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Halbleiter

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Physik Siggi
Halbleiter
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Grundlagen zum Thema Halbleiter

Halbleiter spielen in der heutigen Welt eine wichtige Rolle. Man findet sie z.B. in Mikroprozessoren oder Solarzellen wieder. In diesem Video schauen wir uns an, was Halbleiter eigentlich sind. Halbleiter sind Stoffe, die abhängig von ihrem Zustand elektrisch leitfähig sind, oder nicht. Um zu verstehen, wie man sich das vorstellen kann betrachten wir den atomaren Aufbau typischer Halbleiter. Danach lernst du, wie man gezielt die Leitfähigkeit durch Dotierung beeinflussen kann. Und zum Schluss lernst du einige Anwendungsbeispiele für Halbleiter kennen.

Transkript Halbleiter

Hallo, ich bin euer Physik-Siggi. Heute werde ich euch den Halbleiter erklären. Ihr werdet seine Eigenschaften verstehen und ihr werdet später kennenlernen, was ein dotierter Halbleiter ist. Zum Schluss werde ich euch ein paar Anwendungen zeigen. Ihr solltet dafür schon vom prinzipiellen Aufbau eines Atoms gehört haben. Außerdem solltet ihr mit dem Periodensystem vertraut sein, und ihr solltet schon über die elektrische Leitung Bescheid wissen. Ein typischer Halbleiter ist das Element Silicium. Silicium haben wir in unserer Welt sehr viel, es gibt es wie Sand am Meer. Es ist in unserem Periodensystem in der 3. Periode. Die Elektronen verteilen sich also auf 3 Schalen. Das heißt, die beiden unteren Schalen sind schon voll mit Elektronen. In der nächsthöheren Schale sind nur 4 Elektronen gebunden. Da auf der 3. Schale 8 Elektronen Platz finden würden, hat das Silicium also 4 weitere Plätze frei. In diese Plätze können nun weitere Elektronen hineingehen. Zum Beispiel Elektronen von 4 weiteren Siliciumatomen. Das Elektron 1 von Atom B benützt praktisch 2 Elektronenplätze, den von Atom B und einen leeren von Atom A. Dadurch entsteht eine Bindung. Die 4 Elektronen der anderen Atome machen es genauso und verbinden somit die Atome. Es entsteht ein Siliciumkristall. Was für Eigenschaften hat dieser Kristall, dieser Halbleiter? Ein paar wenige Elektronen können sich aus der Atombindung lösen. Diese können dann beim Anlegen einer elektrischen Spannung vom Pluspol angezogen werden. Dabei wandert natürlich der freie Elektronenplatz, das sogenannte Defektelektron, oder auch Loch, zum Minuspol. Diese sogenannte Eigenleitung ist jedoch sehr gering. Es existiert bei etwa 100000000 Siliciumatomen, nämlich nur 1 freies Elektron. Der Strom ist also sehr gering. Man kann jedoch die Anzahl der freien Ladungsträger erhöhen. Mehr freie Elektronen und mehr freie Löcher würde ja bedeuten, dass der Strom sich erhöhen würde, der Halbleiter also besser elektrisch leitet. Es gibt nun zwei Arten, entweder man erhöht die Anzahl der freien Elektronen oder man erhöht die Anzahl der Defektelektronen. Wie kann man das erreichen? Man dotiert den Kristall. Dotierung bedeutet, dass man Fremdatome in den Kristall einsetzt. Dieses Fremdatom hat die Eigenschaft, dass es entweder ein Elektron mehr oder ein Elektron weniger in der äußeren Schale hat als das Siliciumatom. Bringen wir zum Beispiel Phosphor in den Kristall. Phosphor hat 5 Elektronen in der äußersten Schale, Silicium nur 4. Der Siliciumkristall bindet aber 4-wertig und der Phosphor möchte gerne 5-wertig binden. Also können nur 4 Elektronen des Phosphors mit dem Kristall eine Bindung eingehen. Das 5. Elektron kann nicht gebunden werden und bleibt damit ungebunden. Es ist frei. Diesen Halbleiter nennt man nun n-Halbleiter. Ihr könnt euch das so merken. Das Elektron ist negativ geladen, es sind mehr freie Elektronen im Kristall, also mehr negative Ladungen, n-Halbleiter wie negativ. Die zweite Art, den Halbleiter zu dotieren, besteht darin, dass man 1 Atom in den Kristall einfügt, dass 1 Elektron weniger in der äußeren Schale hat als die Kristallatome. Beim Siliciumkristall ist das zum Beispiel das Bor. Die äußere Schale ist bei Bor zwar nicht die 3., sondern die 2., jedoch ist das egal. Entscheidend ist die Anzahl der Elektronen in der letzten, nicht vollständig gefüllten Schale und die Anzahl ist bei Bor 3 Stück. Beim Silicium sind 4 Elektronen in der äußersten Schale. Bringt man nun das Bor in den Siliciumkristall, so gehen alle 3 Elektronen von Bor eine Bindung ein. Jedoch bleibt 1 freier Elektronenplatz übrig. Wir haben 1 Defektelektron mehr. Es ist ein sogenannter p-Halbleiter entstanden. Hier können die freien Löcher zum Minuspol wandern. Es fließt ein Strom. Der Halbleiter ist ein p-Leiter. Je mehr Fremdatome ich dazugebe, je stärker ich also dotiere, desto mehr freie Ladungsträger stehen zur Verfügung und desto größer ist die Leitfähigkeit des Halbleiters. Ich möchte euch drei Anwendungen für den Halbleiter zeigen. Es gibt natürlich auch noch andere Materialien als das Silicium, die Halbleitereigenschaften haben. Bei einem Halbleiter, dem sogenannten Heißleiter, sinkt der Widerstand mit der Temperatur. Das heißt, je größer die Temperatur, desto mehr freie Ladungsträger hat der Kristall, desto größer ist er Strom. Voraussetzung ist, dass man eine konstante Spannung anlegt. Man kann mit so einem Halbleiter also die Temperatur messen. Je größer der Strom ist, desto größer muss auch die Temperatur sein. Wir haben somit einen Messfühler. Ein anderer Halbleiter reagiert genau so auf Licht, der sogenannte Fotowiderstand. Je mehr Licht auf das Material fällt, desto mehr freie Elektronen bilden sich, also wird damit der elektrische Strom größer. Man kann damit die Beleuchtungsstärke einer Lampe messen. Je stärker sie leuchtet, desto mehr Strom fließt durch den Halbleiter. Die letzte und bekannteste Anwendung ist die Diode. Diese werde ich euch im Film Diode vorstellen. Ich hoffe, ihr habt nun verstanden, was ein Halbleiter ist, was p- und n-Dotierung bedeutet und wozu man dies nutzen kann. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit.

9 Kommentare

9 Kommentare
  1. Super Video, super Erklärung :) Ohne wäre ich jetzt total aufgeschnissen :D

    Von Danischen, vor mehr als 5 Jahren
  2. Vielen Dank für dieses tolle Video,hat mir sehr geholfen! Es wurde viel besser erklärt als von unserem Physiklehrer :)

    Von Cg8000, vor etwa 6 Jahren
  3. @Samy Osman,
    so einfach ist das leider nicht.
    Du kannst jedes Halbmetall als Halbleiter nutzen.
    Also: Bor, Silizium, Germanium, Arsen, Selen, Antimon und Tellur.
    Davon wird Silizium am häufigsten eingesetzt.
    Aluminium zählt aber zur Gruppe der Metalle und verhält sich in seiner Leitfähigkeit auch so.

    Von Karsten S., vor fast 7 Jahren
  4. Kann ich statt Bor auch Aluminium nehmen? hat ja auch drei Elektronen auf der äußeren Schale

    Von Samy Osman, vor fast 7 Jahren
  5. Danke, habs verstanden:)

    Von Thomasmaier, vor mehr als 7 Jahren
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Halbleiter Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Halbleiter kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Eigenschaften eines Halbleiters.

    Tipps

    Halbleiter sind sogenannte Heißleiter.

    Lösung

    Im Gegensatz zu einem Leiter gibt es in einem Halbleiter nur sehr wenige freie Ladungsträger wie ungebundene Elektronen. Deshalb ist die Leitfähigkeit von Halbleitern auch sehr viel geringer als bei Leitern. In einem Siliziumkristall kommt nur auf alle $100\,000$ Siliziumatome ein freies Elektron.

    Die Anzahl der freien Ladungsträger lässt sich erhöhen, indem man einen Kristall dotiert. Dotierung bedeutet, Fremdatome in den Kristall einzusetzen. Diese Fremdatome haben die Eigenschaft, dass sie entweder jeweils ein Elektron mehr oder ein Elektron weniger in der äußeren Schale haben als das Siliziumatom.

    Wenn man einen Halbleiter erwärmt, kann man die Leitfähigkeit jedoch erhöhen, da den einzelnen Elektronen Energie zugeführt wird. Diese zusätzliche Energie erleichtert es ihnen, sich aus ihrer Bindung zu lösen, sodass sie zum Stromtransport beitragen können. Halbleiter sind deshalb Heißleiter, die den Strom bei höheren Temperaturen besser leiten.

  • Beschreibe die Dotierung.

    Tipps

    Der Halbleiter Silizium wird häufig mit fünfwertigem Phosphor dotiert.

    Bei der n-Dotierung sorgt man für zusätzliche negative Ladungsträger in dem Halbleiter.

    Lösung

    Mit der Dotierung eines Halbleiters kann man dessen Leitfähigkeit verbessern, indem man zusätzliche freie Ladungsträger in den Halbleiter einbringt. Diese freien Ladungsträger können dabei schwach gebundene Elektronen oder Elektronen-Fehlstellen in den Bindungen der Atome im Halbleiter sein. Man spricht von einer n-Dotierung bei zusätzlichen freien Elektronen oder einer p-Dotierung bei zusätzlichen Elektronen-Fehlstellen.

    Die Dotierung erreicht man, indem man Fremdatome in die Kristallstruktur des Halbleiters einbringt, die entweder jeweils ein Elektron mehr oder weniger auf der äußersten Schale haben als die Atome des Halbleiters. So bleibt entweder ein Elektron von jedem Fremdatom ungebunden, oder es fehlt bei jedem Fremdatom ein Elektron in der Bindung, sodass eine Fehlstelle entsteht.

  • Bestimme die Widerstände der Materialien.

    Tipps

    Der Widerstand des Halbleiters ist der Kehrwert seiner Leitfähigkeit.

    Der richtige Graph hat keine Ecken.

    Lösung

    Je stärker ein Halbleiter dotiert wird, desto mehr freie Ladungsträger stehen zum Ladungstransport zur Verfügung. Deshalb sinkt der elektrische Widerstand eines Halbleiters umso mehr, je mehr Fremdatome man in den Halbleiter einbringt. Dabei sinkt der Widerstand mit der Konzentration der Ladungsträger exponentiell und nähert sich nach und nach seinem Minimalwert an.

    Der spezifische Widerstand von reinem Silizium ohne Fremdatome beträgt bei $20^\circ\text{C}$ beispielsweise etwa $2300\,\Omega\text{m}$. Wenn man beginnt, Fremdatome in das Silizium einzubringen, sinkt der Wert nach und nach auf bis zu $0,0001\,\Omega\text{m}$.

    Indem man ihn dotiert, kann man die Leitfähigkeit eines Halbleiters also um ein Vielfaches erhöhen. Doch auch das dotierte Silizium leitet den elektrischen Strom noch deutlich schlechter als Metalle. Der spezifische Widerstand von Eisen beträgt beispielsweise nur $10$ Millionstel des spezifischen Widerstands von dotiertem Silizium.

  • Bestimme, ob es sich bei den Dotierungen um n- oder p-Halbleiter handelt.

    Tipps

    Für die einzelnen Elemente werden hier chemische Kürzel verwendet:

    • Si steht für Silizium
    • Ge für Germanium
    • P für Phosphor
    • As für Arsen
    • Sb für Antimon
    • Al für Aluminium
    • In für Indium
    • B für Bor

    Germanium ist neben Silizium eines der wichtigsten Halbleiter-Materialien.

    Das Fremdatom hat die Eigenschaft, dass es entweder ein Elektron mehr oder ein Elektron weniger in der äußeren Schale hat als der Kristall. Hat es ein Elektron mehr, so handelt es sich um einen n-Halbleiter.

    Lösung

    Man dotiert einen Kristall, indem man Fremdatome einsetzt. Dieses Fremdatom hat die Eigenschaft, dass es entweder ein Elektron mehr oder ein Elektron weniger in der äußeren Schale hat. Hat es ein Elektron mehr, so erhalten wir einen n-Halbleiter. Andernfalls handelt es sich um einen p-dotierten Halbleiter.

    So können wir die hier gegebenen Dotierungen wie folgt zuordnen:

    n-Halbleiter

    • Silizium (Si) dotiert mit Phosphor (P)
    • Silizium (Si) dotiert mit Arsen (As)
    • Germanium (Ge) dotiert mit Antimon (Sb)
    p-Halbleiter

    • Silizium (Si) dotiert mit Aluminium (Al)
    • Silizum (Si) dotiert mit Indium (In)
    • Germanium (Ge) dotiert mit Bor (B)
  • Nenne die Nutzungsmöglichkeiten von Halbleitern.

    Tipps

    Ein Photosensor ist ein Gerät zum Messen von Lichtintensität.

    Für Starkstromkabel benötigt man sehr gute elektrische Leiter.

    Lösung

    Reine Halbleiter wie Silizium sind sogenannte Heißleiter. Sie leiten also den elektrischen Strom besser, wenn sich ihre Temperatur erhöht. Diese Eigenschaft kann man nutzen, indem man Halbleiter als Temperaturfühler verwendet. Dabei misst man bei einer konstanten Spannung den Stromfluss durch ein kleines Halbleiter-Bauteil. Wenn sich die Temperatur beispielsweise erhöht, sinkt der Widerstand. Die Temperaturerhöhung lässt sich dann an einem erhöhten Stromfluss feststellen. Fällt die Temperatur hingegen, dann sinkt auch die Stromstärke.

    Man kann manche Halbleiter auch als Photosensoren verwenden, also Sensoren für Licht. Man nutzt dafür den sogenannten Photoeffekt aus. Dieser beschreibt das Phänomen, dass einzelne Elektronen in einem Halbleiter Lichtenergie aufnehmen können. Diese Elektronen können sich dann aus den Atombindungen lösen und als Ladungsträger fungieren, sodass der Widerstand sinkt. So kann man erkennen, wenn der Halbleiter belichtet wird.

    Eine der wichtigsten Anwendungsbeispiele für Halbleiter sind die Dioden. Diese Bauteile bestehen aus einem n-dotierten und einem p-dotierten Halbleiter und sind nur in eine Richtung leitfähig.

    Als Starkstromkabel eignen sich Halbleiter nicht, denn für diese Anwendung braucht man Materialien, die den elektrischen Strom besonders gut leiten. In Materialien mit hohem elektrischen Widerstand würde ein Großteil der elektrischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt und damit für die Stromversorgung verloren gehen.

    Die Eigenschaften von Halbleitern lassen sich weder für die Druck- noch für die Entfernungsmessung nutzen.

  • Erkläre die Diode.

    Tipps

    Eine Diode leitet elektrischen Strom nur in eine Richtung.

    Wenn ein Elektron von seinem Atomkern getrennt wird, ergibt sich eine elektrische Spannung.

    Lösung

    Die Diode ist eines der wichtigsten Bauteile der Halbleitertechnik. Mit ihr ist es möglich, die Stromrichtung genau zu kontrollieren, da der Strom nur in eine Richtung durch die Diode fließen kann.

    Außer der Diode gibt es noch weitere Bauteile, die aus dotierten Halbleitern bestehen und dadurch interessante Eigenschaften bekommen. Mit einem Transistor kann man beispielsweise einstellen, dass nur Strom fließt, wenn der Transistor ein elektrisches Signal bekommt.

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