Die einfachste Definition eines Halbleiters wäre ein elektrisches Bauteil, das einen Teil der Zeit Strom leitet. Elektrizität ist ein wesentlicher Bestandteil unseres täglichen Lebens und ist praktisch überall vorhanden. In jedem Haushalt gibt es Geräte, Fernsehgeräte, Satellitenanlagen und eine Vielzahl kleinerer Gegenstände, die mit Strom betrieben werden. Damit diese Gegenstände funktionieren, muss die Elektrizität über Drähte zu ihnen gelangen, durch die sie fließen können. Ein Leiter ist einfach ein Material, das die Fähigkeit hat, die benötigte Elektrizität zu leiten. Auch Halbleiter leiten Strom, aber nur in geringerem Maße als normale Leiter. Die Menge an Strom, die geleitet wird, hängt von der Art des verwendeten Materials sowie von dessen Zusammensetzung und Größe ab. Halbleiter werden aus speziellen Materialien hergestellt, die eine mittlere Leitfähigkeit zwischen einem Isolator und einem Leiter ermöglichen. Das bedeutet, dass sie einige ganz besondere physikalische Eigenschaften haben, die irgendwo zwischen Isolatoren wie Glas und Aluminium wie Leitern liegen. Ein Prozess, der als „Dotierung“ bezeichnet wird, wird verwendet, um reinen Halbleitern Verunreinigungen hinzuzufügen, die buchstäblich die Leitfähigkeit des Materials verändern.
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Was macht Halbleiter so wichtig?
Um zu verstehen, wie wichtig die Arbeit von Halbleitern ist, ist es wichtig, den grundlegenden Unterschied zwischen Elektronik und Elektrizität zu verstehen. Beide sind in gewisser Weise mit elektrischer Energie verbunden und können diese erzeugen, übertragen und nutzen. Der Hauptunterschied zwischen diesen beiden besteht darin, dass es bei der Elektrizität im Wesentlichen um die Nutzung elektrischer Energie in realen Anwendungen wie Beleuchtung, Heizung oder Motoren geht. Die Elektronik hingegen befasst sich in erster Linie mit Anwendungen wie der Steuerung von Energie oder der Kommunikation. Beispiele für elektronische Geräte sind Thermostate, Radios oder Drehzahlregler für Elektromotoren. Die eigentliche Bedeutung von Halbleitern liegt darin, dass sie sowohl isolierend als auch leitend sein können. Ein Halbleiter kann sowohl als Leiter als auch als Isolator verwendet werden. Unterschiedliche Bedingungen können die Leitfähigkeit eines Halbleiters beeinflussen. Wenn mehrere verschiedene Arten von Halbleitern kombiniert werden, können sie in verschiedenen Geräten besondere elektrische Eigenschaften erzeugen, indem sie die Steuerung bestimmter elektrischer Signale ermöglichen. Halbleiter werden häufig bei der Herstellung von elektronischen Geräten und integrierten Schaltungen verwendet.
Verschiedene Arten von Halbleitern
Es gibt zwei grundlegende Kategorien von Halbleitern: Extrinsische und intrinsische. Intrinsische Halbleiter werden aus sehr reinen Materialien hergestellt und sind daher sehr schlechte Leiter. Intrinsische Halbleiter haben eine gleiche Anzahl negativer und positiver Ladungsträger, die Elektronen bzw. Löcher genannt werden. Ein extrinsischer Halbleiter ist ein Halbleiter, dessen Leitfähigkeit durch das Hinzufügen von Verunreinigungen, dem Dotierungsprozess, verbessert wird. Durch Dotierung können zwei verschiedene Kategorien von Halbleitern erzeugt werden: negativ geladene (n-Typ) oder positiv geladene (p-Typ). Halbleiter sind entweder als Verbindung oder als Element erhältlich. Die häufigsten und grundlegenden Halbleiter sind Silizium und Germanium. Sowohl Silizium- als auch Germanium-Halbleiter haben eine kristalline Struktur, die als „Diamantgitter“ bezeichnet wird. Das bedeutet, dass sich das Atom in der Mitte befindet und alle seine Nachbarn an den Ecken des Tetraeders angeordnet sind. Es gibt viele verschiedene reine Element-Halbleiter sowie Legierungen und Verbindungen. Verbindungshalbleiter haben den Vorteil, dass sie ein sehr breites Spektrum an Mobilitäten und Energielücken aufweisen können. Das bedeutet einfach, dass die Materialien Qualitäten und Eigenschaften haben, die sehr spezifischen Anforderungen entsprechen. Aus diesem Grund gibt es einige Halbleiter, die als Halbleiter mit breiter Bandlücke bezeichnet werden.
Warum sind die Eigenschaften eines Halbleiters wichtig?
Halbleiter haben zahlreiche Eigenschaften, die Leiter und Isolatoren nicht haben. Diese Eigenschaften werden durch Elektronen bestimmt, die vom Valanzband in das Leitungsband oder umgekehrt überspringen können. Einer der Faktoren, die ein Elektron beeinflussen und ihm die zusätzliche Energie geben können, um den Sprung ins Leitungsband zu schaffen, ist die Temperatur. Dies hinterlässt natürlich auch eine Lücke im Valenzband, wo sich das Elektron zuvor befand. Auch Licht kann ein Element sein, das einen Energieschub für die Bildung eines „Elektron-Loch“-Paares liefert. Dieser Vorgang wird als Absorption bezeichnet. Wenn der Strom in einem Halbleiter durch die Absorption von Photonen erhöht wird, spricht man von Photoleitfähigkeit. Photonen haben unterschiedliche Energien. Das Photon ist ein mit dem Licht verbundenes Teilchen, das sich entweder als Welle oder als Teilchen verhalten kann.

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