Was sind Halbleiter?

Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Leitern (z. B. Kupfer) und Isolatoren (z. B. Glas) liegt. Sie spielen eine zentrale Rolle in der modernen Elektronik. Halbleiter sind die Grundlage moderner Elektronik zwischen Leiter und Isolator. Sie unterscheiden sich von anderen Stoffen in einem wichtigen Detail. Normalerweise lassen sich Stoffe in eine von zwei Kategorien einteilen. Entweder sie leiten elektrischen Strom oder sie leiten ihn nicht. Metalle zum Beispiel leiten den Strom und Isolatoren leiten ihn nicht. Halbleiter liegen genau dazwischen.

Halbleiter leiten den Strom nicht so gut wie Metalle. Sie halten ihn aber auch nicht komplett auf, wie zum Bespiel Isolatoren. Daher nehmen sie eine wichtige Stelle zwischen den beiden Extremen ein. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters also wie viel Strom nun wirklich fließen kann, hängt von verschiedenen Dingen ab. Dazu gehören die Temperatur, die Dotierung oder die Spannung, die existiert.

Halbleiter bestehen gewöhnlich aus Silizium oder Germanium. Die Struktur ihrer Atome erlaubt es ihnen, Kristallgitter zu bilden, die mit ihren Elektronen für die elektrische Leitfähigkeit sorgen. Silizium ist ein Material, das sehr weit verbreitet ist. Daher bildet es die Grundlage für die meisten Halbleiterelemente. Es zeichnet sich durch geringe Kosten bei der Herstellung und sehr stabile Eigenschaften aus.

Germanium war besonders am Anfang der Halbleitertechnologie wichtig, doch es wurde inzwischen weitestgehend von Silizium ersetzt. Es wird nur noch in bestimmten Bereichen genutzt.

Dazu kommen die sogenannten Verbindungshalbleiter. Diese setzen sich aus Verbindungen und Elementen zusammen, sodass sie sich als Halbleiter einsetzen lassen. Dazu gehören Galliumnitrid, Galliumarsenid und Indiumphosphid. Sie sind immer dann die Halbleiter der Wahl, wenn Silizium mit seinen physikalischen Eigenschaften keine adäquate Lösung darstellt. Das ist zum Beispiel in der Optoelektronik – der Lichterzeugung mit Halbleitern der Fall.

Welche Eigenschaften haben Halbleiter?

Halbleiter verfügen über mehrere Eigenschaften, die sie für ihre Verwendung geeignet machen. Dazu gehört die sogenannte Bandlücke. Diese wird auch als Bandgap oder Energiebandlücke bezeichnet. Sie ist ein flexibler Bereich, wo kein Strom fließt. Wie breit die Lücke ist, hängt von dem gewählten Halbleiter und seinen genauen Eigenschaften ab. Im Vergleich dazu verfügen Metalle über keinerlei Bandlücke, während die Bandlücke für Isolatoren sehr groß ist.

Die zweite wichtige Eigenschaft ist die Dotierung. Diese besteht aus Fremdatomen, die den Halbleitern hinzugefügt wurden. Sie steuern die Leitfähigkeit. Daraus ergeben sich n-Typ-Halbleiter, die über zusätzliche Elektroden verfügen. Das Gegenteil sind die p-Typ-Halbleiter, in denen Löcher vorhanden sind. Das heißt, hier fehlen Elektronen.

Mit der Dotierung kann nicht nur einfach die Leitfähigkeit gesteuert werden. Damit ist es auch möglich, pn-Übergänge anzulegen. Diese sind für elektronische Bauelemente von größter Bedeutung.

Die dritte wichtige Eigenschaft sind die Ladungsträger. Sie verleihen den Halbleiterkomponenten ihre elektrische Leitfähigkeit. Sie bestehen entweder aus Elektronen oder Löchern. Reine Halbleiter zeichnen sich durch nur wenige freie Ladungsträger bei Raumtemperatur aus. Das heißt, im Normalzustand ist ihre elektrische Leitfähigkeit gering. Mit einer Erhöhung der Temperatur werden zusätzliche Ladungsträger geschaffen, die dann die Leitfähigkeit verbessern.

Die nächste wichtige Eigenschaft ist die Temperaturabhängigkeit. Halbleiter werden in ihrer elektrischen Leitfähigkeit vor allem aufgrund der Umgebungstemperatur beeinflusst. Die thermische Energie setzt mehr Ladungsträger frei, sodass die Leitfähigkeit zunimmt. Das bestimmt auch darüber, welche Halbleiter in welchen Bereichen eingesetzt werden können.

Was sind die Anwendungsbereiche der Halbleiter?

Halbleiter zählen zu den wichtigsten Werkstoffen der modernen Elektronik. Damit lassen sich Dioden, Transistoren, integrierte Schaltkreise und viele andere Bauteile herstellen. Diese Bauteile wiederum sind die Grundlage für unsere moderne Technologie von heute.

Transistoren sind eines der wichtigsten Produkte, bei dessen Herstellung Halbleiter zum Einsatz kommen. Sie verstärken elektrische Signale. Das heißt, sie nehmen schwache Signale auf, die für die weitere Verarbeitung einfach nicht stark genug sind. Diese verstärken sie nun, sodass sie nutzbar werden.

Darüber hinaus werden Transistoren auch als Schalter genutzt. Sie schalten elektrische Signale ein oder aus. Das ist für sich genommen die Grundlage für die digitale Schaltungstechnik. Darüber hinaus können Transistoren hohe Ströme und Spannungen aushalten. Damit erlauben sie es, Leistungen in den Anlagen effizient zu steuern.

Dank der Halbleiter ist es auch möglich, integrierte Schaltkreise und Mikrochips herzustellen. Es sind gerade die Halbleiter, die mit ihren Eigenschaften den Einbau einer großen Anzahl von Transistoren auf einem einzigen Chip ermöglichen. Darüber hinaus gestatten sie auch die Installation weiterer elektronischer Komponenten auf dem gleichen Chip. Damit ist es möglich, die Rechenleistung und darüber hinaus die Speicherkapazität von Computern zu steigern. Weiterhin macht dies das Bauen komplexer Schaltungen möglich und damit können elektronische Geräte komplizierte Funktionen ausführen.

Darüber hinaus sind Halbleiter auch bei LEDs, Photovoltaik und Laserdioden im Einsatz. Mit der Struktur und der Zusammensetzung eines Halbleiters wird dabei die Wellenlänge des erzeugten Lichts beeinflusst. In Solarzellen und der Photovoltaik dagegen erlauben es Halbleiter, Strom aus dem Sonnenlicht zu generieren.

Auch sind Halbleiter in der Sensorik zu finden. Damit lassen sich Temperaturen, Licht und Druck messen. Mit der Eigenschaft, ihre elektrische Leitfähigkeit aufgrund der Umgebungstemperatur zu verändern, wird festgestellt, wie hoch diese ist. Die Veränderung der Leitfähigkeit unter einem mechanischen Druck erlaubt es, diesen zu messen. Mit der Erzeugung von Strom aus Licht wird in einem Lichtsensor festgestellt, wie viel Licht den Sensor umgibt.

Die Halbleiter, die Mikrotechnologie und die Sensorik

Halbleiter sind ein Arbeitsbereich für Elektriker. Sie sind an der Herstellung von Halbleitern und den daraus entstehenden Bauelementen für die Mikrotechnologie und Sensorik beteiligt. Auch ist es ihre Aufgabe, die einzelnen Bauelemente zu Gesamtsystemen zu verbinden und diese dann im Anschluss einzurichten, mit der Software zu versehen und sie an die Kunden zu übergeben.