-V-Verbindungshalbleiter|III-V-]] und [[II-VI-Verbindungshalbleiter|II-VI-]]Verbindungshalbleiter hingegen meist in der [[Zinkblende-Struktur]] (gemischt kovalent-ionische Bindung).

[[Datei:Energy band model (DE) .svg|upright=1.5|miniatur|Typisches Bändermodell von Metallen, Eigenhalbleiter und Isolatoren (''E''&nbsp;=&nbsp;[[Energie]] –&nbsp;kann mit Arbeit ''W'' gleichgesetzt werden; ''x''&nbsp;=&nbsp;räumliche Ausdehnung in eindimensionaler Richtung); E<sub>F</sub> stellt die Lage der [[Fermienergie]] bei T&nbsp;=&nbsp;0&nbsp;K dar.]]
Die grundlegenden Eigenschaften von kristallinen Halbleitern lassen sich anhand des [[Bändermodell]]s erklären: Die [[Elektron]]en in Festkörpern wechselwirken über sehr viele Atomabstände hinweg miteinander. Dies führt faktisch zu einer Aufweitung der (im Einzelatom noch als diskrete Niveaus vorliegenden) möglichen Energiewerte zu ausgedehnten Energiebereichen, den sogenannten [[Energieband|Energiebändern]]. Da die Energiebänder je nach Aufweitung und Atomart verschieden zueinander liegen, können Bänder sich überlappen oder durch Energiebereiche, in denen nach der [[Quantenmechanik]] keine erlaubten Zustände existieren (Energie- oder [[Bandlücke]]), getrennt sein.

Bei Halbleitern sind nun das höchste besetzte Energieband ([[Valenzband]]) und das nächsthöhere Band ([[Leitungsband]]) durch eine Bandlücke getrennt. Das [[Ferminiveau]] liegt genau in der Bandlücke. Bei einer Temperatur in der Nähe des [[Absoluter Nullpunkt|absoluten Nullpunktes]] ist das Valenzband voll besetzt und das Leitungsband vollkommen frei von Ladungsträgern. Da unbesetzte Bänder mangels beweglicher Ladungsträger keinen elektrischen Strom leiten und Ladungsträger in vollbesetzten Bändern mangels erreichbarer freier Zustände keine Energie aufnehmen können, was zu einer beschränkten Beweglichkeit führt, leiten Halbleiter den elektrischen Strom nicht bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt.

Für den Leitungsvorgang sind teilbesetzte Bänder notwendig, die bei [[Metalle]]n durch eine Überlappung der äußeren Bänder bei jeder Temperatur zu finden sind. Dies ist&nbsp;– wie oben erwähnt&nbsp;– bei Halbleitern und Isolatoren nicht gegeben. Die Bandlücke („verbotenes Band“ oder „verbotene Zone“ genannt) bei Halbleitern ist im Gegensatz zu Isolatoren (''E''<sub>G</sub>&nbsp;>&nbsp;4&nbsp;eV<ref name="HollemanWiberg1313">{{Literatur | Autor = Arnold F. Holleman, Egon Wiberg | Titel = Lehrbuch der Anorganischen Chemie | Verlag = Walter de Gruyter | Jahr = 1995 | ISBN = 9783110126419 | Seiten = 1313}}</ref>) jedoch relativ klein ([[Indiumarsenid|InAs]]: ≈&nbsp;0,4&nbsp;[[Elektronenvolt|eV]], [[Germanium|Ge]]: ≈&nbsp;0,7&nbsp;eV, [[Silicium|Si]]: ≈1,1&nbsp;eV, [[GaAs]]: ≈&nbsp;1,4&nbsp;eV, [[Siliciumcarbid|SiC]]: ≈&nbsp;2,39&nbsp;-&nbsp;3,33&nbsp;eV, [[Diamant]]: ≈&nbsp;5,45&nbsp;eV), so dass beispielsweise durch die Energie der Wärmeschwingungen bei Raumtemperatur oder durch [[Absorption (Physik)|Absorption]] von [[Licht]] Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt werden können. Halbleiter haben also eine [[Intrinsische Leitfähigkeit|intrinsische]], mit der Temperatur zunehmende elektrische Leitfähigkeit. Deshalb werden Halbleiter auch zu den [[Heißleiter]]n gezählt. Der Übergang von Halbleitern zu Isolatoren ist fließend. So wird beispielsweise [[Galliumnitrid]] (GaN; Einsatz in blauen [[LED]]s) mit einer Bandlückenenergie von ≈&nbsp;3,6&nbsp;eV ebenfalls zu den Halbleitern gezählt. Halbleiter mit einer Bandlücke deutlich größer als 1&nbsp;eV werden auch als ''Halbleiter mit großer Bandlücke'' ({{enS|''wide-bandgap semiconductor''}}) bezeichnet.

Wird, wie oben beschrieben, ein Elektron in einem Halbleiter aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt, so hinterlässt es an seiner ursprünglichen Stelle ein [[Defektelektron]], „Loch“ genannt. Gebundene Valenzelektronen in der Nachbarschaft solcher Löcher können durch Platzwechsel in ein Loch „springen“, hierbei wandert das Loch. Es kann daher als bewegliche positive Ladung aufgefasst werden.
Sowohl die angeregten Elektronen als auch die Defektelektronen tragen somit zur elektrischen Leitung bei.

Elektronen aus dem Leitungsband können mit den Defektelektronen [[Rekombination (Physik)|rekombinieren]] (Elektron-Loch-Rekombination). Dieser Übergang zwischen den beteiligten Niveaus kann unter Abgabe von elektromagnetischer Rekombinationsstrahlung ([[Photon]]) und/oder unter der Abgabe eines [[Impuls]]es an das Kristallgitter ([[Phonon]]) erfolgen.

=== Direkte und indirekte Halbleiter ===
[[Datei:Bandstruktur_-_indirekter_Bandübergang.svg|miniatur|Bandstruktur eines indirekten Halbleiters]]
[[Datei:Bandstruktur_-_direkter_Bandübergang.svg|miniatur|Bandstruktur eines direkten Halbleiters]]
Halbleiter werden in zwei Gruppen eingeteilt, die ''direkten'' und die ''indirekten'' Halbleiter. Ihre unterschiedlichen Eigenschaften lassen sich nur durch die Betrachtung der [[Bandstruktur]] im sogenannten [[Impulsraum]] verstehen: Die Ladungsträger im Halbleiter lassen sich als [[Materiewelle]]n mit einem [[Quasiimpuls]] auffassen. Innerhalb eines Bandes hängt die Energie vom Quasiimpuls (oft als Wellenvektor angegeben) ab.

Die Extremwerte der Energie innerhalb der Bänder, also die Bandkanten, liegen bei unterschiedlichen Wellenvektoren - wo genau hängt vom Material und der Struktur ab. 
Wenn ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband angeregt wird, so ist es energetisch am günstigsten (und somit am wahrscheinlichsten), wenn es vom Maximum des Valenzbandes zum Minimum des Leitungsbandes angeregt wird.

Liegen diese Extrema nahezu beim gleichen Quasiimpuls, ist eine Anregung zum Beispiel durch ein [[Photon]] ohne weiteres möglich, da das Elektron lediglich seine Energie, nicht aber seinen Impuls ändern muss. Man spricht von einem ''direkten Halbleiter''. Liegen die Extrema jedoch bei unterschiedlichen Quasiimpulsen, so muss das Elektron zusätzlich zu seiner Energie auch seinen Impuls ändern, um ins Leitungsband angeregt zu werden. Dieser Impuls kann nicht von einem Photon (welches einen sehr kleinen Impuls hat) stammen, sondern muss von einer Gitterschwingung (auch [[Phonon]]) beigesteuert werden.

{{Lückenhaft|Die indirekte Rekombination (Auger) ist für das Verständnis nicht ausreichend physikalisch gut genug beschrieben.}}
Bei der [[Rekombination (Physik)|Rekombination]] von Elektronen-Loch-Paaren gilt im Prinzip dasselbe. In einem direkten Halbleiter kann bei der Rekombination ein Lichtquant ausgesandt werden. Bei einem indirekten Halbleiter hingegen müsste zum Photon für die Energie noch ein Phonon für den Impuls erzeugt (oder absorbiert) werden und die strahlende Rekombination wird weniger wahrscheinlich. Es dominieren dann oft andere, nicht strahlende Rekombinationsmechanismen, z.&nbsp;B. über Verunreinigungen.  Hieraus folgt, dass nur direkte Halbleiter zur effektiven Strahlungserzeugung verwendet werden können.
Direkte und indirekte Halbleiter werden mittels Absorptionsversuch voneinander unterschieden.
In der Regel sind Elementhalbleiter ([[Silicium]], [[Germanium]]) und Verbindungshalbleiter aus der IV. [[Hauptgruppe]] indirekt und Verbindungshalbleiter aus verschiedenen Hauptgruppen (III/V: [[GaAs]], InP, GaN) direkt.

Bei einer Bandstruktur, bei der nahe der Leitungs- oder Valenzbandkante verschiedene Punkte im Impulsraum möglich sind, kann es zum sogenannten [[Gunn-Effekt]] kommen.

=== Eigenhalbleiter und Störstellenhalbleiter ===
Die Dichte freier Elektronen und Löcher in reinen, das heißt undotierten, Halbleitern werden ''intrinsische Ladungsträgerdichte'' oder [[Eigenleitungsdichte]] genannt&nbsp;– ein Eigenhalbleiter wird deshalb auch intrinsischer Halbleiter genannt, der dominierende Leitungsmechanismus ist die Eigenleitung. Die Ladungsträgerdichte im undotierten Halbleiter ist stark von der Temperatur abhängig und steigt mit ihr an. Wird dagegen die Konzentration der Ladungsträger im Leitungsband (Elektronen) beziehungsweise im Valenzband (Löcher) durch den Dotierstoff bestimmt, spricht man von einem Störstellenhalbleiter oder [[extrinsisch]]en Halbleiter&nbsp;– hier ist der dominierende Leitungsmechanismus die [[Störstellenleitung]].

=== Dotierung und Störstellenleitung ===
==== Donatoren und Akzeptoren ====
Durch das Einbringen von [[Störstelle]]n in einen Halbleiterkristall können die elektrischen Eigenschaften des (reinen) Halbleiters beeinflusst werden. Bei den Störstellen handelt es sich um Fremdatome unterschiedlicher [[Wertigkeit (Chemie)|Wertigkeit]], beispielsweise Bor oder Phosphor bei Siliciumkristallen. Der Vorgang wird allgemein als [[Dotierung]] beziehungsweise als Dotieren bezeichnet. Außerdem können durch örtlich begrenztes Dotieren die Kombination von unterschiedlich dotierten Gebieten verschiedene Bauelemente, z.&nbsp;B. ein [[Bipolartransistor]], hergestellt werden.

Das Einbringen von Störstellen erzeugt zusätzliche, örtlich gebundene Energieniveaus im Banddiagramm des Kristalls. Die Niveaus liegen im Allgemeinen in der für das Wirtsmaterial ansonsten vorhandenen Energielücke ([[Bandlücke]]) zwischen Valenz- und Leitungsband. Durch die im Vergleich zu undotierten Halbleitern geringeren Energiedifferenzen der „Zwischenniveaus“ zum Valenz- beziehungsweise Leitungsband können diese Niveaus leichter angeregt werden und so bewegliche Ladungsträger zur Verfügung stellen. Das Chemische Potential verschiebt sich aus der Mitte der Bandlücke in die Nähe der zusätzlichen Niveaus. Es stehen daher mehr Ladungsträger für die Leitung des elektrischen Stroms zur Verfügung, was sich in einer gegenüber dem reinen Halbleiter erhöhten Leitfähigkeit äußert. Man nennt diesen Leitungsmechanismus daher auch ''Störstellenleitung''. Es werden dabei zwei Arten von Störstellen unterschieden: Donatoren und Akzeptoren.

{|class="wikitable float-left"
|+Übliche Dotiergrade
|- class="hintergrundfarbe6"
! Stärke / Substrat
! n-leitend
! p-leitend
|-
| Normale Dotierung / Silicium || 1 Donator auf 10<sup>7</sup> || 1 Akzeptor auf 10<sup>6</sup>
|-
| Starke Dotierung / Silicium || 1 Donator auf 10<sup>4</sup> || 1 Akzeptor auf 10<sup>4</sup>
|}

Als (Elektronen-)Donatoren (lat. {{lang|la|''donare''}} = schenken) werden Fremdatome bezeichnet, die ein Elektron mehr im Valenzband haben als der reine Halbleiter, man bezeichnet solche Gebiete auch als n-dotierte Halbleiter. Werden solche Fremdatome in den Halbleiter eingebracht (substituiert), so bringt jedes dieser Fremdatome (im Fall von mit Phosphor dotiertem Silicium) ein Elektron mit, das nicht für die Bindung benötigt wird und leicht abgelöst werden kann. Es bildet sich ein Störstellenniveau in der Nähe der unteren Energie des Leitungsbandes. 

Analog werden als (Elektronen-)Akzeptoren (lat. {{lang|la|''accipere''}} = annehmen) Fremdatome bezeichnet, die ein Elektron weniger im Valenzband haben. Dieses Elektron fehlt für die Bindung zum Nachbaratom. Sie wirken als ein zusätzliches [[Defektelektron]] (Loch) mit (p-Dotierung), welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann&nbsp;– daher findet sich auch in einigen Betrachtungen der Begriff Löcherdonatoren. Im Bänderschema liegt ein solches Störstellenniveau nahe oberhalb der Valenzbandkante. 

In einem intrinsischen Halbleiter sind die Ladungsträgerkonzentrationen von Elektronen und Löchern gleich (Elektronen-Loch-Paare). Daher sind beide Ladungsträgerarten ''näherungsweise'' zu gleichen Teilen am Ladungstransport beteiligt. Durch das Einbringen von Donatoren und Akzeptoren lässt sich dieses Gleichgewicht gezielt beeinflussen.
Bei Dotierung mit Donatoren sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband, bei Dotierung mit Akzeptoren die gedachten, positiv geladenen Löcher im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. Im ersten Fall spricht man von [[Elektronenleitung]] oder n-Leitung (n&nbsp;→&nbsp;negativ), im anderen Fall von [[Löcherleitung]] oder p-Leitung (p&nbsp;→&nbsp;positiv). Halbleiterbereiche mit [[Elektronenüberschuss]] bezeichnet man (wie oben erwähnt) als ''n-dotiert'', solche mit Mangel, also mit „Löcherüberschuss“, als ''p-dotiert''.
Im n-Leiter werden die Elektronen als Majoritätsladungsträger (mehrheitlich vorhandene Ladungsträger), die Löcher als Minoritätsladungsträger bezeichnet, im p-Leiter gilt die entsprechende Umkehrung.
Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen (siehe [[p-n-Übergang]]) kann man einzelne, sogenannte diskrete [[Halbleiterbauelement]]e wie [[Diode]]n und [[Transistor]]en und komplexe, aus vielen Bauelementen in einem einzigen Kristall aufgebaute [[integrierte Schaltung]]en aufbauen.

==== Leitungsmechanismen in dotierten Halbleitern ====
[[Datei:Bereiche der Leitungsmechanismen im Halbleiter DE.svg|miniatur|Leitungsmechanismen im dotierten und undotiertem Halbleiter in Abhängigkeit von der Temperatur]]

Am absoluten Nullpunkt (''T''&nbsp;=&nbsp;0&nbsp;K) unterscheiden sich dotierte und undotierte Halbleiter hinsichtlich der Ladungsträgerdichte nicht&nbsp;– es steht nicht ausreichend Energie zur Verfügung, um Elektronen in das Leitungsband oder auf Störstellenniveaus anzuregen. Wird die Temperatur erhöht (damit steigt die zur Verfügung stehende Energie durch thermische Anregung), ändern sich die Verhältnisse. Da die energetischen Abstände der Störstellen zum Valenz- beziehungsweise Leitungsband sehr viel geringer als der Bandabstand sind, können Elektronen vom Donatorniveau ins Leitungsband beziehungsweise Löcher vom Akzeptorniveau ins Valenzband angeregt werden. Es stehen in Abhängigkeit von der Temperatur freie Ladungsträger zur Verfügung, die Leitfähigkeit von dotierten Halbleitern steigt. Da noch nicht alle Störstellenniveaus ionisiert beziehungsweise besetzt sind, bezeichnet man diesen Bereich als [[Störstellenreserve]]. Wird die Temperatur weiter erhöht, bis alle Störstellenniveaus ionisiert beziehungsweise besetzt sind, spricht man von [[Störstellenerschöpfung]]. Die Ladungsträgerdichte und somit die Leitfähigkeit hängt in diesem Bereich im Wesentlichen nur noch von der Dotierungskonzentration ab. Bei noch weiterer Erhöhung der Temperatur steht anschließend genug Energie zur Verfügung um Elektronen direkt vom Valenzband in das Leitungsband anzuheben. Da typische Dotierungskonzentrationen deutlich geringer sind als die Anzahl der Halbleiteratome (mindestens 6 Größenordnungen) überwiegt die Ladungsträgergeneration von Elektron-Loch-Paaren, dieser Bereich wird als intrisisch oder Eigenleitung des Halbleiters bezeichnet.

=== Grenzflächen ===
Durch die Kombination eines p-dotierten und eines n-dotierten Halbleiters entsteht an der Grenzfläche ein [[p-n-Übergang]]. Die Kombination eines dotierten Halbleiters mit einem Metall (z.&nbsp;B. [[Schottky-Diode]]) oder einem Nichtleiter ist ebenfalls von Interesse, und wenn zwei Halbleiter, beispielsweise [[Galliumarsenid]] und [[Aluminiumgalliumarsenid]], übereinander liegen, entsteht ein [[Heteroübergang]]. Dabei sind nicht nur p-n-Übergänge von Bedeutung, sondern ebenfalls p-p-Übergänge und n-n-Übergänge, die sogenannten ''isotypen Hetero-Übergänge'', die beispielsweise in einem [[Quantentopf]] verwendet werden.

In jüngster Zeit gibt es Anstrengungen, Halbleiter, [[Supraleiter]] und Silicium- und [[III-V-Halbleiter]] auf einem Chip zusammenzuführen. Da die [[Kristallstruktur]]en nicht kompatibel sind, entstehen in der Grenzfläche Brüche und [[Gitterfehler]], wenn es nicht gelingt, geeignete Materialien für eine wenige [[Atomlage]]n dicke Zwischenschicht zu finden, in der die Gitterabstände sich angleichen können.<ref>Welt der Technik: [http://www.weltderphysik.de/de/4245.php?ni=1422 Supraleitende Chips - reine Zukunftsmusik?]</ref>

== Semimagnetische Halbleiter ==
Semimagnetische Halbleiter gehören zur wichtigen Gruppe der ''Verbindungshalbleiter'' ({{EnS|''compound semiconductors''}}). Es handelt sich um Verbindungen wie [[Galliumnitrid]] (GaN), bei denen ein Ion durch z.&nbsp;B. [[Mangan]] ersetzt wurde. Eine charakteristische Eigenschaft dieser semimagnetischen Halbleiter ist der große [[Zeeman-Effekt]]. Im Englischen nennt man semimagnetische Halbleiter {{lang|en|''diluted magnetic semiconductors''}}, da sie magnetisch verdünnt sind.

== Organische Halbleiter ==
{{Hauptartikel|organischer Halbleiter}}

Im Allgemeinen sind [[Organische Chemie|organische Materialien]] elektrisch isolierend. Besitzen Moleküle oder Polymere ein konjugiertes Bindungssystem, bestehend aus Doppelbindungen, Dreifachbindungen und aromatischen Ringen, können auch diese elektrisch leitend werden und als organische Halbleiter verwendet werden. Als erstes wurde dies 1976 bei [[Polyethin|Polyacetylen]] beobachtet<ref>C. K. Chiang et al.: ''Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene.'' In: ''[[Physical Review|Physical Review Letters]]'' 39, 1977, S. 1098–1101.</ref>. Polyacetylen ist ein unverzweigtes [[Polymer]] mit abwechselnder [[Doppelbindung]] und [[Einfachbindung]] (–C=C–C=C–). Wird diesem Kunststoff noch ein [[Akzeptor (Physik)|Akzeptor]] wie etwa Chlor, Brom oder Iod angefügt ''(oxidative Dotierung)'', liegen zusätzliche Löcher vor. Durch das Hinzufügen von einem [[Bändermodell#Halbleiter|Donator]] wie etwa Natrium ''(reduktive Dotierung)'' erhält der Kunststoff zusätzliche Elektronen. Durch diese chemische Änderung brechen die Doppelbindungen auf, und es entsteht ein durchgehendes Leitungsband: Das ursprünglich nichtleitende [[Polymer]] wird elektrisch leitend. Besitzen Moleküle oder Polymere auch im undotierten Zustand halbleitende Eigenschaften, spricht man wie bei anorganischen Halbleitern von der intrinsischen Leitfähigkeit (Eigenleitfähigkeit), z.&nbsp;B. [[Pentacen]] oder [[Poly(3-Hexylthiophen)]]. 
Wenn der Kunststoff in Form einer [[Dünne Schichten|dünnen Schicht]] (etwa 5&nbsp;nm bis 1&nbsp;µm dick) erzeugt wird, ist er geordnet genug, um eine elektrisch ununterbrochene Schicht zu bilden.

== Anwendungsbereiche ==
[[Datei:80486dx2-large.jpg|miniatur|Mikroprozessor]]
<!--Hier bitte nur große Anwendungsfelder mit wenigen markenaten Beispeilen nennen. Detailierte Anwednungen können dann in den entsprechenden Artikel recherchiert werden.-->
{{Hauptartikel|Halbleitertechnik|Halbleiterelektronik}}

Halbleiter werden in der Elektronik in vielfältiger Form verwendet. Das zugehörige Teilgebiet wird als [[Halbleiterelektronik]] bezeichnet. Dazu zählen vor allem die halbleiterbasierten [[Integrierte Schaltung|integrierten Schaltungen]] (ICs, wie [[Mikroprozessor]]en, [[Mikrocontroller]], usw.) und diverse Bauelemente der [[Leistungselektronik]] (z.&nbsp;B. [[IGBT]]s). Weitere Anwendungsbereiche mit zunehmender Bedeutung sind die [[Photovoltaik]] ([[Solarzelle]]n) sowie Detektoren und Strahlungsquellen in der [[Optik]] und [[Optoelektronik]] (zum Beispiel [[Fotodetektor]]en und [[Leuchtdiode]]n). Der Fachbereich, der sich mit der Herstellung von halbleiterbasierten  mikroelektronischer Bauelemente und Baugruppen befasst wird als [[Halbleitertechnik]] bezeichnet. Voraussetzung ist die Kenntnis, wie der Halbleiter bearbeitet werden muss, um das gewünschte elektrische Verhalten zu erreichen. Dazu gehört das [[Dotierung|Dotieren]] des Halbleiters und das Gestalten der Grenzfläche zwischen Halbleiter und einem weiteren Material.

== Wirtschaft ==
{{Lückenhaft|Der Abschnitt konzentriert sich nur auf Silizium, es gibt aber noch zahlreiche andere Halbleiter.}}
[[Datei:Worldwide Semiconductor Sales in US-Dollar DE.SVG|miniatur|Weltweite Umsätze mit Halbleitern von 1993 bis 2007]]

{{Siehe auch|Silicium#Hersteller|titel1=Hersteller von Silizium}}
Der Markt für Polysilizium ist zurzeit (2010) im Umbruch. Nachdem Polysilizium aufgrund der hohen Bedarfe aus dem Solarmarkt in 2008/2009 stark nachgefragt wurde, stieg der Preis stark. Dies hat eine Reihe von Firmen dazu veranlasst, mit der Errichtung neuer Produktionsanlagen zu beginnen. Die etablierten Hersteller  erweiterten zudem ihre Kapazitäten. Daneben drängen neue Anbieter – vor allem aus Asien – auf den Markt. Welcher dieser Hersteller in der Lage sein wird, seine Anlagen wie angekündigt in Betrieb zu nehmen und bei stark gefallenen Preisen noch profitabel zu agieren, ist unsicher.<ref>Robert Schramm, Lauren Licuanan<!--Commerzbank Equity Resarch-->: ''Feedback form Solar Silicon Conference''. 28. April 2010.</ref> <ref>Timothy Lam<!--Citigroup Global Markets-->: ''Asia Solar View – May 2010'', 3. Mai 2010.</ref>

Der weltweit größte Hersteller von [[Wafer]]n ist das japanische Unternehmen ''[[Shin-Etsu Chemical|Shin-Etsu Handotai]]'' (SEH) mit einem Wafer-Umsatz von 4&nbsp;Milliarden Dollar im Jahre 2007. Der weltweit zweitgrößte, ebenfalls japanische Hersteller ''[[Sumco|Sumitomo Mitsubishi Silicon]] Corp.'' (Sumco) hatte im selben Jahr einen Umsatz von 2,7&nbsp;Milliarden Dollar. Dem folgen die deutsche ''[[Siltronic|Siltronic AG]]'' ([[Wacker Chemie AG|Wacker]]) mit 1,8&nbsp;Milliarden Dollar und das amerikanische Unternehmen ''MEMC Electronic Materials'' mit 1,2&nbsp;Milliarden Dollar. Diese vier Unternehmen teilen sich etwa 75 % des gesamten Wafermarktes von 12,5&nbsp;Milliarden Dollar.<ref>''[http://www.gartner.com/it/page.jsp?id=691611 Gartner Says Worldwide Silicon Wafer Revenue Reached $12.5 Billion in 2007].'' Gartner, Inc., 11. Juni 2008, abgerufen am 5. Mai 2010 (Pressemitteilung).</ref>

Während der weltweiten Finanzkrise halbierte sich der Markt nahezu, 2009 wurde nur noch Silicium für 6,7&nbsp;Milliarden $ umgesetzt. Bereits 2010 hatten sich die Umsätze schon wieder auf 9,7&nbsp;Milliarden $ erholt.<ref>[http://www.semi.org/en/press/CTR_043551 Semi.org]</ref>

== Siehe auch ==
{{Portal|Mikroelektronik}}
* [[Halbleiterhersteller]]
* [[Dünnschichttechnologie]]
* [[Trägerstaueffekt]]
* [[Halbmetalle]]
* [[Entarteter Halbleiter]]

== Literatur ==
* Peter Y. Yu, Manuel Cardona: ''Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties''. 3. Auflage. Springer 2004, ISBN 3-540-41323-5.
* Marius Grundmann: ''The Physics of Semiconductors. An Introduction Including Device and Nanophysics'', Springer 2006, ISBN 3-540-25370-X.
* [[Simon M. Sze]], Kwok K. Ng: ''Physics of Semiconductor Devices''. 3. Auflage. John Wiley & Sons 2006, ISBN 0-471-14323-5.
* Michael Reisch: ''Halbleiter-Bauelemente'', Springer 2004, ISBN 3-540-21384-8.
* Ulrich Hilleringmann: ''Silizium-Halbleitertechnologie'', Teubner 2004, ISBN 3-519-30149-0.
* Bernhard Hoppe: ''Mikroelektronik 1.'', Vogel Fachbuch Kamprath-Reihe. 1997. ISBN 3-8023-1518-9.
* Werner Gans: ''Die Kunst, Kunststoffe unter Strom zu setzen. Nobelpreis für Chemie 2000.'' In: ''Spektrum der Wissenschaft'' Nr. 12, 2000, S. 16–19.
* {{Literatur| Autor = Kai Handel| Jahr = 1999| Titel = Anfänge der Halbleiterforschung und -entwicklung. Dargestellt an den Biographien von vier deutschen Halbleiterpionieren |Ort=Aachen | Online = [http://darwin.bth.rwth-aachen.de/opus3/volltexte/2008/2517/pdf/Handel_Kai.pdf PDF]|Kommentar=Doktorarbeit}}

== Weblinks ==
{{commonscat|Semiconductors|Halbleiter}}
{{wiktionary|Halbleiter}}
* [http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/ Ioffe-Institut St.Petersburg] – Physikalische Daten zu Halbleitermaterialien (engl.)
* [http://www.zum.de/dwu/depotan/apet003.htm Flash-Animation zur Stromleitung bei Halbleitern (dwu-Unterrichtsmaterialien)]
* [http://www.uni-muenster.de/EUREGIO-team/team/animationen/index.html 3D-Animationen zum Thema]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Halbleiter| ]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Kategorie:Festkörperchemie]]

[[af:Halfgeleier]]
[[an:Semiconductor]]
[[ar:شبه موصل]]
[[as:অৰ্ধপৰিবাহী]]
[[az:Yarımkeçiricilər]]
[[be:Паўправаднік]]
[[be-x-old:Паўправаднік]]
[[bg:Полупроводник]]
[[bn:অর্ধপরিবাহী]]
[[bs:Poluprovodnik]]
[[ca:Semiconductor]]
[[cs:Polovodič]]
[[da:Halvleder]]
[[el:Ημιαγωγός]]
[[en:Semiconductor]]
[[eo:Duonkonduktaĵo]]
[[es:Semiconductor]]
[[et:Pooljuht]]
[[eu:Erdieroale]]
[[fa:نیمه‌رسانا]]
[[fi:Puolijohde]]
[[fr:Semi-conducteur]]
[[ga:Leathsheoltóir]]
[[gan:半導體]]
[[gl:Semicondutor]]
[[he:מוליך למחצה]]
[[hi:अर्धचालक पदार्थ]]
[[hif:Semiconductor]]
[[hr:Poluvodič]]
[[ht:Semi-kondiktè]]
[[hu:Félvezető]]
[[id:Semikonduktor]]
[[is:Hálfleiðari]]
[[it:Semiconduttore]]
[[ja:半導体]]
[[ka:ნახევრად გამტარები]]
[[kk:Меншікті өткізгіштік]]
[[kn:ಅರೆವಾಹಕ]]
[[ko:반도체]]
[[ku:Nîvragihbar]]
[[la:Semiconductrum]]
[[lt:Puslaidininkis]]
[[lv:Pusvadītājs]]
[[mk:Полупроводник]]
[[ml:അർദ്ധചാലകം]]
[[mn:Хагас дамжуулагч]]
[[mr:अर्धवाहक]]
[[ms:Separa pengalir]]
[[nl:Halfgeleider (vastestoffysica)]]
[[nn:Halvleiarar]]
[[no:Halvleder]]
[[oc:Semiconductor]]
[[pl:Półprzewodniki]]
[[pnb:سیمی کنڈکٹر]]
[[pt:Semicondutor]]
[[ro:Semiconductor]]
[[ru:Полупроводник]]
[[sh:Poluprovodnik]]
[[si:අර්ධ සන්නායක]]
[[simple:Semiconductor]]
[[sk:Polovodič]]
[[sl:Polprevodnik]]
[[sq:Gjysmëpërcjellësi]]
[[sr:Полупроводник]]
[[stq:Hoolichlaitere]]
[[sv:Halvledare]]
[[ta:குறைக்கடத்தி]]
[[th:สารกึ่งตัวนำ]]
[[tl:Semikonduktor]]
[[tr:Yarı iletken]]
[[uk:Напівпровідник]]
[[ur:نیم موصل]]
[[uz:Yarimoʻtkazgich]]
[[vi:Chất bán dẫn]]
[[war:Semikonduktor]]
[[zh:半导体]]
[[zh-min-nan:Poàn-tō-thé]]
[[zh-yue:半導體]]