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Eigenleitung von Halbleitern
 Unter Eigenleitung versteht man die Stromleitung
im reinen (nicht verunreinigten) Halbleiter
 Die Eigenleitung ist sehr stark temperaturabhängig
 Die Betrachtung der Leitungsmechanismen der
Eigenleitung erfolgt daher in zwei Schritten:
 bei T = 0 K und
 bei T > 0 K
Halbleiterphysik
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Eigenleitung von Halbleitern
 Temperatur = 0 K
4+
4+
 Es sind keine freien
4+ Elektronen vorhanden
4+
4+
4+
Halbleiterphysik
 Alle Valenzelektronen sind in
Paarbindungen
festgehalten
4+
4+
4+
4+
4+
 Der Halbleiter
verhält sich
wie ein Isolator
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Eigenleitung von Halbleitern
• Temperatur > 0 K
4+
4+
4+
4+
 Temperatur > 0K bedeutet Energiezufuhr zu
4+ ihren (Valenz-)Elektronen
4+ den Atomen und
4+
4+
Halbleiterphysik
4+
4+ brechen aus den
4+
 Energiereichste
Elektronen
Elektronenpaarbindungen aus
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Ladungsträger-Generation
 Beim Aufbrechen einer Elektronenpaarbindung entsteht
ein freies, d.h. ein bewegliches Elektron
4+
4+
4+
4+
Halbleiterphysik
4+
4+
freies
Elektron
4+
4+
4+
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Ladungsträger-Generation
Der
positiv
geladeneund
Bereich
umist
das
Defektelektron
wird
 Wegen
An freie
der
Ursprungsstelle
des
Elektrons
bleibt
eine
defekte
Da
Elektronen
Löcher
immer
paarweise
entstehen,

des
fehlenden
Elektrons
diese
Stelle
positiv
geladen
„Loch“
genannt
Elektronenpaarbindung
zurück
(sog.
Defektelektron)
spricht
man
von Paarbildung
(nicht
kompensierte
Ladung
eines
Protons)
4+
Loch
4+
4+
4+
4+
4+
freies
Elektron
4+
4+
4+
 Die Konzentration n der freien Elektronen ist gleich der
Konzentration p der Löcher
n=p
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Ionisierungsenergie
Zum Auftrennen einer Elektronenpaarbindung ist Energie
erforderlich
4+
Loch
4+
Halbleiterphysik
4+
4+
W
4+
4+
freies
Elektron
4+
4+
4+
Die Ionisierungsenergie beträgt
 bei Germaniumca. W  0,7 eV
 bei Silizium
ca. W  1,1 eV
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Löcherwanderung
Ein Nachbarelektron
wechselt zur defekten Paarbindung
Ein
Loch kann wandern
(in das Loch)
4+
Loch
Loch
4+
4+
4+
4+
4+
4+
4+
4+
Dadurch wandert das Loch zum Nachbaratom
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Rekombination
Auslöschung eines freien Elektrons und eines Loches
Ein freies Elektron kann von einem Loch eingefangen werden
4+
Loch
4+
4+
4+
4+
4+
freies
Elektron
4+
4+
4+
Das Loch verschwindet , das Elektron ist nicht mehr frei
Die Rekombination ist das Gegenstück zur Paarbildung
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Gleichgewicht zwischen Paarbildung und Rekombination
Thermisches Gleichgewicht
 Durch thermische Generation entstehen ständig neue
bewegliche Elektronen und Löcher
 Die Zahl der freien Ladungsträger wächst jedoch nicht
unbegrenzt an
 Bei einer bestimmten Konzentration von Elektronen und
Löchern treten gleich viele Rekombinationen wie
Paarbildungen auf
(Gleichgewicht zwischen Generation und Rekombination)
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Gleichgewicht zwischen Paarbildung und Rekombination
Thermisches Gleichgewicht
 Die Gleichgewichtskonzentration ist temperaturabhängig
 Steigt die Temperatur, dann
 steigt die Generationsrate
 stellt sich ein Gleichgewicht bei höherer
Ladungsträgerkonzentration ein
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Ladungsträgerkonzentration bei Eigenleitung
 Bei reiner Eigenleitung ist die Konzentration von
freien Elektronen und Löchern gleich
 Im thermischen Gleichgewicht gilt:
n = p = ni = f(T)
(ni = Intrinsic-Zahl = Ladungsträgerkonzentration des reinen
Halbleiters)
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Gleichgewichtskonzentration
Werte der Intrinsic-Dichte ni bei T = 300 K
 Für Germanium:
 Für Silizium:
ni = 2,51013/cm3
ni = 1,51010/cm3
Die Intrinsic-Dichte verdoppelt sich etwa bei
einer Temperaturerhöhung um T = 10 K
Im Vergleich zu den Metallen mit n  51022/cm3 sind
Halbleiter schlechte Leiter
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