In Rahmen des beginnenden naturwissenschaftlichen Unterrichts hatten wir uns mit der elektrischen Leitung in Stoffen befasst. Dabei haben wir Stoffe, je nach elektrischer Leitfähigkeit, in Leiter und Nichtleiter (= Isolatoren) eingeteilt.
Im Rahmen des Physikunterrichts zeigt sich nun (anhand verschiedener) Experimente, dass die elektrische Leitfähigkeit von Leitern unterschiedlich ist. Misst man beispielsweise den spezifischen Widerstand von Leitern, so zeigt sich, dass alle Leiter (bevorzugt Metalle) dem elektrischen Strom einen Widerstand entgegensetzen. Dies erklärt die unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit unterschiedlicher Metalle. Im Gegensatz zu anderen Stoffen ist der spezifische Widerstand von Leitern gering.
Wie sich bei der Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit von verschiedenen Stoffen zeigt, gibt es auch Stoffe, wie beispielsweise Metalloxide oder Silicium, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Leiter und einen Nichtleiter liegt. Diese Stoffe werden als Halbleiter bezeichnet, die dadurch charakterisiert sind, dass die elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und der von Isolatoren liegen.
Eine Eigenschaft, die ebenfalls die Gruppe der Halbleiter kennzeichnet, ist, dass die elektrische Leitfähigkeit bzw. der spezifische Widerstand sehr stark temperaturabhängig ist. So sind viele Halbleiter bei niedrigen Temperaturen Isolatoren, während sie bei hohen Temperaturen sehr gut elektrisch Leitfähig sind.
Die Eigenschaft eines Halbleiters (Widerstand beim Erwärmen) können wir nutzen, um einen Halbleiter von einem Leiter zu unterscheiden. Erwärmen wir beispielsweise einen Leiter, so ändert sich der spezifische Widerstand nur geringfügig. Erwärmen wir einen Halbleiter, so ändert sich der spezifische Widerstand sehr stark (bei Erwärmen sinkt der spezifische Widerstand).
Dies lässt sich auch mit Hilfe von Bindungsmodellen erläutern, bei einem Metall liegt ein Metallgitter aus positiv geladenen Metallatomrümpfen und freibeweglichen Elektronen vor. Bei einem Nichtleiter liegt eine Atombindung vor, bei der die Elektronen als Elektronenpaarbindung zwischen den Bindungspartnern lokalisiert sind. Daher gibt es bei der Atombindung auch keine frei beweglichen Elektronen (die den elektrischen Strom leiten können). Betrachten wir nun den Halbleiter Silicium, bei tiefen Temperaturen zeigt Silicium keine elektrische Leitfähigkeit. Im Gegensatz zu einem Metall verfügt Silicium über keine frei beweglichen Elektronen in der “Molekülstruktur”. Das Silicium bindet in diesem Fall Atombindungen zwischen den einzelnen Bindungspartnern aus. Erhöhen wir die Temperatur, beginnen die Siliciumatome stärker zu schwingen. Dabei kann (ebenso wie mit Hilfe elektrischer Spannung oder elektromagnetischer Strahlung) ein Valenzelektron herausgelöst werden. Hierdurch lässt sich ein Ladungstransport in dem Halbleiter Silicium erreichen. Wie wir sehen, bilden sich dabei nicht nur freibewegliche Elektronen (wie bei Metallen), sondern auch sogenannte Elektronenlöcher. Es sind also in einem Halbleiter zwei Arten von frei beweglichen Ladungsträgern vorhanden.
Dies erklärt auch, warum bei Temperaturerhöhung die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters stark zunimmt. Durch die Beweglichkeit der Elektronenlöcher und der Elektronen, “erhält” der Halbleiter seine elektrische Leitfähigkeit. Wie auch bei Metallen weisen die Ladungsträger eine bestimmte “Migration” auf, sobald ein elektrisches Feld angelegt wird. Die Elektronenlöcher bewegen sich in Richtung Minuspol, während die frei beweglichen Elektronen in Richtung Pluspol wandern.
Wie wir sehen werden, kann eine Kombination aus einem Leiter und einem Halbleiter als sogenannter Gleichrichter verwendet werden. Das bedeutet, dass der Strom nur in eine Richtung durchgelassen wird. Betrachten wir nun die Kombination aus Metall und Halbleiter.
Zwischen dem Metall und dem Halbleiter befindet sich die sogenannte Trennungsschicht. Auf der Seite des Metalls finden sich viele frei bewegliche Elektronen, während auf der Seite des Halbleiters nur wenige frei bewegliche Elektronen vorhanden sind (Bild 1). Legen wir an beiden Seiten der Kombination eine elektrische Spannung an (und zwar so, dass am Metall der Pluspol liegt), so beobachten wir, dass elektrischer Strom fließt (Bild 2). Dies lässt sich dadurch erklären, dass mehr Elektronen (vom Metall) in die Trennungsschicht angezogen werden und somit genügen “Leitungselektronen” zur Verfügung stehen. Würde man nun den Minuspol am Metall anlegen, würden die freien Elektronen des Halbleiters (durch den Pluspol) von der Trennungsschicht weggezogen werden und stehen für den Ladungstransport nicht mehr zur Verfügung (Bild 3). In diesem Fall hat sich an der Trennungsschicht eine sogenannte Mangelzone ausgebildet, weshalb kein elektrischer Strom fließen kann.
Da diese Schicht (Trennungsschicht) aus Metall und Halbmetall beim Anlegen einer Spannung den Strom nur in eine Richtung durchlässt, wird diese Trennungsschicht auch als Sperrschicht bezeichnet. Ohne diese Trennungsschicht und deren Funktion wäre der heutige Entwicklungsstand der Elektrotechnik bei weitem nicht so weit. So findet diese Sperrschicht in Form von Dioden beispielsweise Eingang in der Kommunikationstechnologie.
Ein Halbleiter ist ein Material, das bei Raumtemperatur eine mittlere elektrische Leitfähigkeit aufweist, die zwischen der von Leitern und Isolatoren liegt. Bei Erhöhung der Temperatur erhöht sich die Leitfähigkeit eines Halbleiters.
Doping bezeichnet die gezielte Veränderung der Eigenschaften eines Halbleiters, indem man Fremdatome in die Kristallstruktur einbringt. Dies erhöht die Anzahl der freien Ladungsträger und somit die Leitfähigkeit.
n-Typ Halbleiter sind negativ geladene Halbleiter, in denen Elektronen die dominierenden Ladungsträger sind. p-Typ Halbleiter sind positiv geladen und haben “Löcher” (fehlende Elektronen) als dominierende Ladungsträger.
Ein pn-Übergang ist eine Grenzschicht zwischen einem p-Typ und einem n-Typ Halbleiter. An diesem Übergang findet ein Ausgleich der Ladungsträger statt, der zu einem elektrischen Feld führt.
Die Leitfähigkeit ist das Maß für die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom zu leiten. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöht sich mit steigender Temperatur und durch Doping.
Ein intrinsischer Halbleiter ist ein reiner Halbleiter ohne Fremdatome. Ein extrinsischer Halbleiter hingegen ist ein Halbleiter, der durch Doping verändert wurde.
Eine Halbleiterdiode ist ein elektronisches Bauteil, das Strom in einer Richtung passieren lässt. Sie besteht aus einem pn-Übergang und wird häufig in der Gleichrichtung von Wechselstrom eingesetzt.
Der Leckstrom ist der minimale Strom, der bei der Sperrrichtung eines pn-Übergangs durch einen Halbleiter fließt.
Leistungshalbleiter sind elektronische Bauteile, die hohen Strömen und Spannungen standhalten können. Sie finden unter anderem in der Leistungselektronik und in elektrischen Antrieben Anwendung.
Mit steigender Temperatur erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern. Das liegt daran, dass durch die höhere Temperatur mehr Elektronen auf ein höheres Energieniveau gehoben werden und somit als freie Ladungsträger zur Verfügung stehen.