In der Elektronik unterscheidet man zwischen Materialien, die elektrischen Strom leiten, den Leitern, und andere, die keinen elektrischen Strom leiten, den Nichtleitern (Isolator), und wieder andere, die wegen ihrer kristallinen Struktur zwischen Leiter und Nichtleiter einzuordnen sind, die Halbleiter. Die Leitfähigkeit von Leiter, Halbleiter und Nichtleiter ist durch die Bandlücke zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband gegeben. Während Leiter keine Bandlücke haben, beträgt sie bei Halbleitern zwischen 0,4 Elektronenvolt (eV) und 3,6 eV. Bei Nichtleitern ist sie wesentlich höher.

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Unter Halbleiter fallen u.a. die chemischen Elemente Bor, Schwefel, Selen (Se) und Tellur. In der Mikroelektronik werden hauptsächlich Germanium (Ge) und Silizium (Si) als Elementhalbleiter eingesetzt, als Halbleiter, die aus einem chemischen Element bestehen. Darüber hinaus gibt es die große Gruppe an Verbindungshalbleitern, zu denen Silizium-Germanium (SiGe), Siliziumcarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN), Indiumphosphid (InP) und auch Kohlenstoffverbindungen zählen, aus denen organische Halbleiter hergestellt werden.

Einordnung von Leitern, Supra-, Halb- und Nichtleitern

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 monokristallinem 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.