Halbleiter – Struktur zwischen Leiter und Isolator

Die Eigenschaften von Werkstoffen lassen sich auf den stofflichen Aufbau zurückführen. Zwischen den Eigenschaften der “Mikrowelt” (Atomaufbau) und der “Makrowelt” (z.B. Farbe, Leitfähigkeit) herrscht ein Zusammenhang. So kann man beispielsweise aufgrund der Metallbindung erklären, warum ein Metall im festen Zustand leitfähig ist. Nun soll es aber um eine spezielle Klasse von Werkstoffen gehen, um die sog. Halbleiter.

Halbleiter – Zwischen Metall und Isolator

Wie bereits erwähnt, bewegen sich die Elektronen in Metallen uneingeschränkt und leiten daher den Strom sehr gut. Halbleiter hingegen habe keine uneingeschränkte Beweglichkeit der Elektronen, weswegen die elektrische Leitfähigkeit erheblich geringer. Dies ist lässt sich auf den atomaren Aufbau eines Halbleiters zurückführen und erklärt so den Unterschied zwischen Metallen und Halbleiter, obwohl die geometrische Struktur der Halbleiter vergleichbar mit den Strukturen der
Metalle so weist z.B. Silizium eine dreidimensionale (kristalline) Netzwerkstruktur auf.

Elektronische Strukturen eines Halbleiters am Beispiel von Silicium

Wie oben bereits erwähnt, besitzt Silicium eine dreidimensionale Netzwerkstruktur und hat wie alle Nichtmetalle (gefüllte und ungefüllte Orbital: 1s2 2s2 2p6 3s2 und 3p2 bei Silicium). Innerhalb dieser Netzwerkstruktur ist jedes Siliciumatom von vier Siliciumatomen umgeben, so dass die unbesetzten und besetzten Orbitale überlappen können. Die Nachbarschaft der einzelnen Silicium-Atome hat aber noch einen anderen Effekt, so können die Elektronen nicht mehr zwischen den Atomorbitalen einzelner Atome “unterscheiden” und “bewegen” sich daher von einem Atom zum Anderen. Diese Überlappung der Atomorbitale bewirkt die Ausbildung von sogenannten Molekülorbitalen, die über das gesamte Netzwerk ausgedehnt sind. Liegt eine solche Ausdehnung von Molekülorbitalen vor, spricht man von sogenannten Energiebändern.
So führt die Überlappung der besetzten Atomorbitale zu vollständig besetzten Energiebändern, dem sogenannten Valenzband. Die Überlappung der unbesetzten Molekülorbitale führt einem Band, das keine Elektronen enthält und als sogenanntes Leitungsband bezeichnet wird. Zwischen diesen beiden Bändern liegt eine (Energie)differenz, die als Bandlücke bezeichnet wird. Diese Bandlücke ist charakteristisch und bietet die Möglichkeit, einen Werkstoff zu klassifizieren.

Unterscheidung der Leitfähigkeit anhand der Bandlücke

Wie bereits im letzten Absatz erwähnt, lässt sich über die Kenntnis der Bandlücke einiges über den Werkstoff sagen.

  • Bei einem Metall überlappen sich Valenzband und Leitungsband (keine Bandlücke), so dass keine zusätzliche Energie notwendig ist, Elektronen in das Leitungsband zu bringen. Daher sind Metalle auch Leiter.
  • Beim einem Halbleiter überlappen sich Valenzband und Leitungsband nicht, damit der Halbleiter elektrisch leitfähig wird, muss ein Elektron aus dem vollen Valenzband in das leere Leitungsband gelangen, was mit einer Energiezufuhr verbunden ist. Diese Energie kann man z.B. durch Erhitzen des Halbleiters erhalten und erklärt damit auch, warum die Leitfähigkeit eines Halbleiters mit zunehmender Temperatur zunimmt.
  • Bei Isolatoren ist zwischen Valenzband und Leitungsband ebenfalls eine Bandlücke, die Bandlücke ist aber so groß, dass es nicht möglich ist, Elektronen in das Leitungsband zu bringen. Daher leiten Isolatoren den elektrischen Strom nicht.

Als Richtlinie kann man sich merken, dass ein Isolator ab einer Bandlücke von 4 eV (Elektronenvolt) vorliegt. Ein Halbleiter liegt vor, wenn die Bandlücke mind. 0,1 eV beträgt. Als weitere Richtlinie kann man festhalten, dass die Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband von der Energiedifferenz der ursprünglichen Atomorbitale (z.B. 3p-Orbital) abhängt. Daher lassen sich auch Bandlücken berechnen.


Halbleiter – Struktur zwischen Leiter und Isolator – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist ein Halbleiter?

Ein Halbleiter ist ein Material, das weder einen sehr guten Leiter noch einen sehr guten Isolator ist. Es leitet Strom besser als ein Isolator, aber schlechter als ein Leiter.

2. Welche sind die häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien?

Die am häufigsten verwendeten Halbleitermaterialien sind Silizium und Germanium.

3. Was ist der Unterschied zwischen einem Intrinsischen und einem Extrinsischen Halbleiter?

Ein intrinsischer Halbleiter ist chemisch rein, während ein extrinsischer Halbleiter dotiert ist, dass heißt, er hat eine geringe Anzahl von Fremdatomen.

4. Wie beeinflusst die Temperatur die Leitfähigkeit von Halbleitern?

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöht sich mit der Temperatur – im Gegensatz zu Metallen, deren Leitfähigkeit abnimmt.

5. Welche Rollen spielen Halbleiter in elektronischen Geräten?

Halbleiter spielen eine Schlüsselrolle in der Herstellung von Transistoren, Dioden und Integrierten Schaltkreisen.

6. Was ist Dotierung bei Halbleitern und warum ist es wichtig?

Die Dotierung bezeichnet die Zugabe von Fremdatomen zu einem Halbleiter. Sie verändert die elektronischen Eigenschaften und verbessert die Leitfähigkeit.

7. Was sind P-Typ und N-Typ Halbleiter?

P-Typ und N-Typ Halbleiter sind zwei Arten von dotierten Halbleitern. In P-Typ Halbleitern gibt es mehr Löcher, während in N-Typ Halbleitern es mehr Elektronen gibt.

8. Welche Anwendung findet ein Halbleiter in der Photovoltaik?

In der Photovoltaik wird Halbleitermaterial verwendet, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln, wie es in Solarzellen der Fall ist.

9. Was ist ein Supraleiter und wie unterscheidet er sich von einem Halbleiter?

Ein Supraleiter ist ein Material, das Strom ohne Widerstand leiten kann. Im Gegensatz dazu hat ein Halbleiter einen mittleren Widerstand.

10. Was ist das Bändermodell und wie ist es mit Halbleitern verbunden?

Das Bändermodell ist ein Modell zur Beschreibung des Verhaltens von Elektronen in Festkörpern. Die Valenz- und Leitungsbandlücke ist bei Halbleitern klein genug, dass Elektronen sie bei ausreichender Temperatur oder Spannung überwinden können.