Halbleiter – Funktionsweise und Praxisbeispiele

Um Strom von Ort der Erzeugung zum Endverbraucher zu transportieren, werden elektrische Leiter benötigt. Jeder Leiter verfügt über einen elektrischen Widerstand, das ist eine Größe, die Auskunft darüber gibt, welchen Widerstand ein Leiter einem Ladungstransport entgegensetzt. Bei gleicher Spannung ist der Stromfluss durch den elektrischen Leiter umso geringer, je größer dieser Widerstand ist. In der Elektrotechnik gibt es drei wichtige Gruppen an elektrischen Leitern. Bei der ersten handelt es sich um Leiter, die aus Material gefertigt sind, die eine vergleichsweise gute Leitfähigkeit aufweisen, in der Regel bestehen sie aus Metall. In ihnen sind freie Elektronen vorhanden, die als Ladungsträger dienen. Weiterhin gibt es sogenannte Nichtleiter, wobei die Bezeichnung ein wenig in die Irre führt, da keine idealen Nichtleiter existieren. Nichtleiter bestehen aus Stoffen, die über einen spezifischen Widerstand von mehr als 104 Ω mm2/m verfügen, da keine freien Elektronen in ihnen vorhanden sind. Ihre Bedeutung in der Elektrotechnik als Isolatoren ist immens. Die dritte Gruppe bilden die Halbleiter. In ihnen sind im Ausgangszustand keine freien Elektronen vorhanden, so dass sie zunächst ähnliche Eigenschaften wie die Nichtleiter aufweisen. Durch äußere Einflüsse wie Temperatur, Licht oder elektrische Felder können sich jedoch Außenelektronen von den Atomen, an die sie gebunden sind, lösen. Dies führt dazu, dass Halbleiter dann die Eigenschaften von Leitern annehmen.1 Funktionsweise von elektrischen Halbleitern.1

Funktionsweise von elektrischen Halbleitern

Einfluss auf elektrische Halbleiter kann zum Beispiel eine steigende Temperatur nehmen. Die Elektronen fangen an zu schwingen, ab und zu löst sich eines aus seiner Bindung zum Atom. An der Stelle, wo sich das Elektron befand, entsteht eine positiv geladene Lücke. Wandert ein benachbartes Elektron in diese Lücke, führt dies im Endeffekt zu einem Stromfluss, da sich die positive Ladung weiterbewegt. Die Leitfähigkeit von elektrischen Halbleitern beruht sowohl auf negativen als auch positiven Ladungsträgern. Bei Erzeugung eines elektrischen Felds wandern die negativ geladenen Elektronen zum Pluspol und die positiv geladenen Löcher beziehungsweise Defektelektronen zum Minuspol. Elektrische Halbleiter sind vor allem aufgrund der sogenannten Dotierung bedeutsam für die Elektrotechnik. Dabei werden Fremdatome in kleiner Menge in den elektrischen Halbleiter eingebracht. Diese bringen entweder zusätzliche Elektronen oder Löcher mit ein. Werden Elektronen beziehungsweise Donatoren eingebracht, ergibt sich eine n-dotierte Halbleiterstruktur. In Fällen, in denen Löcher beziehungsweise Akzeptoren zugefügt werden, resultiert eine p-Dotierung. Als Beispiel für einen Halbleiter sei der Stoff Silizium angeführt. Silizium besitzt vier Außen- beziehungsweise Valenzelektronen. Deshalb kann sich ein Kristallgitter mit einer kovalenten Bindung bilden. Werden nun zum Beispiel Phosphor-Atome zugefügt, die fünf Außenelektronen besitzen, bleibt ein freies Elektron übrig. Die Leitfähigkeit des Siliziums wird dadurch erhöht. Elektrische Halbleiter sind die Grundlage für zahlreiche Bauelemente, zum Beispiel für Transistoren und Dioden. Neben Silizium gibt es weitere Halbleitermaterialien wie Germanium und Galliumarsenid.2

Beispiele für halbleitende Bauelemente in der Praxis

Elektrische Halbleiter sind zum Beispiel für Computerchips bestens geeignet. Von Nachteil ist, dass Materialien wie Silizium, Germanium und Galliumarsenid recht spröde sind und relativ leicht zerbrechen, wenn sie einer mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Aufgrund ihrer kristallinen anorganischen Struktur lassen sie sich nicht um mehr als ein Prozent verformen. Diese Halbleiter sind also für die Herstellung elektrischer Module nicht praktikabel. Eine deutlich bessere Formbarkeit weisen organische Halbleiter auf. Ein Forschungsteam von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Shanghai hat allerdings eine anorganische Verbindung entdeckt, die ähnlich flexibel ist: Silbersulfid eignet sich bestens für biegsame elektronische Bauelemente. In manchen elektronischen Schaltkreisen wird der anorganische Halbleiter bereits eingesetzt, die Entdeckung von Silbersulfid als elektrischem Halbleiter könnte zudem einen positiven Einfluss auf das Entwicklungstempo flexibler Elektronikmodule ausüben.3 Ebenfalls einen Fortschritt für die Computertechnik bringen halbleitende Kohlenstoffnanoröhrchen mit sich. Bisher bestehen Schaltkreise in Prozessoren aus Silizium. Mittels der Kohlenstoffröhrchen könnte ein neuer Prozessortyp entwickelt werden, der sowohl kleiner wäre als auch stromsparender als bisherige Prozessoren.4 Ein weiteres Beispiel für den technischen Fortschritt durch Halbleiter stellt die Halbleiter-Quanten-Spannungsquelle dar. Vor deren Entwicklung ließen sich quantisierte Spannungen ausschließlich mit Hilfe des Josephson-Effekts in supraleitenden Schaltungen realisieren. In der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) wurde durch die Verbindung einer Einzelelektronenpumpe, quantisierten Stromquellen, die auf Halbleitern basieren, mit einem Quanten-Hall-Widerstand auf einem Halbleiterchip eine quantisierte Spannung erzeugt. Interessanterweise entspricht die Ausgangsspannung der Halbleiter-Quanten-Spannungsquelle jener einer supraleitenden Josephson-Schaltung, obwohl sie durch einen ganz anderen physikalischen Effekt erzeugt wird. In der Zukunft soll die Ausgangsspannung der Halbleiter-Quanten-Spannungsquelle noch deutlich erhöht werden, so dass sie für Experimente wie den Schluss des metrologischen Dreiecks genutzt werden kann.5

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