Elektronik Grundlagen: Was ist ein Halbleiter? - Dummies

Halbleiter werden häufig in elektronischen Schaltungen eingesetzt. Wie der Name schon sagt, ist ein Halbleiter ein Material, das Strom leitet, aber nur teilweise. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters liegt irgendwo zwischen dem eines Isolators, der fast keine Leitfähigkeit hat, und einem Leiter, der fast die volle Leitfähigkeit hat. Die meisten Halbleiter sind Kristalle aus bestimmten Materialien, meist Silizium.

Um zu verstehen, wie Halbleiter arbeiten, müssen Sie zuerst ein wenig darüber verstehen, wie sich Elektronen in einem Atom organisieren. Die Elektronen in einem Atom sind in Schichten organisiert. Diese Schichten werden als -Schalen bezeichnet. Die äußerste Schale wird als Schale Valenz bezeichnet.

Die Elektronen in dieser Schale sind diejenigen, die Bindungen mit benachbarten Atomen eingehen. Solche Bindungen werden kovalente Bindungen genannt. Die meisten Dirigenten haben nur ein Elektron in der Valenzschale. Halbleiter hingegen haben typischerweise vier Elektronen in ihrer Valenzschale.

Wenn alle Nachbaratome vom gleichen Typ sind, ist es möglich, dass alle Valenzelektronen mit Valenzelektronen anderer Atome binden. Wenn dies geschieht, ordnen sich die Atome in Strukturen an, die Kristalle genannt werden. Halbleiter werden aus solchen Kristallen hergestellt, gewöhnlich aus Siliziumkristallen.

Hier repräsentiert jeder Kreis ein Siliziumatom, und die Linien zwischen den Atomen repräsentieren die geteilten Elektronen. Jedes der vier Valenzelektronen in jedem Siliciumatom ist mit einem benachbarten Siliciumatom geteilt. Somit ist jedes Siliciumatom mit vier anderen Siliciumatomen verbunden.

Reine Siliziumkristalle sind elektronisch nicht besonders nützlich. Wenn Sie jedoch kleine Mengen anderer Elemente in einen Kristall einführen, beginnt der Kristall auf interessante Weise zu leiten.

Der Prozess der absichtlichen Einführung anderer Elemente in einen Kristall wird als -Dotierung bezeichnet. Das durch Dotieren eingeführte Element wird als Dotierstoff bezeichnet. Durch sorgfältiges Steuern des Dotierungsprozesses und der verwendeten Dotierstoffe können sich Siliziumkristalle in eine von zwei unterschiedlichen Arten von Leitern umwandeln:

• N-Halbleiter: Wird erzeugt, wenn der Dotierstoff ein Element ist, das fünf Elektronen in seiner Valenzschicht. Phosphor wird üblicherweise zu diesem Zweck verwendet.

  Die Phosphoratome verbinden sich direkt in der Kristallstruktur des Siliziums, wobei jedes mit vier benachbarten Siliziumatomen wie ein Siliziumatom verbunden ist. Da das Phosphoratom fünf Elektronen in seiner Valenzschale hat, aber nur vier von ihnen an benachbarte Atome gebunden sind, bleibt das fünfte Valenzelektron hängen, ohne dass es eine Bindung eingeht.

  Die zusätzlichen Valenzelektronen in den Phosphoratomen verhalten sich wie die einzelnen Valenzelektronen in einem regulären Leiter wie Kupfer. Sie können sich frei bewegen. Da dieser Typ von Halbleiter zusätzliche Elektronen aufweist, wird er als N-Halbleiter bezeichnet.

  

• P-Typ-Halbleiter: Tritt auf, wenn der Dotierstoff (wie Bor) nur drei Elektronen in der Valenzschale hat. Wenn eine kleine Menge in den Kristall eingebaut wird, ist das Atom in der Lage, sich mit vier Siliziumatomen zu verbinden, da es jedoch nur drei Elektronen zu bieten hat, wird ein Loch erzeugt. Das Loch verhält sich wie eine positive Ladung, so dass Halbleiter, die auf diese Weise dotiert sind, als P-Typ-Halbleiter bezeichnet werden.

  Wie eine positive Ladung ziehen Löcher Elektronen an. Aber wenn sich ein Elektron in ein Loch bewegt, hinterlässt das Elektron an seiner vorherigen Stelle ein neues Loch. Somit bewegen sich in einem P-Typ-Halbleiter Löcher ständig innerhalb des Kristalls, während Elektronen ständig versuchen, sie aufzufüllen.

  

Wenn Spannung entweder an einen N-Typ oder einen P-Typ-Halbleiter angelegt wird, fließt Strom, aus demselben Grund wie in einem regulären Leiter: Die negative Seite der Spannung schiebt Elektronen, und die positive Seite zieht sie.. Das Ergebnis ist, dass die zufällige Elektronen- und Lochbewegung, die immer in einem Halbleiter vorhanden ist, in einer Richtung organisiert wird und messbaren elektrischen Strom erzeugt.