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Physik-Team
Halbleiter und Eigenleitung
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse

Grundlagen zum Thema Halbleiter und Eigenleitung

Inhalt

Halbleiter in der Physik

Wusstest du, dass man aus einfachem Sand Solarzellen oder Teile für dein Smartphone oder deinen PC herstellen kann? Das Stichwort hierfür heißt Halbleiterelektronik – also Elektronik, die auf Halbleitern basiert. In diesem Text wird darauf eingegangen, was Halbleiter sind und was es mit der Eigenleitung auf sich hat. Damit du die Physik der Halbleiter verstehen kannst, solltest du schon das Schalenmodell der Atome, das Modell der Elektronenleitung, den elektrischen Widerstand und das Periodensystem kennen.


Halbleiter – Definition

Festkörper kann man unter anderem nach ihrer elektrischen Leitfähigkeit einteilen. Man kann sie in die Kategorien Leiter, Halbleiter und Nichtleiter oder auch Isolatoren einteilen. Elektrische Leiter, wie zum Beispiel Metalle, leiten den Strom sehr gut. Sie haben einen geringen elektrischen Widerstand $R$. Zu den Isolatoren zählen Keramik, viele Kunststoffe oder auch Holz. Ihr elektrischer Widerstand $R$ ist sehr groß, sodass ein Stromfluss praktisch nicht möglich ist.

Zu den Halbleitern zählen unter anderem die Elemente Silizium, Germanium oder Kohlenstoff in Form von Grafit. Ihr Widerstand $R$ ist stark veränderlich. Halbleiter leiten den Strom nur unter bestimmten Bedingungen.

Diese Eigenschaften der Halbleiter werden überall in der modernen Technik gezielt genutzt. Die größte Bedeutung hat dabei das Element Silizium. Unsere Erdkruste besteht aus ca. $25\,\%$ Silicium. Am häufigsten tritt es als Siliziumdioxid auf, welches der Hauptbestandteil von Sand ist. Für technische Verwendungen muss das Silizium jedoch in reinster Form vorliegen.


Halbleiter – Funktion

Was genau ist der Unterschied zwischen Leitern und Halbleitern?
Dafür schauen wir uns die Leitungsvorgänge in den leitenden und halb leitenden Stoffen an. Der Stromfluss durch Leiter wie Metalle erfolgt durch die Elektronenleitung. Im Metallgitter können sich schwach gebundene Außenelektronen schon beim Anlegen einer geringen Spannung frei bewegen und leiten den Strom.

Für die Halbleiter werfen wir einen kurzen Blick auf das Periodensystem. Kohlenstoff, Silizium und Germanium liegen in der vierten Hauptgruppe. Daraus folgt, dass diese Stoffe vier Außenelektronen haben. Das bedeutet, dass noch vier weitere Plätze frei sind, um die Schale zu füllen. Haben wir ein zweites Atom, dann kann ein Elektron mit der freien Stelle des Nachbarn eine Bindung eingehen und das Nachbarelektron tut dies umgekehrt ebenfalls. So entsteht eine Elektronenpaarbindung, zu sehen in der folgenden Grafik.

Elektronenpaarbindung

Beim absoluten Temperaturnullpunkt $T=0\,\pu{K}$ sind alle Atome am Siliziumkristall so miteinander verbunden. Alle Elektronen sind gebunden und so ist kein Stromfluss möglich. Der Widerstand $R$ wäre unendlich groß. Bei Zimmertemperatur $T=300\,\pu{K}$ beginnen einige dieser Bindungen sich zu lösen und Elektronen werden frei. Es entsteht ein Loch an der Stelle, an der das Elektron fehlt. Diese positiv geladenen Löcher werden auch Defektelektronen genannt. Wird eine Spannung angelegt, dann ist ein geringer Stromfluss möglich, da zum einen die Elektronen zum Pluspol und andererseits die Löcher zum Minuspol wandern. Man kann es sich wie eine Sitzreihe im Kino vorstellen. Ist links ein Platz frei und jede einzelne Person rutscht der Reihe nach einen Platz nach links weiter, dann wandert der freie Platz automatisch nach rechts. Dieser Leitungsvorgang wird Löcherleitung genannt. Den gesamten Leitungsvorgang aus Elektronen und Löchern im Halbleiter nennt man die Eigenleitung. Diese ist bei Zimmertemperatur sehr gering, auf ca. $2$ Billionen Siliziumatome entsteht gerade einmal ein Elektronenlochpaar. Der elektrische Widerstand ist also immer noch sehr hoch. Das ändert sich, indem noch mehr Energie in Form von Wärme oder Licht hinzugeführt wird.


Temperaturabhängige Eigenleitung

Wird einem Halbleiter immer mehr Wärmeenergie hinzugeführt, so brechen immer mehr Elektronenpaarbindungen auf und die Eigenleitung nimmt zu. Dadurch sinkt der elektrische Widerstand und ein immer größerer Stromfluss ist möglich. Im folgenden Diagramm ist der Zusammenhang von Temperatur und Stromstärke dargestellt.

Temperaturabhängige_Eigenleitung_Diagramm

Dabei ist die Temperatur $\theta$ auf der $x$-Achse und die Stromstärke $I$ auf der $y$-Achse abgetragen. Es ist erkennbar, dass mit zunehmender Temperatur $\theta$ die Stromstärke $I$ steigt. Dabei bleibt die angelegte Spannung $U$ konstant. Bei einem metallischen Leiter verhält es sich umgekehrt. Mit steigender Temperatur $\theta$ sinkt die Stromstärke $I$, auch wenn die Spannung $U$ hier ebenfalls konstant bleibt. Mit zunehmender Temperatur beginnen die Atome im Metallgitter stärker zu schwingen. Das behindert die Elektronenleitung und der elektrische Widerstand wächst.


Halbleiter – Anwendung

Was sind Beispiele für Halbleiter im Alltag? Hauptsächlich finden sie eine Anwendung bei Mikroprozessoren in Handys oder Computern, Sensoren oder Solaranlagen. Der Großteil unserer modernen Technik wäre ohne Halbleitertechnik nicht vorstellbar.

Zusammenfassung Halbleiter

Die folgenden Stichpunkte fassen das Wichtigste zu Halbleitern noch einmal zusammen.

  • Halbleiter sind Elemente der vierten Hauptgruppe. Sie haben veränderliche elektrische Eigenschaften.
  • Das bekannteste Halbleiterelement ist Silizium und findet sich auf der Erde unter anderem in Form von Sand.
  • In einem reinen Siliziumkristall binden sich die Atome über Elektronenpaarbindungen aneinander.
  • Diese Bindung kann durch Energiezufuhr, zum Beispiel in Form von Wärme oder Licht, aufgebrochen werden.
  • Dadurch entstehen freie, negativ geladene Elektronen und positiv geladene Defektelektronen.
  • Als Eigenleitung wird die Verbindung von Elektronen und Löcherleitung beim Halbleiter bezeichnet.

Um das Gelernte gleich anwenden zu können, gibt es hier auf der Seite noch Übungen und Arbeitsblätter zum Thema Halbleiter.

Transkript Halbleiter und Eigenleitung

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!

2 Kommentare

2 Kommentare
  1. könnte viel besser sein

    Von S Smidu, vor etwa 3 Jahren
  2. Ich finde Video und Übung klasse!

    Von O O Lisa Oo, vor mehr als 7 Jahren

Halbleiter und Eigenleitung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Halbleiter und Eigenleitung kannst du es wiederholen und üben.
  • Stelle die Veränderung der Stromstärke bei Veränderung der Temperatur und konstanter Spannung in einem Halbleiter graphisch dar.

    Tipps

    In welchen Temperaturbereichen leiten Halbleiter?

    Lösung

    Halbleiter sind Heißleiter. Sie leiten den Strom nicht, wenn sie sehr kalt sind und immer besser, je wärmer sie werden. Es muss also einer der Graphen richtig sein, der ansteigt. Der Zusammenhang kann jedoch nicht linear sein, da mit steigender Temperatur immer schneller Elektronen frei werden.

  • Nenne Leiter, Halbleiter und Isolatoren.

    Tipps

    Aus welchen Materialien bestehen Kabel?

    Versuche, die vorliegenden Stoffe in chemische Stoffgruppen einzuordnen.

    Welche Stoffgruppen leiten den Strom?

    Lösung

    Ob ein Stoff Strom leitet oder nicht, kann man in Versuchen herausfinden. Man hat dabei festgestellt, dass alle Metalle den Strom gut leiten können.

    Welche Stoffe zu den Metallen gehören, kannst du im Periodensystem der Elemente genauer erforschen.

    Zu den Isolatoren gehören die Nichtmetalle und die Halbleiter findest du in der Klasse der Halbmetalle.

    Es gibt dabei jedoch auch Ausnahmen:

    Zum Beispiel Graphit.
    Graphit ist ein guter Leiter, auch wenn seine Leitfähigkeit etwa eine Größenordnung schlechter ist als die von Metallen. Gleichzeitig kann man Graphit auch als Halbleiter verwenden.

    Genauso wie Graphit besteht auch ein Diamant aus Kohlenstoff. Diamanten leiten im Gegensatz zu Graphit jedoch keinen Strom und können als Isolator oder sehr gute Halbleiter eingesetzt werden.

    Die mikroskopische Struktur, in der ein Stoff vorliegt, ist also auch ein entscheidender Einflussfaktor auf die Leitfähigkeit.

  • Beschreibe die Leitfähigkeit von Halbleitern.

    Tipps

    Stelle dir die Struktur vor, aus der Halbleiter aufgebaut sind.

    Lösung

    Man nennt Halbleiter auch Heißleiter, da sie bei geringen Temperaturen nicht leitfähig sind, bei hohen Temperaturen hingegen einzelne Elektronen ihre Bindungen verlassen und somit eine geringe Zahl von Elektronen und Löchern die Stromleitung ermöglichen. Es sind jedoch nicht alle Valenzelektronen frei beweglich.

    Das kannst du dir am besten verdeutlichen, wenn du dir die Struktur des Halbleitermaterial vorstellst.

  • Erkläre die Eigenleitung von Silizium.

    Tipps

    Stelle dir das Halbleitermaterial vor und überlege, was bei Erwärmung des Materials passiert.

    Was passiert, wenn eine Spannung angelegt wird?

    Lösung

    Wird ein Halbleiter erwärmt, dann können sich einzelne wenige Valenzelektronen, die vorher alle in einer Elektronenpaarbindung feststeckten, lösen und frei im Material bewegen.

    In der Halbleiterelektronik beginnt man, auch die Ladungsbewegung der positiv geladenen Stellen zu beschreiben. Da es keine positiv geladenen Teilchen sind, sondern Elektronenfehlstellen, nennt man diese Stellen zum Beispiel Löcher oder Defektelektronen.

  • Nenne Alltagsgegenstände, die nur mit Halbleitertechnik herzustellen sind.

    Tipps

    Was sind Halbleiter?

    Lösung

    Sand besteht zwar zu großen Teilen aus Siliciumdioxid und enthält somit ein Element, das als Halbleiter eingesetzt wird, aber ein Sandhaufen enthält keine Halbleiterbauteile. Auch eine Batterie enthält zwar chemische Elemente zur Ladungstrennung, es wird aber kein Bauteil aus Halbleitermaterial benötigt.

    Computer, Solarzellen und Smartphones hingegen sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und basieren allesamt auf der Halbleitertechnik.

  • Erläutere, warum es sinnvoll sein könnte, einen Feuermelder mit einem Temperatursensor aus Silizium anstelle von Metall herzustellen.

    Tipps

    Unter welchen Bedingungen muss ein Brandmelder, der die Temperatur überwacht, warnen?

    Es ist nur eine Antwort richtig.

    Lösung

    Im Normalbetrieb bei normalen Temperaturen ist es von Vorteil, wenn im Sensor wenig Strom fließt. Das bedeutet nämlich eine kleinere Stromrechnung.

    Obwohl Silizium in sehr großen Mengen in Sand als Siliziumdioxid vorkommt, muss es erst in technisch nutzbare Form gebracht werden. Man kann nur extrem reines Silizium verwenden.

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