Funktion und Anwendung von Halbleitern

Halbleiter sind Festkörper, die nur unter gewissen Umständen elektrisch leitfähig sind. Bei Halbleitern sind nahezu keine freien Elektronen zur Verfügung, die den Strom leiten könnten. Es gibt jedoch unterschiedliche Möglichkeiten, damit ein solcher Halbleiter genutzt werden kann, um elektrischen Strom zu leiten.

Eigen- und Störstellenleitung

Eigenleitung:

Wenn die Temperatur erhöht wird, können sich gebundene Elektronen im Halbleiter lösen, wodurch ein sogenanntes Loch entsteht. Wird der Halbleiter an eine Spannung angelegt, bewegen sich die Elektronen in Richtung Pluspol, wobei sie in die Lücken "springen" und somit wandern die Lücken Richtung Minuspol. Es entsteht also eine temperaturabhängige Leitfähigkeit des Halbleiters, die sogenannte Eigenleitung.

Störleitung:

Eine andere Möglichkeit ist die Dotierung des Halbleiters, was bedeutet, dass fremde Atome eingebaut werden. Durch diese fremden Atome stehen entweder mehr Elektronen oder mehr Löcher zur Verfügung. Es wird daher zwischen n-Leitung und p-Leitung unterschieden.

Betrachten wir im Folgenden einen bekannten und viel verwendeten Halbleiter Silizium

n-Leitung (1): Wird Silizium, mit vier Valenzelektronen, mit einem Atom aus der V. Hauptgruppe, mit fünf Valenzelektronen, dotiert, beispielsweise Arsen (As) (3), bleibt bei der Bindung ein Valenzelektron als freies Elektron übrig. Solche Atome, die Elektronen abgeben, werden Donatoren genannt. Das n-leitende Silizium transportiert die Ladung durch die freien Elektronen.

p-Leitung (2): Wird Silizium hingegen mit einem Atom aus der III. Hauptgruppe, mit lediglich drei Valenzelektronen, dotiert, beispielsweise Gallium (Ga) (4), entsteht ein Loch, da nicht alle Elektronen eine Bindung eingehen können. Das Atom kann also noch Elektronen aufnehmen und wird daher Akzeptor genannt. Beim p-leitenden Silizium bilden die Löcher die Ladungsträger, wobei jedes Loch eine positive Elementarladung transportiert.

Wird ein p-dotierender und ein n-dotierender Halbleiter kombiniert, so entsteht an der Grenzfläche ein sogenannter p-n-Übergang. Dies wird in unterschiedlichen Bereichen angewandt, beispielsweise bei Solarzellen.

Bändermodell

In einem Atom besetzen die Elektronen nur bestimmte Energieniveaus. Werden N Atome zusammengefügt, erfolgt eine Aufspaltung in N eng beieinanderliegenden Energieniveaus. Dies wird dann Energieband genannt. Das letzte vollbesetzte Energieband ist das Valenzband, das darauffolgende leere bzw. nur teil besetzte Energieband ist das Leitungsband. Ein vollbesetztes Valenzband kann nicht zur elektrischen Leitung beitragen, weshalb Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband übergehen müssten, damit der Festkörper leiten kann. Bei Isolatoren oder Halbleiter sind diese beiden Bänder jedoch mit einer Lücke, auch Gap $$E_g$$ genannt, voneinander getrennt. Werden die Energiezustände beim absoluten Nullpunkt betrachtet, gibt die sogenannte Fermi-Energie $$E_F$$ die Grenzenergie an, bis zu der die Elektronen aufgefüllt sind. Bei Halbleitern und Isolatoren liegt die Fermi-Energie genau in der Lücke. Damit also Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband übergehen können, muss dem Elektron genügend Energie zugeführt werden, um die Energielücke zu überwinden. Dies kann bei Halbleitern, beispielsweise durch Erhöhen der Temperatur, ermöglicht werden. Bei Isolatoren hingegen ist die Energielücke so gross, dass sie nicht überwindet werden kann.

1. Isolator 2. Leiter 3. Halbleiter 4. dotierte Halbleiter mit Störstellenniveaus 5. Akzeptorniveaus 6. Donatorniveaus 7. Valenzband 8. Leitungsband