halbleiter

Physisch

2022

Wir erklären, was ein elektrischer Halbleiter ist, seine Typen, Anwendungen und Beispiele. Außerdem leitfähige und isolierende Materialien.

Der am weitesten verbreitete Halbleiter ist Silizium.

Was ist ein Halbleiter?

Halbleiter sind Materialien, die je nach den physikalischen Bedingungen, unter denen sie vorkommen, als elektrischer Leiter oder als elektrischer Isolator fungieren können. Diese Bedingungen beinhalten normalerweise Temperatur und das Druck, der Strahlungseinfall oder die Intensitäten der elektrisches Feld oder Magnetfeld denen das Material ausgesetzt ist.

Halbleiter bestehen aus chemische Elemente untereinander sehr unterschiedlich, die ja auch aus anderen Regionen als den Periodensystem, aber sie teilen bestimmte chemische Eigenschaften (im Allgemeinen sind sie vierwertig), die ihnen ihre besonderen elektrischen Eigenschaften verleihen. Der derzeit am weitesten verbreitete Halbleiter ist Silizium (Si), insbesondere in der Industrie Elektronik und von der Computer.

Zusammen mit isolierenden Materialien wurden Halbleiter 1727 vom englischen Physiker und Naturforscher Stephen Gray (1666-1736) entdeckt, aber die Gesetze, die ihr Verhalten und ihre Eigenschaften beschreiben, wurden viel später, 1821, von dem berühmten deutschen Physiker Georg Simon beschrieben (1789-1854).

Halbleiteranwendungen

Halbleiter sind besonders in der Elektronikindustrie nützlich, da sie das Ansteuern und Modulieren der elektrischer Strom nach den notwendigen Mustern. Aus diesem Grund ist es üblich, dass sie es gewohnt sind:

  • Transistoren
  • Integrierte Schaltkreise
  • Elektrische Dioden
  • Optische Sensoren
  • Festkörperlaser
  • Elektrische Drive-Modulatoren (wie ein E-Gitarrenverstärker)

Arten von Halbleitern

Halbleiter können je nach ihrer Reaktion auf die physikalische Umgebung, in der sie sich befinden, von zwei verschiedenen Typen sein:

Eigene Halbleiter

Sie bestehen aus einer einzigen Art von Atome, angeordnet in Moleküle tetraedrisch (d. h. vier Atome mit der Wertigkeit 4) und ihre Atome verbunden durch kovalente Bindungen.

Diese chemische Konfiguration verhindert Bewegung frei von Elektronen um das Molekül herum, außer bei Temperaturerhöhung: dann nehmen die Elektronen an der Energie verfügbar und „springen“, wodurch ein freier Raum übrig bleibt, der als positive Ladung übersetzt wird, die wiederum neue Elektronen anzieht. Dieser Vorgang wird als Rekombination bezeichnet, und die Menge an Wärme die hierfür benötigt werden, hängt vom jeweiligen chemischen Element ab.

Extrinsische Halbleiter

Diese Materialien ermöglichen einen Dotierungsprozess, d. h. sie ermöglichen, dass eine bestimmte Art von Verunreinigungen in ihre atomare Konfiguration aufgenommen wird. Abhängig von diesen Verunreinigungen, die fünf- oder dreiwertig sein können, werden Halbleitermaterialien in zwei unterteilt:

  • Extrinsische Halbleiter vom N-Typ (Donoren). In dieser Art von Materialien sind die Elektronen den Löchern oder Trägern freier Ladung ("Räume" positiver Ladung) zahlenmäßig überlegen. Wenn an das Material eine Potentialdifferenz angelegt wird, bewegen sich die freien Elektronen nach links vom Material und die Löcher dann nach rechts. Wenn die Löcher ganz rechts ankommen, dringen Elektronen aus dem äußeren Stromkreis in den Halbleiter ein, und es erfolgt die Übertragung von elektrischem Strom.
  • Extrinsische Halbleiter vom P-Typ (Akzeptoren). In diesen Materialien erhöht die hinzugefügte Verunreinigung, anstatt die verfügbaren Elektronen zu erhöhen, die Löcher. Wir sprechen daher von hinzugefügtem Akzeptormaterial, da ein größerer Bedarf an Elektronen besteht als verfügbar ist und jeder freie „Raum“, in den ein Elektron gehen sollte, dient um den Stromdurchgang zu erleichtern.

Beispiele für Halbleitermaterialien

Halbleiter dienen als Modulatoren der elektrischen Übertragung.

Die gebräuchlichsten und am häufigsten verwendeten Halbleiter in der Industrie sind:

  • Silizium (Si)
  • Germanium (Ge), oft in Legierungen Silizium
  • Galliumarsenid (GaAs)
  • Schwefel
  • Sauerstoff
  • Cadmium
  • Selen
  • indisch
  • Andere chemische Stoffe, die aus der Kombination von Elementen der Gruppen 12 und 13 des Periodensystems mit Elementen der Gruppen 16 bzw. 15 resultieren.

Leitfähige Materialien

Im Gegensatz zu Halbleitern, deren elektrische Leitungseigenschaften variieren, sind leitfähige Materialien immer bereit, die Elektrizität, aufgrund der elektronischen Konfiguration seiner Atome. Diese Leitfähigkeit kann schwanken und bis zu einem gewissen Grad vom physikalischen Zustand der Umgebung beeinflusst werden, da die elektrische Leitfähigkeit es ist nicht absolut.

Beispiele für leitfähige Materialien sind die überwiegende Mehrheit von Metalle (Eisen, Quecksilber, Kupfer, Aluminium usw.) und die Wasser.

Isoliermaterialien

Schließlich sind Isoliermaterialien solche, die der Leitung von Elektrizität widerstehen, d. h. die den Durchgang von . verhindern Elektronen und sie sind daher nützlich, um sich vor Elektrizität zu schützen, um zu verhindern, dass sie frei läuft oder kurzgeschlossen wird. Isolatoren isolieren auch nicht hundertprozentig effizient. Sie haben eine Grenze (Durchschlagsspannung), oberhalb derer die Energie so hoch ist, dass sie ihren Zustand als Isolator nicht aufrechterhalten und daher elektrischen Strom zumindest bedingt übertragen können.

Beispiele für Dämmstoffe sind Plastik, Keramik, Glas, Holz und Papier.

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