Grundlagen der Halbleiterphysik und Transistoren

Grundlagen der Leitfähigkeit

Metalle sind sehr gute Leiter für Elektrizität. Diese hohe Leitfähigkeit beruht auf der Tatsache, dass es freie Elektronen (e-) in der äußeren Schale der Atome gibt, die sich frei zwischen den Atomen des Metalls bewegen können.

Leitfähigkeit in Silber und Kupfer

In Silber (Ag) und Kupfer (Cu) befindet sich in der letzten Schale ein einzelnes Elektron. Da es nur schwach mit dem Kern verbunden ist, bewegt es sich zufällig im festen Metall.

Halbleiter im Vergleich

Zwischen metallischen Leitern und Isolatoren stehen die Halbleiter. Sie werden so genannt, weil sie schlechter leiten als Metalle, aber besser isolieren als Nichtleiter. Die wichtigsten Halbleiter sind Germanium (Ge) und Silizium (Si), welche in ihrer äußeren Schale 4 Elektronen besitzen.

Bindungen und Dotierung

Für die Untersuchung von Halbleitern konzentrieren wir uns auf die kovalente Bindung. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass sich zwei benachbarte Atome jeweils zwei Valenzelektronen teilen.

Ein reiner Kristall aus Ge oder Si besitzt keine freien Elektronen und ist nicht leitend. Wenn man jedoch andere Stoffe (Verunreinigungen) hinzufügt, die Teil der Kristallstruktur werden, erhöht sich die Leitfähigkeit.

N-Typ und P-Typ Halbleiter

• Typ N (Elektronenspender): Fügt man Atome mit 5 Elektronen hinzu, entsteht eine neue Struktur mit einem freien Elektron, da die anderen 8 durch kovalente Bindungen geteilt werden.
• Typ P (Elektronenakzeptor): Fügt man dem Halbleiter Atome mit 3 Elektronen hinzu, entsteht in der neuen Struktur ein Loch in der äußeren Schale (ein fehlendes Elektron).

Die P-N-Grenzschicht

Verbindet man einen P-Typ-Halbleiter mit einem N-Typ-Halbleiter, findet an der Kontaktfläche ein Austausch von Ladungsträgern durch Diffusion statt. Löcher aus dem P-Typ wandern in den N-Typ und rekombinieren dort mit Elektronen. Ebenso wandern Elektronen aus dem N-Typ in den P-Typ und rekombinieren mit Löchern.

Verhalten bei Polung

Bei direkter Polung verschwindet die Sperrschicht. Bei Sperrpolung vergrößert sich die Diffusionszone und blockiert den Stromfluss. Eine Diode kann den Strom nicht bis zu einer unendlich hohen Sperrspannung blockieren; wird ein bestimmter Wert überschritten, kommt es zu einem elektrischen Durchbruch in der Potentialbarriere und ein starker Strom fließt in entgegengesetzter Richtung (Durchbruchstrom).

Der Transistor

Der Transistor ist ein Halbleiterbauelement mit drei aufeinanderfolgenden Regionen aus P- und N-Halbleitern. Es gibt NPN- und PNP-Transistoren. Der zentrale Bereich wird Basis (B) genannt, die beiden äußeren Emitter (E) und Kollektor (C).

Funktionsweise und Anwendung

Die Intensität des Basisstroms ist eine Funktion der Emitter-Kollektor-Spannung. Wenn diese Spannung gleich Null ist, fließt kein Basisstrom und somit auch kein Strom zwischen Emitter und Kollektor. Durch Erhöhung der Basisspannung steigt der Emitterstrom rapide an. Je intensiver der Emitterstrom wird, desto mehr Elektronen erreichen die Basis.

Der Transistor wird in der Elektronik als Verstärker oder Schalter für Strom und Spannung verwendet.