Herstellung und Eigenschaften diverser Halbleitermaterialien unter spezieller Berücksichtigung der beteiligten chemischen Vorgänge

Einführung

Die Halbleitertechnologie ist eine sehr wichtige Technologie, die einen großen Einsatz in allen Bereichen findet. Die Produkte der Halbleitertechnologie sind integrierte Schaltkreise, die meist aus einem einzigen Halbleiterplättchen bestehen und auf denen Widerstände, Spulen und Kondensatoren durch Veränderung des Materials realisiert sind (häufig: Mikroprozessoren). Als Halbleiter spielt Silicium eine wichtige Rolle, da es als nahezu unbegrenzte Ressource vorhanden ist, ein stabiles Oxid bildet (Dotierung), außerdem kann es vergleichsweise einfach gegenüber anderen Halbleitern in hohem Reinheitsgrad gewonnen werden.

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Herstellung von hochreinem Silicium aus SiO₂

• Rohstoff: Quarzsand/Quarzkies, hoher Anteil an Siliciumoxid (SiO2)

• Erhitzung des Quarzes im Lichtbogenofen. Sauerstoffatome lösen sich von den SiO2 Molekülen

• Binden der Sauerstoffatome mit Kohlenstoff. Produkt: Rohsilicium mit ≈95% Reinheit, welches noch nicht für Halbleiterbauelemente geeignet ist

• Im Trichlorsilanprozess wird das Silicium durch Destillation weiter gefiltert. Produkt: polykristallines Silicium, das schon für Solarzellen geringerer Qualität geeignet ist

• Bei der Zonenreinigung wird ein Siliciumstab unter Vakuum mit einer Spule lokal knapp über seinen Schmelzpunkt erhitzt. Fremdatome haben in diesem flüssigen Bereich ein niedrigeres chemisches Potential und verbleiben deswegen in diesem, wenn die Spule langsam den Stab abfährt

• Das gereinigte Silicium wird beim Tiegelziehen weiterverarbeitet. Hier wird ein Impfkristall in eine Siliciumschmelze getupft und langsam unter drehen herausgezogen. Das Produkt ist hochreines monokristallines Silicium, das für kleinste Halbleiterbauelemente verwendbar ist

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Dotierung

(Abb.:de/wikipedia.org, GNU-Lizenz für freie Dokumentation, Markus A. Hennig)

• Einbringen von anderen Atomen in das Kristallgitter des Siliciums, um Eigenschaften zu verändern

• Primäres Ziel: Leitfähigkeit lokal im Material verändern

• Wird durch Veränderung der Elektronenzahl erreicht. Ersetzung der vierwertigen Siliciumatome durch Elemente der 3. (p-Dotierung, Bild links) bzw. 5. Hauptgruppe (n-Dotierung, Bild rechts)

• Dotieren ist immer mit Energiezugabe verbunden, damit die Si-Atome ihre elektrisch aktiven Gitterplätze an die Dotieratome abgeben

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Eigenschaften der Kristalle in Bauteilen und Wechselwirkungen mit Beispielen

• Am p-n-Übergang befindet sich eine Raumladungszone. Hier ist ein statisches elektrisches Feld und es stehen keine freien Ladungsträger zur Verfügung

• Eine elektrische Pnung kann bei bestimmter Stromrichtung das elektrische Feld aufheben. Dadurch sind dann auch wieder freie Ladungsträger verfügbar und es fließt Strom

• Beim Transistor werden p-n-Übergänge durch eine Pnung aufgehoben, sodass man Stromfluss durch eine Pnung steuern kann

• Eine DRAM-Zelle ermöglicht die Speicherung von digitalen Daten (z.B. Arbeitsspeicher im PC)

Rafael Stahl