Halbleiter
Im Bereich der Elektronik unterscheidet man zwischen elektrischen Strom leitenden Materialien, die so genannten Leiter, und nicht elektrischen Strom leitenden Materialien, die Nichtleiter (Isolator).
Definition
Halbleiter sind Materialien, welche aufgrund ihrer kristallinen Struktur zwischen Leiter und Nichtleiter (Isolatoren) einzuordnen sind.
Nachstehend auszugsweise ein paar Beispiele:
Leiter
- Aluminium
- Kupfer
- Silber
Halbleiter
- Bor
- Gallium
- Germanium
- Schwefel
- Selen
- Silizium
- Tellur
Nichtleiter (Isolator)
- Glas
- Gummi
- Öl
- Keramik
Funktionsweise
In einem Halbleiter stehen für den Stromtransport nur wenige oder gar keine freie Elektronen zur Verfügung. Reduziert man die Temperatur eines Halbleiters auf den absoluten Nullpunkt (-273,15° Celsius = 0° Kelvin) hat ein Halbleiter, da keine Elektronen vorhanden sind, die Eigenschaften eines Isolators (Nichtleiters).
Bei reinem Silizium z.B. sind die Elektronen jeweils paarweise verbunden, sodass kein freies Elektron für den Stromtransport zur Verfügung steht. Erhöht man jedoch die Energiezufuhr durch Wärme oder Licht können sich diese Verbindungen lösen und freie Elektronen den Stromtransport übernehmen. Der Halbleiter wird leitfähiger und ist in seinen Eigenschaften nunmehr vergleichbar mit einem Leiter.
Löst sich ein vorher gebundenes Elektron aus dem Verbund, hinterlässt es eine Elektronenlücke, welche man als Loch bezeichnet.
Bei einem Halbleiter erfolgt der Stromtransport auf zweierlei Art:
- dem Elektronentransport und
- dem Transport von Löchern, genauer gesagt von fehlenden Elektronen.
Um diese Eigenschaften besser nutzen zu können, arbeitet man mit einer gezielten Verunreinigung des Halbleitermaterials, der sogenannten Dotierung. Bei diesem Vorgang kontaminiert (Kontamination = Vermischung, Verschmelzung) man hochreines Halbleitermaterial durch Ionenbeschuss oder Diffusion mit Fremdatomen. Die Fremdatome werden dabei in die kristalline, atomare Halbleiterstruktur eingefügt. So erhält man Halbleiter mit Elektronenüberschuss (n-Leiter, n-Dotierung) oder einem Elektronendefizit (Löcherüberschuss; p-Leiter, p-Dotierung).
Die Konzentration der Vermischung durch Fremdatome bestimmt hierbei die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials.
Anwendung
Elemente wie Germanium, Silizium, Siliziumcarbon, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Indiumphosphid und auch Kohlenstoffverbindungen werden hauptsächlich im Bereich der Mikroelektronik eingesetzt.
Dioden und Transistoren z.B. sind Halbleiterbauelemente. Sie bestehen aus zwei oder mehreren N- und P-Schichten, in denen der Stromfluss durch Anlegen von Spannungen gesteuert werden kann.
Mittels dieser Technologie und der ständig kompakteren Bauweise von integrierten Schaltungen ist es heute möglich, Speicherbausteine mit vielen Megabyte auf einem Chip zu integrieren.
Diese Halbleiterspeicher finden Anwendung als statische Speicher oder Festwertspeicher (ROM) und auch als dynamische Speicher oder Arbeitsspeicher mit veränderbarem Speicherinhalt (RAM).
