Halbleiter und Eigenleitung

Hallo. Wusstest du, dass man aus einfachem Sand aus der Wüste oder vom Strand Solarzellen herstellen kann? Oder Teile für dein Smartphone oder deinen PC? Das Stichwort hierfür heißt Halbleiterelektronik und diesem Video will ich dir zeigen, was Halbleiter sind und was es mit der Eigenleitung auf sich hat.

Zuerst müssen wir also klären, was man unter Halbleitern versteht. Dann schauen wir uns an, wie der elektrische Strom durch unterschiedliche Festkörper fließt. Und im Anschluss daran untersuchen wir das Phänomen der Eigenleitung. Als Vorwissen zu diesem Video wäre es gut, wenn du das Schalenmodell des Atoms, das Modell der Elektronenleitung, den elektrischen Widerstand und das Periodensystem kennst. Ok, dann lass uns mal anfangen.

Was sind denn nun Halbleiter? Festkörper kann man unter anderem nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit einteilen. Und zwar in Leiter, Halbleiter und Nicht-Leiter, oder auch Isolatoren.

Elektrische Leiter, wie zum Beispiel Metalle, leiten den Strom sehr gut. Sie haben einen relativ geringen elektrischen Widerstand R. Zu den Isolatoren zählen Keramik, viele Kunststoffe oder auch Holz. Ihr Widerstand R ist sehr groß, sodass ein Stromfluss praktisch nicht möglich ist. Zu den Halbleitern zählen unter anderem die Elemente Silicium, Germanium oder Kohlenstoff in Form von Graphit. Ihr Widerstand ist stark veränderlich und sie leiten den Strom nur unter bestimmten Bedingungen. Und diese Eigenschaften werden überall in der modernen Technik gezielt genutzt.

Die größte Bedeutung für unsere Welt hat dabei das Element Silicium. Es kommt zu 25 Prozent in unserer Erdkruste vor. Am häufigsten als Siliciumdioxid, was der Hauptbestandteil von Sand ist. Für die technische Verwendung muss das Silicium jedoch in reinster Form vorliegen. So wie auf diesem Bild.

Doch was genau ist nun der Unterschied zwischen Leitern und Halbleitern? Dazu schauen wir uns die Leitungsvorgänge in leitenden und halbleitenden Materialien ( in den Stoffen ) an. Der Stromfluss durch Leiter, wie Metalle, erfolgt durch die Elektronenleitung. Im Metallgitter können sich schwach gebundene Valenzelektronen schon beim Anlegen einer geringen Spannung frei bewegen und leiten den Strom.

Für die Halbleiter werfen wir mal einen kurzen Blick auf das Periodensystem. Wir sehen, dass Kohlenstoff, Silicium und Germanium alle in der vierten Hauptgruppe liegen. Das heißt, dass Halbleiter, insbesondere Silicium, vier Valenzelektronen haben.

Vier Valenzelektronen bedeutet aber auch, dass, im falle von Silicium, noch vier Plätze frei sind, um die Achterschale zu füllen. Wenn wir jetzt ein zweites Atom nehmen, dann kann ein Elektron mit der freien Stelle des Nachbarn eine Bindung eingehen. Und das Nachbarelektron tut dies umgekehrt ebenfalls. So entsteht eine Elektronenpaarbindung.

Beim absoluten Temperatur-Nullpunkt sind alle Atome im Siliciumkristall so miteinander verbunden. Alle Elektronen sind gebunden und somit ist kein Stromfluss möglich. Der Widerstand R wäre unendlich groß. Bei Zimmertemperatur jedoch beginnen einige diese Bindungen sich zu lösen. Ein Elektron wird frei, hier als Minus dargestellt. Im Gegenzug aber entsteht ein Loch, da wo das Elektron fehlt. Diese positiv geladenen Löcher nennt man daher auch Defektelektronen.

Wenn man jetzt eine Spannung anlegt, dann ist ein geringer Stromfluss möglich, da zum einen die Elektronen zum Pluspol und zum anderen die Löcher zum Minuspol wandern. Beim absoluten Temperatur-Nullpunkt sind alle Atome im Siliciumkristall so miteinander verbunden. Alle Elektronen sind gebunden und somit ist kein Stromfluss möglich. Der Widerstand R wäre unendlich groß.

Bei Zimmertemperatur jedoch beginnen einige diese Bindungen sich zu lösen. Ein Elektron wird frei, hier als Minus dargestellt. Im Gegenzug aber entsteht ein Loch, da wo das Elektron fehlt. Diese positiv geladenen Löcher nennt man daher auch Defektelektronen. Wenn man jetzt eine Spannung anlegt, dann ist ein geringer Stromfluss möglich, da zum einen die Elektronen zum Pluspol und zum anderen die Löcher zum Minuspol wandern.

Das kann man sich vorstellen, wie eine Sitzreihe im Kino, wenn ein Platz frei ist. Wenn jeder einzelne nach links rutscht, dann wandert so der freie Platz nach rechts. Diesen Leitungsvorgang nennt man dann Löcherleitung.

Den gesamten Leitungsvorgang aus Elektronen und Löchern im Halbleiter nennt man die Eigenleitung. Die ist bei Zimmertemperatur jedoch noch sehr gering. Auf ungefähr zwei Billionen Siliciumatome entsteht gerade mal ein Elektronen-Loch-Paar. Der elektrische Widerstand ist also immernoch sehr hoch. Doch das ändert sich, wenn wir noch mehr Energie in Form von Wärme oder Licht zuführen.

Kommen wir also zum letzten Punkt. Wenn wir beim Halbleiter immer mehr Wärmeenergie zuführen, dann brechen immer mehr Elektronenpaarbindungen auf und die Eigenleitung nimmt zu. Dadurch sinkt der elektrische Widerstand und ein immer größerer Stromfluss ist möglich.

Stellen wir den Zusammenhang von Temperatur und Stromstärke mal in einem Diagramm dar, indem wir die Temperatur Theta auf der Rechtswertachse und die Stomstärke I auf der Hochwertachse auftragen. Wir erkennen, mit zunehmender Temperatur Theta, steigt die Stromstärke I. Dabei bleibt die angelegte Spannung U konstant. Bei einem metallischen Leiter verhält es sich genau umgekehrt.

Bei steigender Temperatur Theta sinkt die Stromstärke I, obwohl auch hier die Spannung konstant bleibt. Das liegt daran, dass mit zunehmender Wärmeenergie die Atome im Metallgitter anfangen immer stärker zu schwingen. Das behindert die Elektronenleitung und der elektrische Widerstand wächst.

Ok, dann fassen wir mal zusammen. Halbleiter sind Elemente der vierten Hauptgruppe und haben veränderliche elektrische Eigenschaften. Das bekannteste Halbleiterelement ist Silicium und findet sich auf der ganzen Erde in Form von Sand. In einem reinen Siliciumkristall binden sich die Atome über Elektronenpaarbindung aneinander. Diese Bindung kann durch Energiezufuhr, also zum Beispiel durch Wärme oder Licht, aufgebrochen werden, wodurch freie, negativ geladene Elektronen und positiv geladene Löcher entstehen. Die Verbindung von Elektronen- und Löcherleitung beim Halbleiter heißt dann Eigenleitung.

Und wofür brauchen wir das? In erster Linie für Mikrkoprozessoren in Handys oder Computern, Sensoren oder Solaranlagen. Der Großteil unserer modernen Technikwelt wäre ohne Halbleiter gar nicht vorstellbar. Also ein ziemlich wichtiges Thema. Bis zum nächsten Mal!