Halbleiter

Werkstoffe werden nicht nur in Leiter und Nichtleiter unterschieden. Es gibt auch sogenannte Halbleiter, die zu den festen Stoffen gehören. Typische Halbleiter sind z.B. Germanium und Silizium. Das sind Werkstoffe, deren elektrische Leitfähigkeit vom Zustand des Werkstoffs abhängt. Bei geringen Temperaturen sind kaum freie Elektronen vorhanden, so dass die elektrische Leitfähigkeit nicht gegeben ist. Durch Wärme oder Lichteinstrahlung springen die Valenzelektronen aus ihren Bindungen und werden zu freien Elektronen, so dass sie für den Elektronenfluss zur Verfügung stehen. Aus einem nichtleitenden Werkstoff wird somit ein leitender Werkstoff. Wie das funktioniert, wird auf den nachfolgenden Bildern dargestellt.

Atomgitter von Halbleitern im Idealzustand

Im Idealzustand sind die Valenzelektronen mit den Valenzelektronen der Nachbaratome gebunden und stellen somit Bindungselektronen dar. Außer an den Rändern gibt es kaum freie Elektronen. Das Material ist elektrisch nicht leitfähig.

Durch Wärme oder Lichteinstrahlung geraten die Atome dermaßen in Schwingung, dass sich einzelne Elektronen lösen und stehen als freie Elektronen zur Verfügung. Wo vorher Elektronen waren, entstehen Löcher, die positiv sind. Freie Elektronen und Löcher entstehen daher paarweise. In diesem Zustand können sich die Elektronen frei bewegen. Die Löcher werden immer wieder durch freie Elektronen besetzt. Diesen Vorgang nennt man Rekombination. Die Rekombination erfolgt entweder durch das ursprüngliche Elektron oder durch ein Elektron aus einem benachbarten Atom, das durch Wärme oder Licht ebenfalls entsprungen und frei ist. So wandern die Elektronen und Löcher im Kristallgitter wahllos umher.

Wird der Körper unter elektrische Spannung gesetzt, wird die Bewegung der Elektronen geordnet und führen vom Minuspol Richtung Pluspol. Während des Elektronenflusses werden die Löcher durch die fließenden Elektronen oder durch Elektronen aus benachbarten Atomen besetzt. Die Elektronen sind negativ und man nennt die Elektronenbewegung daher n-Leitung. Dadurch, dass die Elektronen Richtung Pluspol fließen und dabei die Löcher besetzen, entstehen neue Löcher. Die Löcher wandern somit automatisch Richtung Minuspol. Man nennt die Bewegung der Löcher p-Leitung, da diese positiv sind.