Halbleiter wie Germanium, Silizium oder Selen stehen bezüglich ihrer Leitfähigkeit zwischen Leitern und Nichtleitern. Die el. Leitfähigkeit eines Halbleiters nimmt mit seiner Temperatur ab bzw. zu oder mit der Intensität des einstrahlenden Lichts zu.

 

Im Idealzustand eines Halbleiters sind alle äusseren Elektronen (Valenzelektronen) durch eine Paarbildung gebunden.

Die besonderen el. Eigenschaften des Germaniums und der anderen Halbleiter beruhen auf der Tatsache, dass in ihnen durch Zufuhr von Energie in Form von Wärme (thermische Anregung) und Licht (optische Anregung) gebundene Valenzelektronen aus ihren Bindungen zwischen den Atomen herausgelöst und so Leitungselektronen und Löcher (Defektelektronen) als bewegliche Ladungsträger erzeugt werden.

Eigenleitung in einem Halbleiter In einem reinen Halbleiter kommt der el. Strom durch die gerichtete Bewegung seiner Leitungselektronen (Elektronenstrom, n-Leitung) und die scheinbare, entgegengesetzt gerichtete Bewegung seiner Löcher (Löcherstrom, p-Leitung) zustande. Diese Art der Elektrizitätsleitung in einem Halbleiter nennt man Eigenleitung.

a)	Kaltleiter - PTC-Widerstand (positive temperatur coefficient)
	Ihr Widerstand sinkt mit abnehmender Temperatur. Sie dienen als Sensoren in Maschinen zum Schutz vor Überhitzung.
b)	Heißleiter - NTC-Widerstand (negative temperatur coefficient)
	Ihr Widerstand sinkt mit zunehmender Temperatur. Sie dienen zur Messung der Temperatur in elektronischen Thermometern, zur Regelung der Temperatur in Geräten oder als Brandmelder.
c)	Fotowiderstände - LDR-Widerstand (light dependent resistor)
	Ihr Widerstandswert sinkt mit zunehmender Lichtstärke. Sie dienen als Belichtungsmesser in Fotoapparaten.

n-Halbleiter:
 

Durch Dotieren eines Halbleiterkristalls mit 5-wertigen Atomen (z.B. Arsen) entsteht ein n-Halbleiter. Das fünfte Valenzelektron des Arsenatoms wird zu einem Leitungselektron (Majoritätsträger), das ortsfeste Arsenatom zu einem positiven Ion.

p-Halbleiter:
 

Durch Dotieren mit 3-wertigen Atomen (z.B. Indium) entsteht ein p-Halbleiter. Das Indium entreißt ein Elektron, so dass ein Loch (Majoritätsträger) entsteht.

Sowohl bei n- wie p-Halbleitern wird die elektrische Leitfähigkeit wesentlich gesteigert.

Fügt man einen n-Halbleiter und eine p-Halbleiter aneinander, so erhält man eine Halbleiterdiode. In der Grenzschicht des pn-Übergangs entsteht eine Verarmungszone von Majoritätsträgern; diese wirkt wie ein Hochohmwiderstand.

3.1 Die Halbleiterdiode als Schaltelement
 

Versuch: Eine Halbleiterdiode, ein Glühlämpchen und ein Strommessgerät werden zunächst wie in Abb. a) und dann wie in Abb. b) geschaltet. Beobachtung: a)   Es fließt kein Strom, wenn die n-dotierte Seite am Pluspol angeschlossen ist (Schaltung in Sperrrichtung). b)   Es fließt Strom, wenn die n-dotierte Seite mit dem Minuspol verbunden ist (Schaltung in Durchlassrichtung).
Erklärung: Liegt die n-dotierte Seite am Pluspol, so wandern Elektronen und Löcher wegen des el. Feldes jeweils nach aussen. Die Übergangszone verbreitet sich, es fließt nur ein geringer Strom. Liegt die n-dotierte Seite am Minuspol, so wandern die Majoritätsträger in die Übergangszone. Der pn-Übergang wird dadurch leitend. Zusammenfassung: Der pn-Übergang hat Ventilwirkung. Er sperrt den Stromdurchgang, wenn der Minuspol der Spannungsquelle am p-Leiter liegt, er ist leitend (stromdurchlässig), wenn der Pluspol am p-Leiter liegt.

 

3.2 Kennlinie einer Halbleiterdiode

 

Versuch: Wir untersuchen die Abhängigkeit des Diodenstroms von der angelegten Spannung.
Kennlinie der Diode: Die Stromstärke steigt ab einer bestimmten Spannung U, der Schleusenspannung steil an. Bei einer Umpolung ist die Stromstärke verschwindend klein (Sperrbereich).
Anwendung der Halbleiterdiode: Als Gleichrichter in Computern

Einweggleichrichtung:

Im Stromkreis fließt ein pulsierender Gleichstrom, da er in jeder zweiten Halbperiode des Wechselstroms durch Sperrung der Diode unterbrochen wird.

Doppelweggleichrichtung:

Bei der Graetz-Schaltung werden beide Halbperioden desWechselstroms ausgenutzt. Während der positiven Halbwelle des Wechselstroms, z.B. X-Pol positiv, fließt der Strom von X über ACDB nach Y, während der negativen Halbwelle, Y-Pol positiv, nimmt der Strom den Weg von Y über BCDA nach X. Durch den Verbraucher R fließt somit der Strom stets in der gleichen Richtung.

Leuchtdioden senden Licht aus, wenn durch sie Strom fließt. Sie dienen zur Stromanzeige oder in Matrixanordnung zur Anzeige von Zahlen bzw. Zeichen.

LED: light emitting diode
 
 

Werden die n- und p-leitenden Teile dem Licht ausgesetzt, so entsteht ein Überschuss bzw. Mangel an Elektronen in den jeweiligen Schichten und damit eine elektrische Ladung. Da der np-Übergang durch seine Sperrwirkung einen Ausgleich dieser el. Ladung verhindert, läßt sie sich über die Kontakte abgreifen und als Strom nutzen. Die dabei erzeugte Spannung beträgt ca. 0,5 V.

Die Solarzelle funktioniert also wie eine umgekehrte Diode, die unter dem Einfluss von Licht el. Strom abgibt, statt an eine Spannung angeschlossen zu sein und diese gleichzurichten.

In Solarzellen wird Lichtenergie in elektrische Enegie umgewandelt. Ihr Wirkungsgrad (Verhältnis zwischen der genutzten el. Energie und der einfallenden Strahlungsenergie) beträgt je nach Qualität, 11% - ca. 16%.

Der Transistor besteht aus drei Halbleiterschichten, wobei die beiden äußeren gleich dotiert und durch eine sehr dünne (ca. 1/100 mm), entgegengesetz dotierte Schicht getrennt sind. Die äußeren Schichten heißen Emitter E und KollektorC, die mittlere Schicht wird Basis B genannt. es gibt pnp- und npn-Transistoren.

Wird an einen Transistor eine Spannung angelegt, so entsteht zwischen Basis und Kollektor eine Sperrzone, Emitter und Basis sind in Durchlassrichtung geschaltet.

Legt man an den Emitter und an die Basis (Pluspol) eine Spannung an, so können Elektronen durch die B/C-Schicht diffundieren, es fließt ein Basisstrom und ein Kollektorstrom.
 
 

Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Basisstrom I_B und Kollektorstrom I_C:

Versuch:

Gemessen wird der Kollektorstrom I_C bei konstanter Kollektorspannung U_CE in Abhängigkeit vom Basisstrom I_B.

Ergebnis:

Im untersuchten Bereich ist die Änderung des Kollektorstroms zur Änderung des Basisstroms direkt proportional.

 

Versuch: Schließt man den Steuerstromkreis (Basisstromkreis), so leuchtet die Lampe im Arbeitsstromkreis (Kollektorstromkreis).

Der Transistor wirkt beim Schließen bzw. Öffnen des Steuerstromkreises als Ein- bzw. Ausschalter für ein elektrisches Gerät im Arbeitsstromkreis. Statt eines mechanischen Schalters im Steuerstromkreis wird oft eine Fotodiode (el. Widerstand nimmt mit der Helligkeit ab) verwendet.

Transistoren finden in der Elektronik fast überall Anwendung. Durch ihre winzigen Abmessungen, ihre lautlose, wartungs- und verzögerungsfreie Arbeitsweise haben sie die Elektronik revolutioniert.

Aus mehreren Transistoren lassen sich logische Schaltungen aufbauen, die zur Steuerung von Anlagen oder zur Speicherung von Zuständen dienen.

Fasst man mehrere solche Schaltungen zusammen, bei denen zahlreiche Bauelemente gleichzeitig auf einem gemeinsamen Halbleiterplättchen untergebracht sind, das nur wenige Millimeter groß ist, so bezeichnet man dieses Bauteil als integrierte Schaltung (engl. Integrated Circuit, Kurzzeichen IC). Bei ihnen wird eine komplette Baustufe (etwa ein Verstärker) ohne jede Lötstelle auf einer Trägerplatte angeordnet. Die Schaltung wird im Hochvakuum aufgedampft. Auf die Trägerplatte gelegte Masken mit Aussparungen verhindern, dass das Material an unerwünschte Stellen gelangt.

Prozessoren in Computern enthalten neben Schaltungen noch Speicherzellen und eine Ein- und Ausgabe-Einheit, alles auf kleinstem Raum verteilt.