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Halbleiter: Keine halben Sachen

Sind Halbleiter nur halbe Leiter?

Nein, die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters kann sogar besser sein als bei manchen Metallen. Die Vorsilbe »halb« bezieht sich vielmehr darauf, dass Halbleiter auf einfache Weise zwischen einem isolierenden und einem elektrisch leitenden Zustand wechseln können. Dazu bedarf es nur einer geringen elektrischen Spannung, einer leichten Temperaturerhöhung oder aber einer Lichtquelle.

Das unterschiedliche Verhalten von Metallen, Halbleitern und Isolatoren beruht auf ihrem atomaren Aufbau: In einem Metall gibt es sehr viele sog. Leitungselektronen, die keinen festen Aufenthaltsort im Metall haben, sondern frei im ganzen Festkörper wandern können. Eine elektrische Spannung beschleunigt sie, so dass ein Strom zu fließen beginnt. In Isolatoren hingegen sind alle Elektronen fest an ihr Atom gebunden. Eine äußere Spannung übt zwar auch eine Kraft auf sie aus, kann sie aber nicht losreißen, so dass kein elektrischer Strom zustande kommt. Halbleiter wiederum besitzen normalerweise wie die Isolatoren keine ungebundenen Elektronen. Jedoch sind einige ihrer Elektronen nur so schwach gebunden, dass sie durch eine kleine Energiezufuhr, etwa in Form von elektrischer Spannung, Wärme oder Licht »befreit« werden. Diese freien Ladungsträger bewirken dann wie im Metall einen Stromfluss. Um die Eigenschaften eines Halbleiters wie Silicium in weiten Bereichen variieren zu können, wird er gezielt mit anderen chemischen Elementen verunreinigt – man nennt dies »Dotierung«.

Übrigens: Es gibt neben Silicium noch andere Halbleiter, die als Basis für Elektronikbausteine in Frage kommen, z. B. das Element Germanium oder die Verbindung Galliumarsenid. Sowohl im Preis als auch in der Ausgereiftheit der Verarbeitungstechnologie ist das Silicium aber nach wie vor unschlagbar.

Welche Aufgaben haben Dioden?

Dioden gelten als »Ventile« im elektrischen Stromkreis. Im Prinzip besteht eine Diode aus zwei unterschiedlich dotierten Halbleitern, einem, der mit negativ geladenen Elektronen angereichert ist (man sagt auch, der Halbleiter ist »n-dotiert«), und einem mit Elektronenfehlstellen, also Löchern. Da Löcher als positiv geladene Ladungsträger aufgefasst werden können, nennt man diesen solcherart behandelten Halbleiter »p-dotiert«.

Wenn eine p- und eine n-dotierte Schicht direkt aneinander grenzen, kann Strom durch diese Grenzschicht von selbst nur in einer Richtung, der sog. Durchlassrichtung, fließen. In die andere Richtung (in Sperrrichtung) kann die Diode nur Strom passieren lassen, wenn eine äußere Spannung anliegt – genau wie bei einem Ventil, das per Knopfdruck Flüssigkeit durchlässt oder nicht. Die richtungsabhängige Durchlässigkeit nutzt man auch bei einer anderen Anwendung der Diode, und zwar als Gleichrichter. Tritt nämlich Wechselstrom, der periodisch seine Richtung ändert, durch eine Diode, so wird daraus hinter dem Bauelement Gleichstrom.

Weitere Anwendungen finden Dioden in Solarzellen, Energie sparenden Lichtquellen und elektronischen Schaltungen sowie als Laser im Miniaturformat.

Was sind Transistoren?

Die wichtigsten Bauelemente der Mikroelektronik. Im Prinzip besteht ein Transistor einfach aus zwei Halbleiterdioden mit gemeinsamer p-Schicht. Die Dioden sind also so nebeneinander platziert, dass eine p-dotierte Halbleiterschicht zwischen zwei n-Schichten liegt. (Der umgekehrte Fall ist auch möglich.)

Die beiden äußeren Lagen heißen Kollektor und Emitter, die mittlere ist die Basis. Liegt zwischen Kollektor und Emitter eine Spannung an, beziehungsweise fließt zwischen ihnen ein Strom, so reagiert dieser sehr empfindlich auf Änderungen der an der Basis anliegenden Spannung. Darum kann man mit einem Transistor schwache Ströme erheblich verstärken oder aber elektrische Signale benutzen, um damit elektrische Geräte zu steuern oder Datenoperationen durchzuführen.

Die Miniaturisierung elektronischer Geräte – nicht zuletzt der Computer – wurde erst durch Transistoren möglich. Der 1946 konstruierte erste elektronische Rechner besaß Vakuumröhren anstelle von Transistoren und füllte ein ganzes Zimmer aus. Dennoch war seine Rechenleistung geringer als die eines heutigen scheckkartengroßen Taschenrechners. Ein moderner, daumennagelgroßer Mikroprozessor enthält dagegen bis zu 100 Millionen Transistoren.

Haben Halbleiter Löcher?

Ja, aber in diesem Zusammenhang bedeutet »Loch« keineswegs, dass ein Halbleiter die innere Struktur eines Schweizer Käses hätte. Löcher in Halbleitern entstehen, wenn in dem Kristallgitter eines Halbleiters durch eine sog. Dotierung Fremdatome eingebaut werden, die weniger Elektronen in ihrer Außenhülle haben als solche des normalen Halbleitermaterials. In diesem Sinne fehlt dort ein Elektron – und diese Fehlstelle nennen die Physiker ein »Loch«. Das Erstaunliche dabei ist, dass man diese Löcher genauso behandeln kann wie physikalisch vorhandene Ladungsträger. Sie können sich bewegen und ihnen kann sogar eine Masse zugeschrieben werden. Solche Löcher entstehen auch in reinen Halbleitern, nämlich dann, wenn dort ein Elektron seinen Platz verlässt.

Wussten Sie, dass …

Silicium, der wichtigste Halbleiter, eines der verbreitetsten Elemente der Erde ist? Quarz, der Hauptbestandteil von Sand, besteht nämlich aus Siliciumdioxid.

bei der Produktion von Halbleitern und Mikrochips allerhöchste Reinheitsmaßstäbe gelten? Ein einziges Staubkörnchen kann auf einem Chip bereits einen fatalen Kurzschluss verursachen.

eine LED eine besondere Form von Dioden ist? Hier treffen Löcher und Elektronen aus dem p- und dem n-dotierten Bereich der Dioden zusammen; dabei wird Energie frei, die als Licht abgestrahlt wird.

die Umkehrung einer LED eine Solarzelle ist? Hier strahlt man Lichtenergie auf die Zwischenschicht einer Diode. Dabei werden ein Elektron und ein Loch erzeugt. Diese driften voneinander weg und erzeugen so eine elektrische Spannung.

das kalifornische »Silicon Valley« nichts mit Brustvergrößerungen zu tun hat? Silicon ist die englische Bezeichnung für den Halbleiter Silicium. In dem bei San Francisco gelegenen Landstrich haben einige der wichtigsten Firmen der amerikanischen Halbleiter- und Computerindustrie ihren Sitz.

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