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.