Um einen elektrischen Leiter zu beschreiben ist sinnvoll ihn vom Nichtleiter abzugrenzen. Was macht einen Stoff zum Leiter oder Nichtleiter?

Nach der atomaren Erklärung von Leiter und Nichtleiter folgen Beschreibungen der Halbleiter-Bauelemente.

Der Atomkern

Wem das alles zu hoch ist, der scrollt runter zu „PN-Übergang“. Da wird es wieder etwas praktischer 😋 .

Leiter, Nichtleiter, HalbleiterErst einmal besteht jeder Stoff, egal ob Leiter oder Nichtleiter aus Atomen. Atome bestehen zum einen aus einem Atomkern, der aus Protonen (hier rot) und Neutronen (hier grau) besteht. Er stellt den positiv geladenen Mittelpunkt dar. Die Anzahl der Protonen im Kern definiert die Ordnungszahl oder auch Kernladungszahl des Elements im Periodensystem und darüber auch die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Elements. Normalerweise würden sich die Protonen als gleichnamige Ladungen gegenseitig auf so engem Raum abstoßen. Die Neutronen dienen hier quasi als „Kleber“. Umgekehrt würden Neutronen für sich alleine mit einer Halbwertszeit von gut 10 Minuten zerfallen. Man kann sich das nun so vorstellen, dass die Neutronen durch die Nähe der Protonen stabilisiert werden.

Die Elektronenhülle

Leiter, Nichtleiter, HalbleiterUm diesen Kern sind im neutralen, ausgeglichenen Zustand genau so viele Elektronen in der Elektronenhülle vorhanden. Eine Laune der Natur hält die Elektronen davon ab in den Kern zu stürzen. Sie halten quasi einen Sicherheitsabstand ein um nicht mit den Protonen zu kollidieren. Durch eine andere Laune der Natur können Elektronen, die an einen Kern gebunden sind, nicht exakt die gleiche Bindungsenergie an den Kern haben. Man kann sich das vorstellen wie ein Lagerregal. Man wird versuchen aus praktischen und statischen Gründen das Regal von unten aufzufüllen, aber wenn die unteren Regalböden voll sind, muss man auf die weiter oben ausweichen. Das bedeutet im normalen Ruhezustand sind rund um den Atomkern die untersten Energieniveaus durch Elektronen besetzt.

Bänder

Die Bindungsenergie genau oberhalb des obersten im neutralen Zustand noch gefüllten Regalboden, nennt man Fermi-Niveau, hier gelb eingezeichnet. Die obersten Elektronen genau darunter nennt man Valenz-Elektronen, hier dunkelblau. Das sind genau die, mit denen sich die chemischen Bindungen und Reaktionen abspielen. Leiter, Nichtleiter, HalbleiterDie Energie-Niveaus oberhalb nennt man Leitungs-Bänder, hier hellblau. Von Bändern sprechen wir, wenn die Energieniveaus („Regalböden“) kontinuierlich ineinander übergehen; also anschaulich, wenn wir die Elektronen gleichmäßig übereinander stapeln können. Das passiert, wenn wir nicht nur einzelne Atome betrachten, sondern massive Körper aus vielen Atomen.

Im Valenzband, also unterhalb des Ferminiveaus, sind die Elektronen fest an den Atomkern gebunden. Ihre kinetische Energie reicht nicht aus, um sich davon weg zu bewegen. Die Elektronen im Valenzband tragen nicht zur Leitfähigkeit bei.

Im Leitungsband dagegen, also oberhalb des Ferminiveaus, wo „normalerweise“ keine Elektronen sind, sind die Elektronen frei beweglich. Sie können sich also im gesamten Körper ungehindert bewegen; hier tragen sie zur Leitfähigkeit bei.

Nichtleiter

Sind Valenzband und Leitungsband voneinander getrennt so wie oben in der Grafik bei „Bänder“ haben wir einen Nichtleiter. Die Elektronen sind unbeweglich und wir haben keine Leitfähigkeit. Solche Stoffe sind geeignet, Leiter voneinander zu trennen. Man benutzt sie als Isolator.

Leiter

Leiter, Nichtleiter, HalbleiterWenn nun das Valenzband über das Fermi-Niveau nahtlos in das Leitungsband übergeht, genügen beliebig kleine Energiemengen um die Elektronen ins Leitungsband zu befördern. Schon die thermische Energie unserer üblichen Temperaturen reicht dafür aus. Genau das sind die Leiter. Leiter sind dadurch definiert, dass schon beliebig kleine thermische Energien reichen um Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband zu bringen, wo sie zur Leitfähigkeit beitragen.

Halbleiter

Ein Grenzfall sind Halbleiter. Perfekt reine Halbleiter sind nahezu Nichtleiter. Aber schon sehr kleine Dotierungen, also gezielte Verunreinigungen, sorgen dafür dass sie Leiter werden. Für sich genommen ist das noch wenig hilfreich. Aber es gibt zwei Arten dieser Dotierungen. Halbleiter haben einfach gesagt halb gefüllte Valenzbänder. Sie stehen im Periodensystem in der Mitte bei der Gruppe 4 wie Si oder Ge oder haben im Mittel die 4, wie bei den so genannten 3-5 oder 2-6 Halbleitern wie GaAs. Bringt man nun als Dotierung Stoffe ein, die diese ausgewogene Mitte ins Ungleichgewicht bringen, sind entweder zu viele oder zu wenige Elektronen vorhanden. Halbleiter mit zu vielen Elektronen nennt man n- (wie negativ) dotiert. Solche mit zu wenigen Elektronen nennt man p- (wie positiv) dotiert. Die positiven Dotierungen nennt man auch „Löcher“, weil sie sich quasi wie fehlende Elektronen verhalten. Und diese fehlenden Elektronen nun wieder verhalten sich wie positive Ladungen.

In den folgenden Grafiken beziehen sich das Pluszeichen und die Kennfarbe rot auf die p-dotierten Bereiche und das Minuszeichen und die Kennfarbe blau auf die n-dotierten Bereiche.

PN-Übergang

Leiter, Nichtleiter, HalbleiterDie interessanten Dinge passieren nun, wenn man p-dotierte und n-dotierte Halbleiter direkt nebeneinander erzeugt. Die in der so genannten Grenzschicht, hier grau, direkt nebeneinanderliegenden überzähligen Elektronen und Löcher neutralisieren sich gegenseitig, so dass die Grenzschicht an freien Ladungsträgern verarmt und sich wieder wie ein undotierter Halbleiter verhält, also zum Isolator wird. Legt man eine Spannung mit der positiven Seite an die p-dotierte Seite des Halbleiters und mit der negativen Seite auf die n-dotierte, dann treibt man die Ladungsträger in die Verarmungszone und sie wird leitend; ein Strom fließt. Legt man die Spannung umgekehrt an, so zieht man die Ladungsträger zu den Anschlüssen hin, also von der Verarmungszone weg. Sie verarmt also stärker und es fließt kein Strom. Dieses Verhalten nennt man Gleichrichter. Ein so aufgebautes Bauteil nennt man Diode.

Z-Diode

Leiter, Nichtleiter, HalbleiterErhöht man die Spannung in Sperrrichtung weiter, so wird das elektrische Feld so stark, dass es bei geeignetem Aufbau der Diode ausreicht, Ladungsträger freizusetzen. Die Diode wird leitend und zwar viel schneller, also mit steilerer Kennlinie, als in normaler Leit-Richtung. Diesen Feldstärke-Effekt nennt man nach seinem Erfinder den Zener-Effekt. Er funktioniert bis etwa 5V. Solche Zener-Dioden werden zur Spannungs-Stabilisierung eingesetzt.

Wenn die Diode nicht durch den Zener-Effekt leitfähig wird und man die Spannung weiter erhöht, ist ab einer bestimmten Spannung die Beschleunigung der Elektronen des so genannten Leckstroms so groß, dass ihre kinetische Energie ausreicht, weitere Elektronen freizusetzen. Diesen Effekt nennt man nach dem französischen Wort für Lawine den Avalanche-Effekt. Avalanche-Dioden verhalten sich wie Zener-Dioden, nur bei höheren Spannungen. Gemeinsam nennt man sie Z-Dioden, weil ihre Kennlinie mit etwas Phantasie die Form eines schrägen Z hat.

Rauschdiode

Betreibt man Z-Dioden mit minimalem Strom ganz knapp an ihrer Durchbruchspannung, so rauschen sie sehr stark. Für den Betrieb zur Spannungsstabilisierung ist das unerwünscht. Man wird sie also meist mit einem höheren Strom betreiben. Aber man kann dieses Verhalten auch nutzen um gezielt Rauschen zu erzeugen, wie es in der Messtechnik gebraucht wird.

Kapazitätsdiode

Betrachtet man die Diode in Sperrrichtung unterhalb ihrer Z-Spannung, so ähnelt der Aufbau einem Kondensator. Nahe der Anschlüsse sind Ladungsträger und dazwischen ist ein Isolator, der wie ein Dielektrikum wirkt. Die Plattengröße dieses Kondensators ist konstant, aber sein Plattenabstand wird mit zunehmender Spannung größer, die Kapazität wird also kleiner. Dioden die speziell für dieses Verhalten hergestellt werden, nennt man Kapazitätsdioden oder Varikaps. Sie können zum Beispiel in VCO oder zur Frequenzmodulation eingesetzt werden.

Leuchtdiode

Die üblichen Halbleitermaterialien setzen die Energie der Elektronen die beim Überschreiten des Bandübergangs frei wird in Wärme um. Es ist also eine Verlustleistung. Mit besonderen Halbleitermaterialien dagegen ist es möglich die Elektronen dazu zu bringen diese Energie in Form von Photonen, also als Licht, freizusetzen. Die Farbe dieser Photonen hängt vom Bandabstand ab. Heute ist es möglich solche Dioden vom Infrarot- über den optisch sichtbaren bis in den Ultraviolett-Bereich hinein herzustellen. Solche Dioden nennt man Leuchtdioden.

Photodiode

Geeignet aufgebaute Dioden können Photonen in der Verarmungszone einfangen und zur Ladungstrennung nutzen. Einfallendes Licht wird so zu einer Spannung an der Diode. Das kann man zum einen zum Messen der Lichtmenge nutzen oder aber in sogenannten Solarzellen zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Sonnenlicht. Umgekehrt bedeutet das, dass „normale“ Halbleiter in licht-geschützten Gehäusen untergebracht sein müssen damit sich ihr Verhalten nicht mit der Beleuchtung ändert.

Tunneldiode

Normalerweise dotiert man Halbleiter so wenig, dass die entstehenden „Fehler“ im Halbleiterkristall quasi für sich alleine stehen. Dotiert man erheblich stärker, verschieben sich die Bänder und es tritt der Effekt ein, dass nach einem normalen Beginn der Kennlinie eine weitere Erhöhung der Spannung ein Gebiet folgt, in dem der Strom erst mal wieder abnimmt. Der differentielle oder auch lokale Widerstand in diesem Spannungsbereich ist also negativ. Mit diesem Verhalten lassen sich Oszillatoren aufbauen, weil dieser negative Widerstand den Resonator entdämpft. So ein Aufbau wird nach seinem Erfinder Esaki-Diode oder nach dem physikalischen Prinzip Tunneldiode genannt.

PIN-Diode

Lässt man zwischen der P- und der N-Schicht einen undotierten Bereich stehen, nennt man diese Schicht „intrinsich“, was in diesem Fall so viel bedeutet wie „eigenleitend“. Dieser von Natur aus verarmte Bereich hat nun verschiedene Eigenschaften, die diese Diode für viele Dinge nützlich machen. Zum einen ist dieser Aufbau besonders gut dafür geeignet um mit einem Gleichstrom im Arbeitspunkt eingestellt zu werden um ihn dann im HF-Bereich als variables Dämpfungsglied zu benutzen. Zum anderen ist bei ihr die Z-Spannung besonders hoch. sie ist also besonders spannungsfest. Wegen ihres Aufbaus nennt man sie PIN-Diode.

Gunn-Element

Bei Verbindungshalbleitern wie GaAs gibt es zwei Leitungsbänder. Bei reiner n-Dotierung ergeben sich für Elektronen im höheren Band spezielle Bedingungen, die in einer niedrigen Beweglichkeit resultieren. Für Löcher gibt es keinen vergleichbaren Effekt. Daher gibt es keine p-dotierten Versionen. Auch ist das Gunn-Element keine Diode im Sinne eines pn-Übergangs, sondern nur auf Grund seiner richtungsabhängigen Funktionsweise. Bei geeignetem Aufbau und entsprechend hoher Betriebsspannung entstehen quasi Scheiben-förmige Pakete an Ladungsträgern an der Kathode die mit recht niedriger Geschwindigkeit durch den Halbleiter zur Anode wandern. So lange ein Paket unterwegs ist, ist die Feldstärke zu niedrig als dass sich ein weiteres Paket an der Kathode ablösen könnte. Der Stromfluss schwankt also im Rhythmus der Reisezeit eines Pakets. Mit verhältnismäßig geringem Aufwand lassen sich so Schwingungen im GHz-Bereich erzeugen. Der Name kommt vom Entdecker des Effekts, J. B. Gunn.

bipolarer Transistor

Bringt man zwei PN-Übergänge entgegengesetzt direkt nebeneinander in einen Halbleiter ein, so entsteht ein NPN- oder PNP-Übergang. Der Bereich zwischen den beiden Übergängen muss dabei sehr schmal sein. Betreibt man nun vom mittleren Anschluss zu einem der äußeren Anschlüsse den PN-Übergang in Leitrichtung, so wird auch der andere PN-Übergang leitfähig. Er wird zwar in Sperrrichtung betrieben, aber er wird von dem Übergang in Leitrichtung quasi mit Ladungsträgern überflutet. Ein so aufgebautes Bauteil nennt man bipolarer Transistor.

Thyristor, TRIAC und DIAC

Bringt man drei PN-Übergänge abwechselnd entgegengesetzt in einen Halbleiter ein, so entsteht ein NPNP-Übergang. Auch er wird durch ein Steuersignal an einer der mittleren Dotierungen leitfähig. Aber er bleibt auch leitfähig so lange wie ein Strom fließt. So ein Bauteil nennt man Thyristor. Zwei Thyristoren entgegengesetzt parallel geschaltet bilden einen TRIAC, der in beiden Richtungen leitfähig wird und so Wechselstrom schalten kann. Damit das Einschalten zuverlässig funktioniert, soll der Einschaltimpuls eine hohe Steilheit aufweisen. Ein solcher Impuls kann mithilfe einer Vielschichtdiode, die DIAC genannt wird, erzeugt werden. Ein heute üblicher DIAC besteht aus 5 Schichten, bei denen die äußeren Anschlüsse jeweils an die beiden äußeren Schichten kontaktiert sind. Der Aufbau ist also etwa so: (NP)N(PN).

Feldeffekttransistor

Macht man die Dotierung an einer Stelle sehr dünn und bringt durch eine isolierende Schicht getrennt eine Elektrode auf, so kann man durch eine an der Elektrode angelegte Spannung den Stromfluss durch die dünne Stelle abschnüren. So ein Bauteil nennt man Feldeffekt-Transistor. Im Gegensatz zum bipolaren Transistor fließt an der steuernden Elektrode kein Strom; er ist also hochohmig; bzw. er arbeitet mit wenig Steuerleistung.