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Grundwissen

Eigenleitung im Siliziumkristall

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Bei tiefen Temperaturen sind Halbleiter Isolatoren.
  • Bei Energiezufuhr z.B. durch Erwärmung werden Elektronen aus ihren Paarbindungen gelöst - es entstehen Leitungselektronen und Löcher.
  • Legt man eine äußere Spannung an, kommt es zur sogn Eigenleitung. 
Aufgaben Aufgaben

Leitungselektronen und Löcher

Abb. 1 Besondere Eigenschaften von Halbleiterkristallen am Beispiel von Silizium

Bei tiefen Temperaturen stellt der Halbleiterkristall einen Isolator dar, d.h. er besitzt keine beweglichen Ladungsträger.

Durch Energiezufuhr, also z.B. durch Erwärmung, kann man Elektronen (blaue Punkte in nebenstehender Animation) aus ihren Paarbindungen "freischütteln". Diese Elektronen werden dann als Leitungselektronen bezeichnet, sie können sich relativ frei zwischen den Atomrümpfen bewegen.

Jedes freie Elektron hinterlässt am Ort seiner ursprünglichen Gitterbindung eine positive Ladung, die in der nebenstehenden Animation durch einen roten Ring um einen Atomrumpf symbolisiert ist. Man bezeichnet die Stelle, an der ein Elektron fehlt als Elektronenlücke oder kurz als Loch. Es erweist sich als zweckmäßig, die Löcher wie Teilchen mit einer positiven Ladung zu behandeln.

Ein Loch wirkt auf ein in der Nähe befindliches Leitungselektron anziehend, unter Umständen füllt das Elektron die Elektronenlücke auf, es kommt zur Rekombination.

Es kann auch vorkommen, dass ein Elektron aus seiner Paarbindung durch ein benachbartes Loch gerissen wird. In diesem Fall verschwindet dieses Loch. Durch das Aufreißen der Paarbindung entsteht aber beim Nachbaratom ein neues Loch.

Die Zahl der durch die Wärmebewegung aufgebrochenen Bindungen und damit der beweglichen Ladungsträger steigt mit der Temperatur. Die Leitfähigkeit des Halbleiterkristalls nimmt also - im Gegensatz zu den Metallen - mit der Temperatur zu. Man sagt dazu auch, dass die Halbleiter einen negativen Temperaturcoeffizienten besitzen (NTC-Widerstand).

Zentrale Aspekte der Eigenleitung
  • Die Zahl der Löcher stimmt mit der Zahl der freien Elektronen überein (insgesamt ist der Kristall neutral!).
  • Je höher die Temperatur ist, desto mehr Elektron-Loch-Paare entstehen; die Rekombination kommt immer öfter vor.
  • In Silizium ist bei Zimmertemperatur etwa jede 1013-te Gitterbindung aufgebrochen (d.h. die Zahl der Löcher in obiger Animation ist maßlos übertrieben). Bei Germanium ist die Zahl der aufgebrochenen Bindungen bei gleicher Temperatur deutlich höher als bei Silizium.

Anlegen einer äußeren Spannung

Abb. 2 Leitungsvorgänge in Halbleiterkristallen am Beispiel von Silizium

Legt man an den Halbleiterkristall eine elektrische Spannung, so bewegen sich die freien Elektronen in Richtung des Pluspols (Elektronenleitung).

Die Löcher bewegen sich in Richtung des Minuspols der Spannungsquelle (Löcherleitung).

Die Elektrizitätsleitung, die sich aufgrund der Bildung von Elektron-Loch-Paaren ergibt wird als Eigenleitung bezeichnet.