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Transkript Isolator, Halbleiter, Leiter

Hallo, ich heiße Philipp und heute erkläre ich Euch die Eigenschaften und Unterschiede von elektrischen Isolatoren, Halbleitern und Leitern. Jedes Material gehört zu einer dieser 3 Kategorien. Doch welche Merkmale haben Isolatoren und was unterscheidet sie von Leitern? Und wie verhalten sich die einzelnen Stoffe unter bestimmten Bedingungen? Zuerst klären wir also die Eigenschaften der 3 Klassen und vor allem von diesen mysteriösen Halbleitern. Und zum Schluss werden wir uns das Gelernte noch an einer speziellen Darstellung verdeutlichen, nämlich dem Bändermodell. Doch genug zur Gliederung. Betrachten wir also den Isolator. Hierfür gibt es viele bekannte Beispiele: Holz, Plastik, Gummi, aber auch Porzellan. Generell gibt es bei der Unterteilung keine strikten Richtlinien. Es besteht ein ziemlich fließender Übergang zwischen diesen drei Kategorien. Die definite Eigenschaft eines Isolators ist die sehr geringe Leitfähigkeit. Praktisch kann durch einen Isolator also kein Strom fließen. Wie jede sonstige Materie besteht ein Isolator aus Atomen oder Molekülen. Diese Teilchen wiederum sind maßgeblich aus Atomkern und Elektronen aufgebaut. Beim Isolator sind diese Elektronen und Atomkerne nun sehr stark aneinander gebunden. Legt man ein elektrisches Feld an, so wirkt eine Kraft auf alle geladenen Teilchen im Material. Das Feld wird dabei, wie hier, über Feldlinien dargestellt. Die Protonen sind dabei prinzipiell unbeweglich und starr an ihrem Platz verankert, denn sie bilden das Gerüst dieses Stoffes. Da die Elektronen nun aber sehr stark an diese Protonen gebunden sind, können sie sich ebenfalls nicht bewegen. Legt man also ein elektrisches Feld an einen Isolator an, so passiert praktisch nichts. Alles bleibt an seinen Platz und es fließt kein Strom. Isolatoren werden hauptsächlich als Bestandteil von isolierten Leitern, also Kabeln verwendet. Hier wird ein leitender Stoff mit einem nicht-leitenden ummantelt, sodass der Strom ausschließlich im Inneren des Kabels fließen kann. Intuitiv konträr zu einem Isolator ist der elektrische Leiter. Im Alltag findet man ihn meist in Form von Metallen, wie Eisen oder Kupfer, aber auch Graphite zählen dazu. Im Gegensatz zum elektrischen Isolator haben leitende Stoffe eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit. Definiert wird er also über die Eigenschaft, elektrischen Strom sehr gut leiten zu können. Interessant an diesem Aspekt ist, dass diese Leitfähigkeit stark temperaturabhängig ist. Trägt man die Leitfähigkeit qualitativ gegen die Temperatur in einem Diagramm ein, so fällt diese bei hoher thermischer Energie sehr stark ab. Gleichzeitig bedeutet das natürlich, dass der Widerstand des Materials mit der Temperatur steigt. Sehr heiße elektrische Leiter können also theoretisch isolierend wirken. Hier sieht man erneut, dass man nicht eindeutig zwischen Leitern und Isolatoren und später auch Halbleitern unterscheiden kann. Natürlich ist auch der elektrische Leiter aus Atomen aufgebaut, der Unterschied liegt hier lediglich bei den Elektronen. Diese sind zum Beispiel bei Metallen teilweise nur sehr schwach gebunden, man nennt sie daher auch frei beweglich. Nun kann man an diesen Leiter wieder ein elektrisches Feld anlegen. Dadurch entsteht eine wirkende Kraft auf diese Elektronen, und da sie ja frei beweglich, also nur sehr schwach gebunden sind, fangen sie an, sich zu bewegen. Dadurch entsteht ein kontinuierlicher Fluss von Ladungsträgern und den nennt man Strom. Da sich hier negative Ladungen bewegen, wird dieser Elektronenstrom oft auch n-Leitung genannt. Der Strom kann sich nun über das gesamte Leitermaterial ausbreiten und so zum Beispiel eine Lampe zum Leuchten bringen. Anwendung finden leitende Stoffe daher direkt bei sämtlichen elektronischen Bauteilen. Kabel, Drähte, Platinenaufdrucke und vieles mehr sind aus ihnen gefertigt. Doch überraschenderweise gibt es Materialien, die weder das typische Leiterverhalten noch reine Isolatoreigenschaften aufweisen. Es ist eine Art Zwischenform mit sehr speziellen und besonderen Merkmalen. Man nennt sie Halbleiter. Im Allgemeinen handelt es sich dabei um Siliziumverbindungen, also um bestimmte Glasarten. Aber auch Bohr und Germanium zählen dazu. Bei Raumtemperatur haben solche Halbleiter einen eher mittleren Widerstand und leiten deswegen nur schlecht den elektrischen Strom. Der Unterschied zu Isolatoren ist nun, dass bei steigender Temperatur dieser Widerstand sehr stark abfällt. Erhitzt man also ein Siliziumkabel, so fängt es an, den Strom immer besser zu leiten. Dementsprechend steigt natürlich die Leitfähigkeit mit der Temperatur, dieses Verhalten ist also quasi entgegengesetzt zum elektrischen Leiter. Der Grund hierfür liegt erneut in der atomaren Struktur. Halbleiter sind aus speziellen Gitterstrukturen aufgebaut. Siliziumgitter kann man beispielsweise so darstellen: Die hier blauen Elektronen halten dabei die roten Atomkerne zusammen. Jedes Siliziumatom hat dafür 4 Außenelektronen. Das ganze Gerüst steht wie unter einer mechanischen Spannung, wodurch sich die Elektronen nicht eigenständig bewegen können. Legt man jetzt ein elektrisches Feld an, so passiert praktisch nichts. Das Material verhält sich wie ein Isolator und leitet keinen Strom. Doch erwärmt man das Silizium, so führt man den Teilchen kinetische Energie zu. Sie fangen an, sich leicht zu bewegen und irgendwann kann sich ein Elektron aus der Gitterstruktur befreien. Dieses Elektron bewegt sich nun durch das elektrische Feld und führt so zu einem Stromfluss. Je höher die Temperatur ist, desto mehr Elektronen können sich aus dem Gitter befreien und zum Stromfluss beitragen. Deswegen steigt die Leitfähigkeit. Doch es gibt noch einen weiteren Effekt, der zum verbesserten Stromfluss führt. Angewendet werden Halbleiter in nahezu allen Arten von Computerchips. Sie sind Grundlage für Dioden und Transistoren und damit für die gesamte Informationstechnologie. Verlässt nämlich ein Elektron seinen Gitterplatz, hat das dazugehörige Siliziumatom nur noch 3 Außenelektronen, somit fehlt eine negative Ladung. Das Siliziumatom kann somit als positiv geladen angesehen werden. Die quasi positiv geladene Fehlstelle nennt man allgemein Loch. Ist ein elektrisches Feld angelegt, so passiert es, dass ein Elektron von einem Nachbaratom in dieses Loch überspringt. Dadurch wandert das Loch praktische ein Atom weiter. Löcher wandern stets zum negativen Pol der anliegenden Spannungsquelle, während das Elektron zum positiven Pol zieht. Diese Löcher können als eigenständige Teilchen betrachtet werden, und da diese Löcher positiv geladen sind, heißt diese Stromart P-Leitung. Dieser quasidoppelte Leitungsträgerfluss führt zu einer sehr hohen Leitfähigkeit, jedoch erst bei hohen Temperaturen. Wichtig ist zu beachten, dass diese Löcher jedoch keine real existierenden Teilchen sind, sondern lediglich als solche interpretiert werden. In der Physik gibt es ein theoretisches Anschauungsmodell, welches die Unterschiede zwischen Isolatoren, Leitern und Halbleitern sehr gut beschreibt - das Bändermodell. Jedes Atom besteht nach dem bohrschen Atommodell aus einem Atomkern und einer Vielzahl von Elektronen, die sich auf Bahnen um den Kern bewegen, desto höher ist die Energie des dazugehörigen Elektrons. Reiht man die Elektronen von einem Material in einem Energiediagramm auf, so entsteht ein sogenanntes Band, also ein größerer Energiebereich. Der Energiebereich, in dem sich die Elektronen eines Materials befinden, heißt Valenzband. Ab einer bestimmten Energie sind die Elektronen in der Lage, die Bindung an den Kern zu überwinden. Elektronen, die diese oder höhere Energie haben, sind also schwach gebunden. Legt man ein elektrisches Feld an, so können sie sich bewegen und zu einem Strom führen. Diesen Energiebereich nennt man Leitungsband. Alle Elektronen, die sich dort befinden, tragen zum Stromfluss bei. Aus der Lage von Leitungs- und Valenzband kann man sehr gut zwischen Isolatoren, Halbleitern und Leitern unterscheiden. Der hierfür nötige Fachbegriff heißt Bandlücke, er beschreibt den Abstand zwischen den beiden Bändern. Erwärmt man ein Material, so führt man dessen Elektronen Energie zu. Im Energiediagramm steigt das besagte Elektron also nach oben. Die Bandlücke entspricht der nötigen Mindestenergie, damit ein Elektron vom Valenzband ins Leitungsband springen kann und so zu einem Stromfluss führt. Bei einem Isolator ist diese Bandlücke sehr hoch. Erst bei einer enormen Energiezufuhr wäre hier ein Stromfluss möglich. Bei Raumtemperatur leitet dieses Material nicht, sondern wirkt isolierend. Halbleiter hingegen weisen lediglich eine sehr kleine Bandlücke auf. Bei niedrigen Temperaturen wirken sie isolierend, die Außenelektronen haben nicht genug Energie, um zu einem Stromfluss zu führen. Doch durch Erwärmen können die Elektronen die kleine Bandlücke überwinden und ins Leitungsband springen. Hier können sie zu einem Strom führen und gleichzeitig entsteht im Valenzband ein Loch. Dieses bewegt sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes in die andere Richtung und führt zu einer Löcherleitung. Ein leitendes Material weist keine Bandlücke auf. Das Leitungsband ragt hier sogar ein Stück in das Valenzband hinein. Die Außenelektronen eines Leiters besitzen also schon genug Energie, um zu einem Stromfluss zu führen. Diese Stoffe sind deshalb bei Raumtemperatur schon gut leitend. Dieses Model fasst die wichtigsten Eigenschaften von Isolatoren, Leiter und Halbleitern elegant zusammen.

Ich hoffe, Ihr hattet Spaß und versteht den Aufbau eines Kabels nun etwas besser. Euer Philipp Physik    

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3 Kommentare
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    Finde ich sehr interessant. Ist mir aber zu einfach ich bin mehr so ein Fan von schwierigen Aufgaben. Obwohl ich in der 6sten bin.

    Von Derdavid Moor, vor 10 Monaten
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    Eine sehr anschauliche Erklärung!

    Von Dr. Jürgen R., vor mehr als einem Jahr
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    vielen dank
    jetzt verstehe ich das auch

    Von Eugen Schwindt77, vor mehr als 3 Jahren