10.2 : Grundlagen der Halbleiter

Es gibt Unterschiede in der elektrischen Leitfähigkeit von Materialien – Metallen, Halbleitern und Isolatoren, die mithilfe der Energiebanddiagramme dargestellt werden.

Metalle wie Kupfer (Cu), Zink (Zn) oder Blei (Pb) haben einen niedrigen Widerstand und weisen Leitungsbänder auf, die entweder nicht vollständig besetzt sind oder sich mit dem Valenzband überlappen, sodass keine Bandlücke vorhanden ist. Dadurch können Elektronen in den höchsten Energieniveaus des Valenzbands leicht in das Leitungsband wechseln, wenn sie durch ein angelegtes elektrisches Feld nur minimale kinetische Energie gewinnen. Infolgedessen erleichtern Metalle mit vielen verfügbaren Zuständen in der Nähe von besetzten Zuständen den einfachen Fluss von elektrischem Strom.

Halbleiter haben ein besetztes Valenzband und ein leeres Leitungsband, die durch eine kleine Bandlücke in der Größenordnung von 1 eV getrennt sind, wodurch einige Valenzelektronen bei Raumtemperatur thermisch in das Leitungsband angeregt werden können. Daraus resultiert eine moderate Anzahl von Ladungsträgern, wodurch Halbleiter leitfähiger sind als Isolatoren, jedoch weniger leitfähige als Metalle. Die Bandlückenenergie variiert bei Halbleitern, beispielsweise beträgt sie bei Silizium (Si) 1,12 eV und bei Galliumarsenid (GaAs) 1,42 eV.

Bei Isolatoren wie SiO_2 ist das Valenzband mit Elektronen gefüllt und das Leitungsband leer. Isolatoren haben eine große Bandlücke, wodurch die Anregung von Valenzelektronen durch das Leitungsband bei Raumtemperatur erschwert wird. Das liegt daran, dass die Valenzelektronen in Isolatoren an starken kovalenten Bindungen beteiligt sind und viel Energie zum Aufbrechen benötigen. Eine große Energielücke trennt das gefüllte Valenzband vom leeren Leitungsband und die thermische Energie bei Raumtemperatur reicht nicht aus, um Elektronen über diese Lücke hinweg anzuregen. Infolgedessen stehen nur sehr wenige Elektronen für die Leitung zur Verfügung und das Material kann elektrischen Strom nicht effektiv leiten.