Halbleiter

In der Elektronik unterscheidet man zwischen Materialien, die elektrischen Strom leiten, die so genannten Leiter, und andere, die keinen elektrischen Strom leiten, die Nichtleiter (Isolator), und wieder andere, die wegen ihrer kristallinen Struktur zwischen Leiter und Nichtleiter einzuordnen sind, die Halbleiter. Hierunter fallen u.a. die chemische Elemente Bor, Schwefel, Selen (Se) und Tellur. In der Mikroelektronik werden hauptsächlich Germanium (Ge), Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs) und auch Kohlenstoffverbindungen eingesetzt.

<< Anzeige >>

In Halbleitern stehen nur wenige oder gar keine freie Elektronen für den Stromtransport zur Verfügung. Bei 0 Kelvin hat ein Halbleiter die Eigenschaften eines Isolators, da im Leitungsband keine Elektronen vorhanden sind. Im Falle von Silizium, das 14 Elektronen in drei Elektronenschalen hat, hat das Valenzband 4 Elektronen. Diese sind in reinem Silizium mit jeweils vier Valenzelektronen der Nachbar-Atome paarweise verbunden, sodass kein freies Elektron für den Stromtransport zur Verfügung steht.

Verbindung der Valenzstruktur bei reinem Silizium

Bei erhöhter Energiezufuhr durch Wärme oder Licht können sich die Elektronen in den Valenzbändern lösen und als freie Elektronen im Leitungsband den Stromtransport übernehmen. Der Halbleiter wird dadurch leitfähiger und ist in seinen Eigenschaften vergleichbar einem Leiter. Löst sich ein gebundenes Elektron aus dem Verbund, hinterlässt es in der Valenzschale eine Elektronenlücke, die als Loch bezeichnet wird. Der Stromtransport in einem Halbleiter erfolgt daher auf zweierlei Art: auf dem Elektronentransport und auf dem Transport von Löchern, respektive von fehlenden Elektronen.

Silizium positiv dotiert mit Gallium

Durch gezielte Verunreinigung, die Dotierung, des Halbleitermaterials beispielsweise mit Arsen (As), das fünf Valenzelektronen besitzt, erhält das Halbleitermaterial einen Elektronenüberschuss, es wird daher als N-Material bezeichnet. Als P-Material wird Halbleitermaterial mit einem Elektronendefizit oder einem Löcherüberschuss bezeichnet. Halbleiterbauelemente wie Dioden, Transistoren, Thyristoren u.v.m. bestehen immer aus zwei oder mehreren N- und P-Schichten in denen der Stromfluss durch Anlegen von Versorgungs- und/oder Steuerspannungen gesteuert werden kann.