[#tgiguru 07] Eine kurze Geschichte der Technischen Informatik - Teil 7: Halbleiter
Peter Reichl
https://www.youtube.com/watch?v=tQNe5PFlyWc

Transkript (automatisch erstellt)

0:28 herzlich Willkommen zu tgi at home heute sprechen wir über alles was ich schon immer über Halbleiter wissen wollten
0:38 [Musik] das Computer auf Halbleitertechnologie was aber ist ein Halbleiter eigentlich genau und es ist wirklich der Halbleiter
0:59 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
1:08 Unternehmen und uns insbesondere mit dem Aufbau von Atomen beschäftigen damit wir wissen was elektrische Leitfähigkeit bedeutet
1:16 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
1:26 Elektronenhülle sind Elektronen und zwar genauso viele Elektronen wie es Protonen im Kern hat damit das Atom elektrisch neutral ist
1:34 diese Elektronenhülle besteht nun aus verschiedenen Schalen manche sind nahe am Kern manche weiter weg und auf jede Schale ist Platz für eine bestimmte
1:42 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
1:51 sind jetzt die Elektronen auf der äußersten Schale die sogenannten Valenzelektronen denn sie bestimmen chemische Reaktionen und eben auch die
1:59 elektrische Leitfähigkeit so jetzt gibt es da einerseits Elemente bei denen sind die Elektronen alle sehr fest an den Atomkern gebunden
2:12 diese Elemente sind Isolatoren oder die Elektriker warum weil Strom der fließt nichts anderes bedeutet als freie Elektronen die durch
2:25 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
2:34 nicht so sehr fest an den Atomkern gebunden ist wenn es aber solche freien Elektronen nicht gibt kann es auch keine
2:41 Leitfähigkeit geben das sind also Isolatoren auf der anderen Seite gibt es Elemente die sehr wohl solche freien Elektronen
2:50 aufweisen die sogenannten Leiter typisch dafür Kupfer silber gold schauen wir uns ein Kupferatom an ein Kupferatom besteht aus 29 Protonen und 29
3:04 Elektronen von diesen 29 Elektronen passen 28 auf die inneren Schalen der Elektronenhülle und das 29 bleibt allein zurück kreist
3:16 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
3:23 freies Elektronen und deswegen leitet Kupfer so gut weil es eben dieses freie Valenzelektron gibt und bei Silber und Gold ist das ähnlich
3:32 ein Halbleiter nun ist irgendwas genau dazwischen er leitet also besser als ein Isolator aber schlechter als ein Leiter und
3:43 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
3:55 Elektronenhülle und 4 Valenzelektronen auf der äußeren Höhle das sieht also so etwa aus
4:16 das heißt ein Siliziumatom kann mit vier Elektronen Valenzelektronen und Silizium tritt auch in Kristallform auf also gibt noch benachbarte siliziumatomen
4:33 und jedes dieser Siliziumatome hat vier Elektronen jetzt ist so ein Siliziumatom allerdings ein bisschen unglücklich weil eigentlich
4:42 was es gerne hätte wäre auch so etwas wie eine Edelgaskonfiguration nämlich acht Außenelektronen acht Valenzelektronen
4:51 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
5:05 das sieht dann so aus und auf diese Weise fühlt sich das Siliziumatom zumindest so als hätte es diese Edelgaskonfiguration das machen
5:12 natürlich die Nachbarn auch alle deswegen kommt es auch zur Bildung dieses Kristallgitters
5:25 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
5:37 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
5:47 unseren elektronischen Rechner noch nicht wirklich denn was wir machen müssen damit so ein Siliziumkristall einen Prozessor ergibt ist wir müssen es
5:57 gezielt verunreinigen und zwar mit Fremdatomen die sehr selten eingepflanzt werden in dieses Gitter und ein extra Elektron mitbringen das dann
6:11 quasi als freies außenelektrones frei ist Valenzelektron fungieren kann ist wir wechseln heimlich
6:29 ein so ein Siliziumatom aus und ersetzen ist zum Beispiel durch ein Phosphor Phosphor hat fünf Valenzelektronen vier davon fügen sich nahtlos in diese
6:46 siliziumgitter ein und eines davon bleibt übrig und dieses eine Phosphor Elektron fungiert also als freies Valenzelektron und dadurch wird jetzt
6:58 das plötzlich für unsere Zwecke interessant man kann das ganze auch in die andere Richtung machen man kann auch Fremdatome
7:07 einpflanzen oder das Silizium Kristall dotieren die wir sagen mit Atomen die nur drei Valenzelektronen haben also quasi eines fehlt
7:19 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
7:29 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
7:38 viertes Elektron es hat in diesem Sinn eine positive Ladung ein Loch und dementsprechend unterscheiden wir bei dieser Dotierung zwischen der
7:46 Verunreinigung mit sogenannten donautoren schon abgeben ein Elektron freisetzen wir nennen das auch n-leitend weil es
7:58 eine bewegliche negative Ladung gibt nleitend der zweite Fall sind Akzeptoren die Binden jeweils ein Elektron bringen also eine positive Ladung ein
8:09 Loch ins Spiel diese Typus von Dotierung nennen wir pleitend man muss jetzt aber sich das nicht zu dramatisch vorstellen das passiert nur
8:21 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
8:31 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
8:41 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
8:50 diese Verunreinigung jetzt gibt es aber noch eine schlechte Nachricht auch so ein dotiertes Halbleiter Kristall nützt uns nicht wirklich etwas egal ob es
8:59 pleitend oder in leitend dotiert ist denn wirklich interessant wird das erst wenn wir so ein pleitendes und ein n-leitendes Kristall zusammenkleben
9:08 zusammenbringen ein sogenannter pn-Übergang haben wir hier also ein p-leitendes hier ein n-leitendes Substrat
9:22 beim einleitenden Substrat gibt es freie Elektronen und beim p-leitenden gibt es Löcher also positive Ladungen
9:41 und jetzt passiert etwas sehr sehr interessant denn aufgrund von thermischer Diffusion fangen plötzlich die
9:50 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
10:00 beginnt hier seine Wanderschaft trifft hier auf ein Loch füllt das auf und beide verschwinden
10:11 das macht dieses Elektron hier auch und was beobachten wir wir beobachten hier entsteht eine Zone
10:29 die keine freien Ladungsträger keine beweglichen Ladungsträger mehr beinhaltet was zusätzlich noch passiert vor diesem
10:38 ganzen Prozess waren ja beide Seiten elektrisch neutrale es gab immer genauso viele Elektronen wie Protonen jetzt durch diese Wanderung der Elektronen
10:47 wird jetzt aber plötzlich dieser Teil hier negativ und dieser Teil hier positiv geladen das heißt es entsteht eine Spannung und diese Spannung wirkt
10:56 dieser Wanderbewegung entgegen je mehr Elektronen also überwandern desto größer wird diese Spannung und irgendwann ist es so groß dass keine weiteren
11:04 Elektronen mehr wandern und es entsteht hier in der Mitte eine sogenannte verarmungszone
11:15 und zwar dann etwa wenn diese Spannung 0,7 Volt beträgt und jetzt kann man sich überlegen was passiert wenn ich an dieses ganze
11:30 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
11:47 was passiert dann der Minuspol wird diese positiven Ladungen noch weiter in diese Richtung ziehen der Pluspol wird ihn Elektronen weiter in diese Richtung
11:56 ziehen die verarmungszone verbreitet sich und insbesondere es fließt kein Strom wenn ich jetzt aber das ändere wenn ich
12:04 den Pluspol hierher legen den Minuspol auf diese Seite dann
12:13 wandern die Löcher mehr in die Mitte die Elektronen wandern auch mehr in die Mitte und plötzlich gibt es hier überall
12:25 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
12:37 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
12:49 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
13:00 Ihre Aufmerksamkeit [Musik]