Halbleiter sind Stoffe mit vierwertigen Atomen, die in ihrem Verhalten zwischen den Metallen mit vielen freien Elektronen und den Isolatoren ohne freie Elektronen liegen. In einem Halbleiter wie z.B. Silizium sind zwar alle vier äußeren Elektronen im Kristallgitter gebunden, sie lassen sich aber durch geringe Energiezufuhr befreien. Beim Erwärmen steigt daher die Leitfähigkeit des Halbleiters an. Zu den Halbleitern gehören neben Silizium auch Germanium, Kohlenstoff und Verbindungen aus drei- und fünfwertigen Elementen wie z.B. Gallium-Arsenid.
Kristallgitter des Siliziums
Im abgeleiteten Sinne des Wortes nennt man Halbleiter auch solche Bauelemente, die aus Halbleitermaterial gebaut sind, nämlich z.B. Dioden und Transistoren.
Man verwendet für diese Bauelemente kein reines Silizium, sondern solches, das mit Fremdatomen gezielt verunreinigt (dotiert) wurde, um eine bestimmte Leitfähigkeit herzustellen. Verwendet man fünfwertige Stoffe (z.B. Phosphor), dann erhält man freie Elektronen und damit eine negative (N-)Leitfähigkeit.
Mit Phosphor dotiertes N-Silizium
Mit dreiwertigen Stoffen (z.B. Aluminium) erreicht man Elektronen-Fehlstellen, die zu einer P-Leitfähigkeit führen. Dabei wandern Elektronen-Löcher wie positive Ladungsträger durch den Kristall, indem benachbarte Elektronen ein Loch füllen und damit wieder ein neues Loch zurücklassen.
Mit Aluminium dotiertes P-Silizium
Die Leitfähigkeit des Materials kann durch unterschiedlich starke Dotierung in weiten Grenzen eingestellt werden. Dioden und Transistoren bestehen aus mehreren Schichten unterschiedlich dotierten Siliziums. Zwischen den Schichten bilden sich isolierende Sperrschichten aus.
Kurzvortrag: Halbleiter