Die Atome von Halbleitern haben i.a. vier Elektronen auf der äußersten Schale, Beispiel Silizium:
(Die inneren Schalen sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit zusammen mit dem Kern als Si4+ dargestellt.)
Die Atome von Halbleitern haben i.a. vier Elektronen auf der äußersten Schale, Beispiel Silizium:
(Die inneren Schalen sind hier aus Gründen der Übersichtlichkeit zusammen mit dem Kern als Si4+ dargestellt.)
Die Atome bilden einen Kristall, bei dem sich jedes Atom mit seinen vier benachbarten Atomen die äußeren Elektronen teilen, so dass ein stabiler Verbund entsteht (Jedes Atom besitzt anscheinend eine volle Schale mit 8 Elektronen.):
Dadurch stehen keine freien Elektronen für den Stromfluss zur Verfügung, Halbleiter sind deshalb zunächst sehr schlechte Leiter.
3. Energiezufuhr durch Wärme oder Licht
Erst wenn Energie zugeführt wird (z.B. Licht, Wärme), können Elektronen aus der sehr festen Bindung herausgelöst werden und sich im Kristall bewegen. Ohne angelegte Spannung ist diese Bewegung völlig ungeordnet, Elektronen springen auch immer wieder in die beim Herauslösen entstehenden Löcher. Andererseits werden auch immer wieder unregelmäßig Elektronen aus den Bindungen herausgelöst:
Je nach zugeführter Energie steht so im Mittel immer eine bestimmte Anzahl an freien Elektronen und Löchern für Leitungsvorgänge zur Verfügung. Auch bei Zimmertemperatur gibt es eine geringe Anzahl freier Elektronen und Löcher.
4. Anlegen einer Spannung an den Halbleiterkristall
Legt man nun an den Kristall eine Spannung an, so bewegen sich Elektronen, die aus einer Bindung herausgelöst werden und dort ein Loch hinterlassen, in Richtung Pluspol, wobei sie unterwegs auch wieder in Löcher fallen können. Dadurch entsteht gleichzeitig der Eindruck, dass Löcher in entgegengesetzter Richtung zum Minuspol wandern:
¬ Elektronenbewegung
Löcherbewegung ®
Man spricht deshalb sowohl von Elektronen- als auch von Löcherleitung.
Zur Erhöhung der Leitfähigkeit baut man in einen Halbleiterkristall sogenannte Fremdatome ein, die entweder ein Elektron mehr (5-wertig, Beispiel: Arsen) oder ein Elektron weniger (3-wertig, Beispiel: Indium) auf der äußersten Schale haben:
Diesen Vorgang nennt man Dotierung.
Im ersten Fall bleibt pro Fremdatom ein freies Elektron übrig, welches für die Kristallverbindung nicht benötigt wird und so für Leitungsvorgänge zusätzlich zur Verfügung steht:
Ein solcher Halbleiter wird als n-Halbleiter bezeichnet (zusätzliche negative Ladungsträger).
Im zweiten Fall entsteht pro Fremdatom durch das fehlende Elektron ein zusätzliches Loch. Zufällig aus den Bindungen herausgelöste Elektronen können dadurch eher ein anderes Loch finden, in welches sie springen können, so dass sich die Löcher schneller in Richtung Minuspol bewegen. Dadurch steigt die Leitfähigkeit des Kristalls:
Ein solcher Halbleiter wird als p-Halbleiter bezeichnet (zusätzliche "positive" Löcher).
Dotierte Halbleiter sind elektrisch neutral, da nur verschiedene (neutrale) Atome zusammengefügt werden.