Leiter, Halbleiter und Nichtleiter

Abb.: Schematische Darstellung

Alle technischen Lösungen innerhalb der Elektrotechnik wären ohne Materialien ob nun leitend, halbleitend oder nichtleitend nicht denkbar.

Insofern ist die Information in diesem Artikel sehr wichtig zu verstehen, da sie letztendlich eine zentrale Basis innerhalb der Elektrotechnik darstellt.

Jene Größe zur entsprechenden Einordnung der Materialien stellt die Elektrische Leitfähigkeit dar.

Die Elektrische Leitfähigkeit, eine kurze Wiederholung

Der Elektrische Strom (I) ist die gerichtete Bewegung einer Menge von Ladungsträgern (z.B. Elektronen (-) in einem geschlossenen Strompreis) pro Zeiteinheit (t).

Die Elektrische Leitfähigkeit stellt ein Maß für die Qualität und Quantität dieses Vermögens dar.

Die Qualität entspricht dem Bewegungsvermögen, die Quantität der Menge der verfügbaren freien Ladungsträger.

Die Einheit der Elektrischen Leitfähigkeit ist $\dfrac{S}{m}$ oder $\dfrac{S}{cm}$ --> LINK zur Wiederholung

Wie werden die Materialien unterteilt?

Diese werden je nach Höhe der Elektrischen Leitfähigkeit in die jeweilige Gruppe eingeteilt:

Material	Elektrische Leitfähigkeit	Beschreibung und Beispiele
Leiter	$> 10^4$ $\dfrac{S}{cm}$	Diese Materialien sind generell elektrisch leitend, lassen also die Bewegung von freien Ladungsträgern zu. Bsp.: Alle Metalle und Graphit (z.B. Bleistiftmine)
Halbleiter	$10^{-8} < x < 10^4$ $\dfrac{S}{cm}$	Diese Materialien sind i.d.R. zunächst nichtleitend, werden aber durch Energiezufuhr (z.B. Wärme, Licht oder Spannung) elektrisch leitend. Bsp.: Kristalline (auch intrinsische) Haltleiter wie Germanium oder Silicium als auch sogenannte dotierte Halbleiter
Nichtleiter	$< 10^{-8}$ $\dfrac{S}{cm}$	Diese Materialien sind generell nicht leitend, die Ladungsträger sind nicht frei beweglich, weshalb kein oder nahezu kein elektrischer Strom fliessen kann. Bsp.: Plastik, Holz, Textilien, Glas und Porzellan

Was macht die Elektrische Leitfähigkeit aus? Woher kommt diese?

Wir hätten diesen Artikel sowie jenen über die Elektrische Leitfähigkeit an dieser Stelle beenden können. Sicherlich interessiert es Dich allerdings, woher ein gewisser Grad an Elektrischer Leitfähigkeit überhaupt kommt?

Wir haben einführend gelernt, dass dies mit dem Vorhandensein von freien Ladungsträgern zusammenhängen muß. Nur wann sind diese frei oder unfrei?

Der Atomkern besteht aus Protonen $+$ und Neutronen, welcher von Elektronen $-$ (auf ein oder mehreren Bahnen, auch Schalen genannt) umkreist wird.

Jedes Elektron hat gegenüber dem Atomkern eine bestimmte Potentielle Energie, nennen wir diese vereinfacht $E$ , welche wir in nachfolgender Darstellung auf der y-Achse auftragen werden. Wichtig an dieser Stelle: Die Elektronen können nur bestimmte (man sagt auch diskrete) Energiezustände wahrnehmen.

Schematische Darstellung: Ausschnitt Atomkern mit Elektronen und deren Energieniveaus; Darstellung als Bänder- und Trichtermodell

Wir analysieren diese Darstellung

Grafische Darstellung von Leiter, Halb- und Nichtleiter nach dem Bändermodell

Schemantische Darstellung zur Einordnung von Leiter, Halb- und Nichtleiter auf Basis des Bändermodells

Merke

Wir stellen fest, die jeweilige Anordnung von Leitungsband und Valenzband (ggf. mehrere Bänder) bestimmt das elektrische Verhalten des Materials, konkret dessen Elektrischer Leitfähigkeit!

Material	Beschreibung	$ΔE$
Leiter	Leitungsband und Valenzband gehen direkt ineinander über bzw. überschneiden sich sogar. Elektronen stehen unmittelbar als freie Ladungsträger zur Verfügung. Mit Anlegen einer elektrischen Spannung (im elektrischen Stromkreis) fliesst unmittelbar elektrischer Strom.	0 ... eV
Halbleiter	Leitungsband und Valenzband sind durch eine Bandlücke geringer Breite ( $ΔE$ ) voneinander getrennt. Durch die Zuführung von äußerer Energie (Temperatur, Licht, Spannung etc.) kann je nach Typ des Halbleiters, dieser von zunächst nichtleitenden in den leitenden Zustand versetzt werden.	1 ... 3 eV
Nichtleiter	Leitungsband und Valenzband sind durch eine sehr große Bandlücke ( $ΔE$ ) voneinander getrennt, welche unter normalen Umständen nicht überbrückt werden kann. Elektronen können aus dem Valenzband nicht in das Leitungsband überwechseln. Aus diesem Grund stehen keine freien Ladungsträger zur Verfügung, das Material ist damit elektrisch nicht leitfähig. Ein Isolator.	> 3 ... 7 eV

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