Halbleiter bestimmen unsere Welt

Der Schulstoff

Schon im Anfängerunterricht lernt man, dass es Leiter und Isolatoren gibt, manchmal wird auch der elektrische Widerstand R=U/I als Maß für die Leitfähigkeit eingeführt. Er gibt an, welchen Antrieb in Volt man für einen Strom von 1 A benötigt.

In Metallen sind freie Ladungsträger (Elektronen) vorhanden, die durch die angelegte Spannung nur in eine gemeinsame Richtung bewegt werden müssen. Isolatoren leiten keinen Strom, weil es keine freien Ladungsträger gibt.

Um eine Modellvorstellung für die Stromleitung zu unterstützen, wird oft auch die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes besprochen. Dazu kommen wir bei einer anderen Fütterung.

Eine Erwärmung eines Leiters behindert den Stromfluss.

Alles in allem wäre das eine gute Gelegenheit auf Halbleiter hinzuweisen und deren große Bedeutung für unser Leben. Nahezu Nichts mehr in unserer technischen Umwelt funktioniert mehr ohne den Einsatz von Halbleitern: Waschmaschine, Handy, Auto, Computer, Kraftwerk, TV und vieles mehr. Physikunterricht soll auf das Leben vorbereiten, trotzdem werden Halbleiter oft ignoriert.


Das Extrafutter

Auch hier können wir nur kleine Appetithäppchen anbieten, die eine ausführliche Halbleiter-Mahlzeit nicht ersetzen.

Oft werden Halbleiter dadurch charakterisiert, dass ihr Widerstand zwischen dem eines Isolators und eines Leiters liegt. Wesentlicher finde ich aber, dass bei einem Halbleiter die Leitfähigkeit mit der Temperatur steigt und dass die Anzahl der freien Ladungsträger durch das Material und die Temperatur beeinflusst werden können. Somit können Widerstände leicht angepasst und verändert werden.

Sehr schön kann man das an einem Kohlestab erkennen: Mit steigender Spannung nimmt die Stromstärke immer mehr zu, da durch die Erwärmung zusätzliche Ladungsträger freigesetzt werden.


aus Leifiphysik

Ganz oft werden Halbleiter an Silizium erklärt:

Silizium ist wie Kohlenstoff und Germanium vierwertig. Dadurch ergibt sich eine bestimmte Anordnung der Atome, so dass jedes Atom letztlich auf 8 Valenzelektronen zugreifen kann.

Hier sehen wir die Anordnung im Siliziumkristall bei niedrigen Temperaturen: Keine Bindung ist aufgebrochen, es gibt keine freien Ladungsträger (aus Leifiphysik).



Die Bindungen brechen aber schon bei Zimmertemperatur leicht auf. Die Folge ist:

Ein Elektron wird frei gesetzt und kann sich als negativer Ladungsträger frei bewegen.

An der Bindungslücke fehlt eine negative Ladung, dort entsteht eine positive Ladung, die sich "indirekt" bewegen kann.

Andere, gebundene, Elektronen können nun in diese Bindungslücke wechseln. Dadurch verschiebt sich die feste positive Ladung zu einem anderen Si-Atom, das sieht wie die Bewegung einer positiven Ladung aus. Diesen gedachten positiven Ladungsträger nennt man Loch.

Löcher und Elektronen tragen gemeinsam zur Leitfähigkeit in einem Halbleiter bei, sie bewegen sich bei angelegter Spannung in unterschiedliche Richtungen, da sie unterschiedlich geladen sind.


Eine sehr schön Simulation dazu gibt es auf Leifiphysik:


https://www.leifiphysik.de/elektronik/einfuehrung-die-elektronik/grundwissen/eigenleitung-im-siliziumkristall


Natürlich kann man das alles besser mit dem sog. Bändermodell erklären. Ich halte das aber in der Schule nicht für nötig.


Und nun kommt der eigentliche Gag:

Durch Einfügen von Fremdatomen während des Abkühlprozesses bei der Herstellung der Silizium-Halbleiter, kann ich vorgeben, ob mehr Elektronen oder mehr Löcher am Stromtransport beteiligt sind.

Diesen Vorgang nennt man Dotieren. Etwa 1 Fremdatom auf 100 000 Siliziumatome reicht für einen wirkungsvollen Effekt aus.

Überwiegt die Löcherleitung, so spricht man von p-Halbleiter (positive bewegliche Ladungsträger), überwiegt die Elektronenleitung, so spricht man von n-Halbleiter.

Mit den zusätzlichen Ladungsträgern entstehen aber auch feste nicht bewegliche Ladungsträger (mit anderem Vorzeichen).


p-Halbleiter:

Man bringt dreiwertige Atome in das Siliziumgitter (z.B.Indium oder Bor). Dabei entsteht automatisch ein Loch, das ja beim Weiterwandern durch ein Bindungselektron besetzt wird und somit eine feste negative Ladung zurücklässt.

Also: p-Halbleiter enthalten frei bewegliche positive Ladungen und feste negative Ladungen.


aus Leifiphysik


n-Halbleiter:

Silizium wird mit einem fünfwertigen Atom (z.B.Arsen oder Phosphor) dotiert. Das fünfte Elektron wird für die Bindung nicht gebraucht, es steht für die Stromleitung zur Verfügung und hinterlässt ein positiv geladenes Arsen- oder Phosphoratom.

Also: n-Halbleiter haben negative Ladungsträger und feste positive Ladungsträger.


aus Leifiphysik

Kombiniert man nun p- und n-Halbleiter als pn- oder pnp- oder npn- oder pnpn-Schichten, so versteht man die Vielfalt aller elektronisch funktionierender Geräte, vom Leuchten einer LED

bis zu den Steuerungen durch integrierte Schaltungen.


Dieses Extrafutter würde aber jetzt zu opulent werden...Wir werden aber bald ein Beispiel (LED) in einer weiteren Fütterung präsentieren.