Halbleiter
Halbleiter sind Stoffe, die sowohl Eigenschaften von Isolatoren (Nichtleiter) als auch von Leitern besitzen. Ihre elektrische Leitfähigkeit liegt zwischen der von Nichtleitern und Leitern. Welche dieser Eigenschaften überwiegen, wird von den äußeren Bedingungen und von Störungen in der Struktur des Atomgitters eines Halbleiters bestimmt. Eines der wichtigsten Halbleitermaterialien ist Silicium (chemisches Symbol: Si). Bild 1 zeigt den Aufbau von reinem Silicium.
Ein chemisch reiner Halbleiter besitzt eine innere Struktur, bei der die einzelnen Atome durch die Atombindung zu einem Gitter zusammengefügt werden. Der Begriff Atombindung bedeutet, dass sich jeweils benachbarte Atome ihre Hüllenelektronen zur Erlangung eines stabilen Zustandes gegenseitig "teilen". Dabei bilden sie gemeinsame Elektronenpaare. Erhöht sich die Temperatur in einem Halbleiter oder wird ihm durch andere äußere Einwirkungen - zum Beispiel Lichteinstahlung - Energie zugeführt, dann können einzelne Elektronen aus ihren Bindungen ausbrechen und sich frei im Gitterverbund bewegen. Ihr zugehöriges Atom ist dann ionisiert. Die freien Elektronen stehen als Ladungsträger für einen elektrischen Leitungsvorgang zur Verfügung.
Aufbau von reinem Silicium: Es liegt Atombindung vor.
Bei sehr tiefen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes werden reine Halbleiter zu Isolatoren. Bei höheren Temperaturen erfolgt zunächst eine vereinzelte, bei weiterer Temperatursteigerung eine immer intensivere Ionisation einzelner Gitteratome. Diese Tatsache nutzt man bei einem so genannten Heißleiter aus, der nur bei merklicher Erwärmung Strom leitet. In der Technik verwendet man für Heißleiter spezielle Materialien (Sinterkeramiken).
Elektrische Leitung durch freie Elektronen und Defektelektronen
Der Leitungsvorgang in Halbleitern besteht im Einzelnen aus zwei Teilprozessen (Bild 2). Freie Elektronen wandern in Richtung Anode, sie lassen jeweils eine freie Stelle positiver Ladung zurück, die man als Defektelektron oder Loch bezeichnet. Die freie Stelle wird von einem benachbarten Elektron ausgefüllt, sodass bei aufeinanderfolgender Wiederholung dieses Prozesses das Defektelektron langsam in Richtung Katode wandert.
Bei Halbleitern liegt also eine positive Defektelektronenleitung und eine negative Elektronenleitung vor. Das unterscheidet sie wesentlich von Metallen, in denen nur Elektronenleitung vorhanden ist.
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