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Die elektrische Leitung in Halbleiter (Niveau Sek I)

Allgemeines über die elektrische Leitfähigkeit von Stoffen

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 elektrische Leitfähigkeit bzw. Leitung in einem Halbleiter

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.

  • Die freibeweglichen, negativ geladenen Valenzelektronen, die aus der Bindung zwischen den einzelnen Bindungspartnern herausgelöst wurde
  • Die freibeweglichen, positiv geladenen Elektronenlöcher, die durch das Fehlen des Elektrons entstehen. Die freie Beweglichkeit der Elektronenlöcher lässt sich dadurch erklären, dass dieses Elektronenloch von einem benachbarten Bindungssystem ein Valenzelektron erhält, wobei das alte Elektronenloch gefüllt wird, aber ein neues Elektronenloch "nebenan" entsteht. So können Elektronenlöcher durch den Halbleiter wandern.
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.


Was macht die Halbleiter für die Elektrotechnik so interessant?

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.

Leitung in Halbleitern

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.


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