Kupfer leitet, Glas leitet nicht — und Silizium entscheidet sich erst je nach Situation dazwischen. Genau das macht Halbleiter zur wichtigsten Materialklasse unserer gesamten modernen Technik.
Seit Klasse 7 sortierst du Stoffe in zwei Schubladen: Leiter und Isolatoren. Silizium passt in keine von beiden.
Leiter, Halbleiter, Isolator
Problem: Silizium passt weder zu den Leitern noch zu den Isolatoren: Es leitet bei Zimmertemperatur schlecht, erwärmt besser.
Steuerbar: Winzige Mengen eines Fremdstoffs machen aus Silizium einen brauchbaren Leiter, deshalb steckt es in Handy, LED-Lampe und Solaranlage.
Ob ein Stoff leitet, hängt allein davon ab, ob es in ihm frei bewegliche Ladungsträger gibt.
| Klasse | Beispiele | spezifischer Widerstand ρ | freie Ladungsträger |
|---|---|---|---|
| Leiter | Kupfer, Silber, Aluminium | etwa 0,000 000 02 Ω·m | sehr viele, immer vorhanden |
| Halbleiter | Silizium, Germanium | etwa 2 000 Ω·m | wenige, Anzahl veränderbar |
| Isolator | Glas, Porzellan, Kunststoff | über 1 000 000 000 Ω·m | praktisch keine |
Zwischen Kupfer und Glas liegen mehr als 16 Zehnerpotenzen; Silizium liegt ziemlich genau in der Mitte — daher der Name Halbleiter.
Silizium hat vier Außenelektronen und teilt sich mit jedem seiner vier Nachbarn ein Elektronenpaar.
Temperatur wirkt gegenläufig:
Metall wärmer → schlechterer Leiter, Halbleiter wärmer → besserer Leiter
Metall: Die freien Elektronen sind schon da; die zitternden Atomrümpfe behindern sie nur.
Halbleiter: Die Wärme erzeugt die freien Ladungsträger überhaupt erst.
ρ: Spezifischer Widerstand in Ω·m; kleines ρ bedeutet guter Leiter.
Entscheidend: Ob ein Stoff leitet, hängt nur von der Anzahl frei beweglicher Ladungsträger ab. Der spezifische Widerstand ρ ist unabhängig von der Bauteilgröße; kleines ρ bedeutet guter Leiter.
Drei Klassen: Leiter (Kupfer, ρ etwa 0,000 000 02 Ω·m): sehr viele freie Elektronen, das Elektronengas. Halbleiter (Silizium, etwa 2 000 Ω·m): wenige, veränderbare Anzahl. Isolator (Glas, über 1 000 000 000 Ω·m): praktisch keine.
Halbleiter: Kalt ist Silizium ein Isolator; bei Wärme brechen Bindungen auf und es leitet umso besser, je wärmer es ist.
Im Kristallausschnitt siehst du, wie viele Elektronen sich losreissen und frei durch das Gitter wandern — und rechts, wie hell die angeschlossene Lampe dadurch wird. Achte besonders darauf, was beim Wechsel zwischen Kupfer und Silizium mit der Temperatur passiert.
Beim Kupfer ändert sich fast nichts: Die freien Elektronen sind immer da, die Wärme macht sie nur ein wenig langsamer. Beim Silizium dagegen entstehen die Ladungsträger erst durch die Wärme — kalt ist es ein Isolator, heiß ein passabler Leiter. Beim Glas bleibt es dunkel, egal wie heiß du es machst.
Drei Punkte, an denen im Test regelmäßig etwas durcheinandergeht.
„Halbleiter leiten halb so gut wie Metalle“ ist falsch. Silizium leitet rund hundert Milliarden Mal schlechter als Kupfer — „halb“ meint zwischen den Klassen, nicht die Hälfte.
Die Temperaturregel läuft gegensätzlich. Metall wärmer: Widerstand steigt; Halbleiter wärmer: Widerstand sinkt.
Nicht der Stoff leitet, sondern seine freien Ladungsträger. Frage bei jedem Material zuerst: Gibt es hier Elektronen, die ihren Platz verlassen können?