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[#tgiguru 07] Eine kurze Geschichte der Technischen Informatik - Teil 7: Halbleiter
Das Wichtigste aus dem Video
Tipp auf eine Zeit – das Video springt genau dorthin.
Transkriptautomatisch erstellt · 68 Zeilen
- herzlich Willkommen zu tgi at home heute sprechen wir über alles was ich schon immer über Halbleiter wissen wollten
- [Musik] das Computer auf Halbleitertechnologie was aber ist ein Halbleiter eigentlich genau und es ist wirklich der Halbleiter
- per se der in einem Prozessor dafür sorgt dass das zu rechnen beginnt und solche Fragen zu klären müssen wir einen kurzen Ausflug in die Chemie
- Unternehmen und uns insbesondere mit dem Aufbau von Atomen beschäftigen damit wir wissen was elektrische Leitfähigkeit bedeutet
- ein Atom besteht das wissen sie aus einem Kern und aus einer Elektronenhülle um diesen Kern herum der Kern besteht aus Protonen und Neutronen und in der
- Elektronenhülle sind Elektronen und zwar genauso viele Elektronen wie es Protonen im Kern hat damit das Atom elektrisch neutral ist
- diese Elektronenhülle besteht nun aus verschiedenen Schalen manche sind nahe am Kern manche weiter weg und auf jede Schale ist Platz für eine bestimmte
- Anzahl von Elektronen und man fühlt also die Schalen von innen nach außen der Reihe nach auf bis man alle Elektronen untergebracht hat besonders interessant
- sind jetzt die Elektronen auf der äußersten Schale die sogenannten Valenzelektronen denn sie bestimmen chemische Reaktionen und eben auch die
- elektrische Leitfähigkeit so jetzt gibt es da einerseits Elemente bei denen sind die Elektronen alle sehr fest an den Atomkern gebunden
- diese Elemente sind Isolatoren oder die Elektriker warum weil Strom der fließt nichts anderes bedeutet als freie Elektronen die durch
- eine Spannung in Bewegung gesetzt werden und ein freies Elektron ist ein Elektron das auf einer äußeren Schale ganz einsam und allein seine Wege geht und eben
- nicht so sehr fest an den Atomkern gebunden ist wenn es aber solche freien Elektronen nicht gibt kann es auch keine
- Leitfähigkeit geben das sind also Isolatoren auf der anderen Seite gibt es Elemente die sehr wohl solche freien Elektronen
- aufweisen die sogenannten Leiter typisch dafür Kupfer silber gold schauen wir uns ein Kupferatom an ein Kupferatom besteht aus 29 Protonen und 29
- Elektronen von diesen 29 Elektronen passen 28 auf die inneren Schalen der Elektronenhülle und das 29 bleibt allein zurück kreist
- irgendwo weit außen um den Atomkern und wird so eine leichte Beute für eine Spannung die daherkommt und Strom fließen lassen möchte das ist also ein
- freies Elektronen und deswegen leitet Kupfer so gut weil es eben dieses freie Valenzelektron gibt und bei Silber und Gold ist das ähnlich
- ein Halbleiter nun ist irgendwas genau dazwischen er leitet also besser als ein Isolator aber schlechter als ein Leiter und
- dafür haben wir auch Beispiele natürlich silizium ist so ein Beispiel silizium ist ein Element das 14 Elektronen hat 10 davon auf den inneren Schalen der
- Elektronenhülle und 4 Valenzelektronen auf der äußeren Höhle das sieht also so etwa aus
- das heißt ein Siliziumatom kann mit vier Elektronen Valenzelektronen und Silizium tritt auch in Kristallform auf also gibt noch benachbarte siliziumatomen
- und jedes dieser Siliziumatome hat vier Elektronen jetzt ist so ein Siliziumatom allerdings ein bisschen unglücklich weil eigentlich
- was es gerne hätte wäre auch so etwas wie eine Edelgaskonfiguration nämlich acht Außenelektronen acht Valenzelektronen
- das ist aber nicht möglich aber was ist zumindest kann es kann so tun als könne es sich von seinen vier Nachbarn jeweils ein Elektronen
- das sieht dann so aus und auf diese Weise fühlt sich das Siliziumatom zumindest so als hätte es diese Edelgaskonfiguration das machen
- natürlich die Nachbarn auch alle deswegen kommt es auch zur Bildung dieses Kristallgitters
- so jetzt werden Sie sagen schön und gut aber ich sehe da keine freien Elektronen warum soll jetzt das hier besser leiten als ein Isolator
- und das ist genau das Problem es leitet zwar besser als ein Isolator weil diese vier Valenzelektronen nicht so fest am Kern sitzen aber es hilft uns für
- unseren elektronischen Rechner noch nicht wirklich denn was wir machen müssen damit so ein Siliziumkristall einen Prozessor ergibt ist wir müssen es
- gezielt verunreinigen und zwar mit Fremdatomen die sehr selten eingepflanzt werden in dieses Gitter und ein extra Elektron mitbringen das dann
- quasi als freies außenelektrones frei ist Valenzelektron fungieren kann ist wir wechseln heimlich
- ein so ein Siliziumatom aus und ersetzen ist zum Beispiel durch ein Phosphor Phosphor hat fünf Valenzelektronen vier davon fügen sich nahtlos in diese
- siliziumgitter ein und eines davon bleibt übrig und dieses eine Phosphor Elektron fungiert also als freies Valenzelektron und dadurch wird jetzt
- das plötzlich für unsere Zwecke interessant man kann das ganze auch in die andere Richtung machen man kann auch Fremdatome
- einpflanzen oder das Silizium Kristall dotieren die wir sagen mit Atomen die nur drei Valenzelektronen haben also quasi eines fehlt
- wo oder Aluminium wäre so ein Beispiel und auf diese Weise erzeugen wir das Gegenteil einer beweglichen elektrischen Ladung wie erzeugen etwas was wir ein
- Loch nennen das ist so eine Art positive Ladung also eine elektrische Ladung die fehlt so ein Bord Atom in einem solchen Kristallgitter hätte gerne noch ein
- viertes Elektron es hat in diesem Sinn eine positive Ladung ein Loch und dementsprechend unterscheiden wir bei dieser Dotierung zwischen der
- Verunreinigung mit sogenannten donautoren schon abgeben ein Elektron freisetzen wir nennen das auch n-leitend weil es
- eine bewegliche negative Ladung gibt nleitend der zweite Fall sind Akzeptoren die Binden jeweils ein Elektron bringen also eine positive Ladung ein
- Loch ins Spiel diese Typus von Dotierung nennen wir pleitend man muss jetzt aber sich das nicht zu dramatisch vorstellen das passiert nur
- in sehr sehr homöopathischen Dosen wir sprechen hier von einer Größenordnung von etwa 1 zu 10 hoch 6 oder 1 zu 10 hoch 7 zum Vergleich in Österreich leben
- ca 8 Millionen Menschen das ist etwas weniger als 10 Millionen als 10 hoch 7 also wenn Sie eine Person im Vergleich zur Gesamtbevölkerung Österreichs sehen
- dann sehen sie etwa das Verhältnis von einem solchen fremd Atom zum Rest der siliciumatome das ist also nur sehr sehr sehr sparsam eingesetzt die Situation
- diese Verunreinigung jetzt gibt es aber noch eine schlechte Nachricht auch so ein dotiertes Halbleiter Kristall nützt uns nicht wirklich etwas egal ob es
- pleitend oder in leitend dotiert ist denn wirklich interessant wird das erst wenn wir so ein pleitendes und ein n-leitendes Kristall zusammenkleben
- zusammenbringen ein sogenannter pn-Übergang haben wir hier also ein p-leitendes hier ein n-leitendes Substrat
- beim einleitenden Substrat gibt es freie Elektronen und beim p-leitenden gibt es Löcher also positive Ladungen
- und jetzt passiert etwas sehr sehr interessant denn aufgrund von thermischer Diffusion fangen plötzlich die
- Elektronen auf dieser Seite an zu wandern denn auf diese Seite die Löcher möchten ja gerne Elektronen haben und hier sind sie frei also ein Elektron
- beginnt hier seine Wanderschaft trifft hier auf ein Loch füllt das auf und beide verschwinden
- das macht dieses Elektron hier auch und was beobachten wir wir beobachten hier entsteht eine Zone
- die keine freien Ladungsträger keine beweglichen Ladungsträger mehr beinhaltet was zusätzlich noch passiert vor diesem
- ganzen Prozess waren ja beide Seiten elektrisch neutrale es gab immer genauso viele Elektronen wie Protonen jetzt durch diese Wanderung der Elektronen
- wird jetzt aber plötzlich dieser Teil hier negativ und dieser Teil hier positiv geladen das heißt es entsteht eine Spannung und diese Spannung wirkt
- dieser Wanderbewegung entgegen je mehr Elektronen also überwandern desto größer wird diese Spannung und irgendwann ist es so groß dass keine weiteren
- Elektronen mehr wandern und es entsteht hier in der Mitte eine sogenannte verarmungszone
- und zwar dann etwa wenn diese Spannung 0,7 Volt beträgt und jetzt kann man sich überlegen was passiert wenn ich an dieses ganze
- Teil hier eine Spannung anlege von außen nehmen wir also an ich lege hier eine negative Spannung an einen Minuspol an und hier einen Pluspol
- was passiert dann der Minuspol wird diese positiven Ladungen noch weiter in diese Richtung ziehen der Pluspol wird ihn Elektronen weiter in diese Richtung
- ziehen die verarmungszone verbreitet sich und insbesondere es fließt kein Strom wenn ich jetzt aber das ändere wenn ich
- den Pluspol hierher legen den Minuspol auf diese Seite dann
- wandern die Löcher mehr in die Mitte die Elektronen wandern auch mehr in die Mitte und plötzlich gibt es hier überall
- Elektronen und es gibt einen Strom der fließen kann und demzufolge sprechen wir auch von der Sperrrichtung wenn also Plus an der Endzone und Minus an der
- p-zone anliegt und von der Durchlassrichtung wenn Minus an der Endzone und Plus an der p-zone anliegt und das ganze nennt man eine Diode und
- aus dieser Idee eines PN Übergangs werden wir eine ersten Transistor bauen aber das ist ein anderes Thema und für heute und diesmal bedanke ich mich für
- Ihre Aufmerksamkeit [Musik]
Zum Nachlesen
P-n-ÜbergangEine solche Anordnung in Stromfließrichtung nennt man Diode (Halbleiterdiode). Sonderformen der Diode sind beispielsweise die Fotodiode und die Solarzelle.
HalbleiterHalbleiter sind Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern (>10 4 S/cm) und der von Nichtleitern (<10 −8 S/cm) liegt …
DefektelektronAls Defektelektron, Elektronenfehlstelle, Elektronenloch oder Loch wird der (gedachte) positive bewegliche Ladungsträger in Halbleitern bezeichnet.
DiodeEine Diode ist ein elektronisches Bauelement auf Halbleiterbasis, das elektrischen Strom in einer Richtung passieren lässt und in der anderen Richtung …