Halbleiter

Halbleiter sind Festkörper, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von elektrischen Leitern (>10⁴ S/cm) und der von Nichtleitern (<10⁻⁸ S/cm) liegt.^[1] Da sich die Grenzbereiche der drei Gruppen überschneiden, ist der negative Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes ein weiteres wichtiges Merkmal von Halbleitern, das heißt, ihre Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu, sie sind sogenannte Heißleiter. Ursache hierfür ist die sogenannte Bandlücke zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband. Nah am absoluten Temperaturnullpunkt sind diese voll- bzw. unbesetzt, und Halbleiter daher Nichtleiter. Es existieren im Gegensatz zu Metallen primär keine freien Ladungsträger, diese müssen erst z. B. durch Erwärmung entstehen. Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern steigt aber steil mit der Temperatur an, so dass sie bei Raumtemperatur, je nach materialspezifischem Abstand von Leitungs- und Valenzband, mehr oder weniger leitend sind. Des Weiteren lassen sich durch das Einbringen von Fremdatomen (Dotieren) aus einer anderen chemischen Hauptgruppe die Leitfähigkeit und der Leitungscharakter (Elektronen- und Löcherleitung) in weiten Grenzen gezielt beeinflussen.

Halbleiter werden anhand ihrer Kristallstruktur in kristalline und amorphe Halbleiter unterschieden; siehe Abschnitt Einteilung. Des Weiteren können sie verschiedene chemische Strukturen besitzen. Am bekanntesten sind die Elementhalbleiter Silicium und Germanium, die aus einem einzigen Element aufgebaut sind, und Verbindungshalbleiter wie zum Beispiel der III-V-Verbindungshalbleiter Galliumarsenid. Zusätzlich haben in den letzten Jahrzehnten organische Halbleiter an Bedeutung und Bekanntheit gewonnen, sie werden beispielsweise in organischen Leuchtdioden (OLEDs) eingesetzt. Es gibt allerdings auch noch weitere Stoffe mit Halbleitereigenschaften, so z. B. metallorganische Halbleiter wie auch Materialien, die durch Nanostrukturierung Halbleitereigenschaften bekommen. Dazu zählen z. B. ternäre Hydrid-Verbindungen wie Lithium-Barium-Hydrid (LiBaH₃).^[2]

Bedeutung haben Halbleiter für die Elektrotechnik und insbesondere für die Elektronik, wobei die Möglichkeit, ihre elektrische Leitfähigkeit durch Dotierung zu beeinflussen, eine entscheidende Rolle spielt. Die Kombination unterschiedlich dotierter Bereiche, z. B. beim p-n-Übergang, ermöglicht sowohl elektronische Bauelemente mit einer richtungsabhängigen Leitfähigkeit (Diode, Gleichrichter) oder einer Schalterfunktion (z. B. Transistor, Thyristor, Photodiode), die z. B. durch Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines Stroms gesteuert werden kann (vgl. Arbeitszustände in Metall-Isolator-Halbleiter-Struktur). Weitere Anwendungen neben dem Transistor sind: Heißleiter, Varistoren, Strahlungssensoren (Photoleiter, Fotowiderstände, Photodioden beziehungsweise Solarzellen), thermoelektrische Generatoren, Peltierelemente sowie Strahlungs- beziehungsweise Lichtquellen (Laserdiode, Leuchtdiode). Der Großteil aller gefertigten Halbleiterbauelemente ist siliciumbasiert. Silicium hat zwar nicht die allerbesten elektrischen Eigenschaften (z. B. Ladungsträgerbeweglichkeit), besitzt aber in Kombination mit seinem chemisch stabilen Oxid deutliche Vorteile in der Fertigung (siehe auch thermische Oxidation von Silizium).

1. ↑ Leonhard Stiny: Aktive elektronische Bauelemente: Aufbau, Struktur, Wirkungsweise, Eigenschaften und praktischer Einsatz diskreter und integrierter Halbleiter-Bauteile. 3. Auflage. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-658-14387-9, S. 7 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 29. Oktober 2022]). 
2. ↑ Hermann Sicius: Halbleiter. In: Handbuch der chemischen Elemente. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2022, ISBN 978-3-662-55944-4, S. 1–6, doi:10.1007/978-3-662-55944-4_23-1.