Wann soll welcher Halbleiter verwendet werden?

Ich weiß also, dass Silizium bei weitem der häufigste Halbleiter ist. Ich weiß aber auch, dass es unzählige andere Möglichkeiten gibt; Siliziumkarbid, Germanium, SiGe-Legierung, Galliumarsenid, Aluminiumgalliumphosphid, das erschreckend klingende Quecksilbercadmiumtellurid ...

Welche Eigenschaften würden einen Geräteentwickler dazu bringen, eine über die anderen zu wählen? Ich verstehe, dass LEDs und Laserdioden, die der Bandlücke entsprechen, um die richtige Photonenenergie zu erhalten, ein Grund wären, aber gibt es noch andere?

Früher war Germanium der Halbleiter der Wahl, aber es wurde ziemlich früh von Silizium gebootet, und jetzt ist es nahezu unmöglich, Germaniumkomponenten zu finden. Warum ist das so? Ebenso verwendet niemand mehr Selengleichrichter (obwohl sie offensichtlichere Nachteile haben, wie die lächerlich niedrige Sperrspannung und ihre physikalische Größe).

Diese Frage enthält viele Fragezeichen. Ich hoffe das sind nicht zu viele. Obwohl ich selbst neugierig darauf bin, möchte ich es auch zu einer Ressource machen, die andere nutzen können. Deshalb habe ich versucht, so viel Boden wie möglich abzudecken, ohne zu weit vom Thema abzuweichen.

Silizium hat viele Vorteile, die es zum dominierenden Halbleitermaterial gemacht haben:

• Ein natives Oxid. Dies ist der Schlüssel zur Entwicklung des MOSFET.
• Relativ gute physikalische Robustheit. Einige andere konkurrierende Materialien sind zerbrechlicher, was allein aufgrund des mechanischen Bruchs von Wafern zu Produktionsverlusten führt.
• Fülle in der Natur. Silizium ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste, was die Gewinnung erleichtert, obwohl es immer noch ein erheblicher Aufwand ist, es auf die für die Elektronik erforderliche Reinheit zu verfeinern.

Da Silizium so weit verbreitet ist, ist es aufgrund von Skaleneffekten viel billiger, Chips oder Bauelemente aus Silizium herzustellen als aus anderen Halbleitern.

Wenn also Silizium die Arbeit erledigt, werden wir fast immer Silizium wählen, um niedrige Kosten zu erzielen.

Wir könnten andere Materialien wählen, wenn wir brauchen

• Ein Material mit direkter Lücke, typischerweise für optische Quellen wie LEDs.
• Eine bestimmte Bandlücke. Beispielsweise wird für Fotodioden zum Erfassen einer Wellenlänge von 1550 nm eine Bandlücke von weniger als etwa 0,8 eV benötigt.
• Hohe Trägermobilität, die Geräte mit höherer Frequenz ermöglicht. Hierfür werden Materialien wie SiGe, GaAs, GaN oder InP verwendet.
• Eine spezifische Gitterkonstante zum epitaktischen Wachsen eines Materials auf einem Substrat eines anderen Materials. Die Fähigkeit, sowohl Gitterkonstanten als auch Bandlücken zu konstruieren, ist der Grund, warum ternäre und quaternäre Verbindungen wie GaAlAsP verwendet werden.

Ich werde die Frage, wie Dotierstoffe ausgewählt werden, beiseite lassen, weil 1) ich fast nichts darüber weiß und 2) die Auswahl der Dotierstoffe wahrscheinlich für jedes Halbleitermaterial unterschiedlich ist.