Leiter, Nichtleiter, Halbleiter

Metalle leiten elektrischen Strom, weil sie frei bewegliche Elektronen besitzen. Während die Mehrzahl der Elektronen fest an die Metallatome gebunden ist, können sich die Leitungselektronen frei bewegen. Beim Anlegen einer Spannung fließt elektrischer Strom.

Nichtleiter haben keine beweglichen Elektronen.

Halbleiter leiten den elektrischen Strom nur unter bestimmten Bedingungen.

Bei Halbleitern sind einige Elektronen nur locker an die Atome gebunden. Führt man von außen Energie in Form von Licht oder Wärme zu, so können sich einige der locker gebundenen Elektronen aus ihrer Bindung an das Atom lösen. Der Stoff kann dann elektrischen Strom leiten.

Das wichtigste Halbleiterelement ist Silizium.

Silizium besitzt 4 Außenelektronen, die sich durch Energiezufuhr teilweise von den Atomen lösen können. Dadurch wird Silizium leitend.  

Die Leitfähigkeit eines Siliziumkristalls kann jedoch noch deutlich verbessert werden, wenn man in das Kristallgitter Fremdatome einbaut. Verwendet man z. B. Phosphoratome mit 5 Außenelektronen, so werden 4 Elektronen im Kristallgitter gebraucht, das 5. Elektron ist jedoch besonders schwach an das Phosphoratom gebunden. Es wird schon bei winziger Energiezufuhr beweglich. Die elektrische Leitung eines Halbleiters mit Überschusselektronen, wie sie auch bei Metallen der Fall ist, nennt man Elektronenleitung oder n-Leitung (n wie negativ).

Es gibt jedoch auch die Möglichkeit, Atome mit nur 3 Außenelektronen in das Siliziumkristallgitter einzubauen, z. B. Boratome. An einer Stelle fehlt nun ein Elektron. Es befindet sich dort ein Loch im Kristallgitter. Diese Löcher werden durch Elektronen, die eine Stelle verlassen können, immer wieder aufgefüllt, wobei neue Lücken zurückbleiben. Man spricht von Löcherleitung oder p-Leitung (p wie positiv). Durch Kombination der beiden Arten von Halbleitern ergeben sich völlig neue Eigenschaften, wie sie in modernen Elektronikbauteilen benötigt werden.

Dioden lassen Strom nur in einer Richtung fließen. Man verwendet sie deshalb als Gleichrichter für Wechselstrom.

Eine Diode ist aus zwei Halbleiterschichten, einer p-Schicht ( ) und einer n-Schicht (-), aufgebaut. An der Grenze der unterschiedlichen Halbleiterschichten wandern freie Ladungsträger zwischen der p-Schicht und der n-Schicht, somit bildet sich eine Sperrzone. In dieser Sperrzone gibt es keine freien Ladungsträger.

Schließt man die n-Schicht einer Diode an den positiven Pol und die p-Schicht an den negativen Pol einer Spannungsquelle, geschieht Folgendes (siehe die Abbildung): Elektronen wandern zum positiven, Löcher zum negativen Pol. Die Sperrzone zwischen der p-Schicht und der n-Schicht vergrößert sich und die Diode leitet keinen Strom. Man sagt, die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet.

Werden die beiden Pole vertauscht (Abbildung), so wird die Diode in Durchlassrichtung geschaltet. Elektronen und Löcher bewegen sich aufeinander zu. Die Sperrschicht verschwindet bei ausreichender elektrischer Spannung (Durchlassspannung). Wird Germanium als Halbleitermaterial verwendet, beträgt diese Spannung 0,2 V, bei Silizium 0,7 V.

In sehr vielen elektrischen Geräten in deiner Umgebung sind Dioden eingebaut. In batteriebetriebenen Geräten dienen Dioden als Verpolungsschutz, d.h. die Dioden verhindern den Stromfluss, wenn man die Batterien falsch einlegt.

Vier Dioden verwendet man für einen Brückengleichrichter, den man benötigt, um Wechselstrom in Gleichstrom zu verwandeln. Alle elektronischen Geräte funktionieren nur mit Gleichstrom. In jedem Netzgerät ist eine Gleichrichterschaltung eingebaut, also auch im Netzgerät eines Mobiltelefons.