Halbleiter

Manche Stoffe leiten Strom. Man nennt sie Leiter. Außerdem gibt es Stoffe, die Strom nicht leiten: sogenannte Isolatoren. Und dann sind da noch solche Stoffe, die irgendwo zwischen Leitern und Isolatoren liegen: Sie leiten Strom nur teilweise. Man nennt diese Stoffe Halbleiter, und sind sehr nützlich.

Fast alle Geräte, die du zu Hause hast, stellt man mit Halbleitern her: z. B. Handys, Computer, TVs und viele andere Dinge. Wie Halbleiter funktionieren, lässt sich am besten verstehen, wenn du dir die Atome näher anschaust. Alle Stoffe bestehen aus Atomen.

Um den Atomkern kreisen Elektronen. Hier siehst du mehrere Silicium-Atome nebeneinander in einem Kristall. Silicium-Atome haben vier Elektronen, die an andere Atome angrenzen. Jedes Silicium-Atom kann seine Elektronen mit 4 benachbarten Atomen "teilen". Gleichzeitig können diese Nachbarn sich Elektronen von diesen Atomen "leihen".

So erhält jedes Silicium-Atom acht Elektronen und genau das will es auch. Dann gibt es weniger freie Elektronen, die im Kristall umher schwirren. Und genau deshalb leitet Silicium Strom nicht so gut. Damit sich mehr Elektronen bewegen wollen, kann man ein weiteres Element hinzufügen: Man dotiert das Silicium. Ersetze ein Silicium-Atom mit einem Phosphor-Atom und beobachte, was passiert.

Ein Phosphor-Atom hat 5 Elektronen auf der äußersten Elektronenschale. Erhält es 4 weitere von seinen Nachbarn, besitzt es dann also 9 Außenelektronen. Dann ist da ein Elektron, das neunte, das alle Atomkerne am liebsten vermeiden. Dieses besondere Elektron bewegt sich im Silicium-Kristall frei umher. Je mehr Elektronen sich bewegen, desto besser leitet das Silicium-Kristall Strom.

Wenn man Silicium mit Phosphor dotiert, wird es ein besserer Leiter. Weil Elektronen negativ geladen sind und man durch die Dotierung von Silicium mit Phosphor, mehr Elektronen erhält, bezeichnet man dieses Stück Silicium als negativ dotiert oder n-dotiert. Aber Silicium lässt sich auch noch anders dotieren. Das Element Bor hat auf seiner äußersten Schale drei Elektronen, und nicht fünf wie Phosphor. Was passiert, wenn du ein Bor-Atom in die Mitte des Silicium-Atoms hinzufügst?

Die Silicium-Atome teilen sich insgesamt vier Elektronen mit dem Bor-Atom. Das Bor-Atom hat nun sieben Elektronen auf der Außenschale. Es will aber acht. Na, da fehlt aber ein Elektron. Es ist wie ein Loch.

Darum schnappt sich das Bor-Atom ein Elektron von einem benachbarten Atom. Doch dann verliert dieses Atom ein Elektron und es entsteht wieder ein Loch. Dieser Mangel an Elektronen führt zu mehr beweglichen, freien Elektronen. Je mehr Elektronen sich im Stoff bewegen, desto besser leitet Silicium Strom. Mit weniger negativ geladenen Elektronen ist das Silicium nun positiv dotiert oder p-dotiert.

Reines Silicium leitet den Strom also ziemlich schlecht. Mit Hilfe von anderen Elementen lässt sich Silicium dotieren und seine Leitfähigkeit verbessern. Silicium und andere Elemente mit ähnlichen Eigenschaften sind Halbleiter. Dotierte Halbleiter findest du im Handy, Computer, TV und vielen anderen elektronischen Geräten. Ohne Halbleiter könntest du diesen Video gar nicht auf deinem Handy oder Laptop schauen!

Und was macht Halbleiter so praktisch macht,... Ach, dazu dann beim nächsten Video mehr.