Worum geht es?
Halbleiter sind Stoffe, die mal gut und mal schlecht leiten. Sie leiten besser als ein Isolator, aber schlechter als Metall. Das Besondere: Man kann beeinflussen, wie gut sie leiten, zum Beispiel mit Wärme, Licht oder einer Spannung.
Wie eine Tür, die man je nach Bedarf auf- oder zumachen kann. Darum stecken Halbleiter in Dioden, Transistoren, LEDs, Solarzellen und in jedem Handy-Chip.
Der wichtigste Halbleiter ist Silizium (Si). Kalt leitet es fast gar nicht, weil seine Elektronen fest gebunden sind. Wird es warm, reißen sich einzelne Elektronen los. Reines Silizium leitet deshalb warm besser. Bei Metallen ist es genau umgekehrt.
Foto: Peellden, „12-inch silicon wafer“, Lizenz: CC BY-SA 3.0, Quelle: Wikimedia Commons, verkleinert.
Dotieren
Reines Silizium leitet für die Technik viel zu schlecht. Deshalb baut man gezielt Fremdatome ein, man dotiert. Schon ein Fremdatom auf Millionen Siliziumatome verändert die Leitfähigkeit enorm.
- n-Dotierung mit Atomen mit fünf Außenelektronen, zum Beispiel Phosphor: Es entstehen freie Elektronen (negativ).
- p-Dotierung mit Atomen mit drei Außenelektronen, zum Beispiel Bor: Es entstehen Löcher, die wie positive Ladungen wandern.
Der pn-Übergang
Damit der Strom in Durchlassrichtung fließt, muss die Spannung erst die Sperrschicht überwinden. Diese Schleusenspannung liegt bei Silizium bei etwa 0,6 bis 0,7 V, bei Germanium bei etwa 0,3 V. Darüber steigt der Strom steil an.
| Material | Einsatz |
|---|---|
| Silizium (Si) | Dioden, Transistoren, Chips, Solarzellen |
| Germanium (Ge) | früher Dioden und Transistoren, heute selten |
| Galliumarsenid und Galliumnitrid | LEDs, Hochfrequenztechnik, schnelle Netzteile |
| Siliziumkarbid (SiC) | Leistungselektronik in Wechselrichtern und Elektroautos |
Aus pn-Übergängen entstehen alle Halbleiterbauelemente: die Diode (ein Übergang), der Transistor (zwei Übergänge), der Thyristor (drei Übergänge), die LED und die Solarzelle.
Rechenbeispiele
Eine Siliziumdiode liegt in Durchlassrichtung mit einem Widerstand von 1 kΩ an 12 V. Wie groß ist der Strom?
- An der Diode fallen etwa 0,7 V ab, am Widerstand also 12 V − 0,7 V = 11,3 V.
- I = 11,3 V1.000 Ω = 11,3 mA
- Ergebnis: I ≈ 11,3 mA
Gegenprobe: Andersherum gepolt sperrt die Diode, es fließt praktisch kein Strom, und fast die ganzen 12 V liegen an der Diode.
Die Durchlassspannung einer Siliziumdiode sinkt um etwa 2 mV pro Kelvin. Wie groß ist sie ungefähr bei 75 °C, wenn sie bei 25 °C 0,7 V beträgt?
- Temperaturänderung: 75 °C − 25 °C = 50 K
- ΔU = 50 K · 2 mV/K = 100 mV
- Ergebnis: rund 0,6 V
Praxis: Diesen Effekt nutzen manche Temperatursensoren. Er bedeutet aber auch: Warme Halbleiter leiten besser, und ohne Kühlung kann sich das bis zur Zerstörung aufschaukeln.
Typische Fehler
- Löcher für echte Teilchen gehalten: Ein Loch ist eine fehlende Bindung. Es wandert, weil Nachbarelektronen nachrücken.
- Halbleiter wie Metalle betrachtet: Ihr Widerstand sinkt mit der Temperatur. Leistungshalbleiter brauchen deshalb Kühlung.
- Schleusenspannung vergessen: In Schaltungen mit Dioden fehlen am Verbraucher immer etwa 0,7 V je Siliziumdiode.
Halbleiter wie Silizium leiten erst durch Dotierung gut: n mit freien Elektronen, p mit Löchern. Am pn-Übergang bildet sich eine Sperrschicht. Plus an p, Minus an n: Strom fließt ab etwa 0,7 V. Andersherum sperrt er. Erwärmung senkt den Widerstand.
Quiz: Teste dich
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