Leistungselektronik Grundlagen Bandlücke

Die Bandlücke gibt Auskunft darüber, ob es sich um einen Leiter, Halbleiter oder Isolator handelt. Doch warum ist das so wichtig und wie beeinflussen Fremdatome im Halbleiter die Materialeigenschaften so, dass man ihn ein- oder ausschalten kann?

In der Physik und Materialwissenschaft bezeichnet die Bandlücke (oder engl. Bandgap) den Energiebereich in einem Festkörper, in welchem keine Elektronenzustände existieren. Mit anderen Worten: es ist der Abstand zwischen dem höchsten Energieniveau eines Elektrons im Valenzband und dem niedrigsten Energieniveau im Leitungsband. Diese Lücke bestimmt maßgeblich, ob und wie gut ein Material elektrische Energie leiten kann.

Warum ist die Bandlücke so wichtig?

Die Bandlücke ist entscheidend dafür, ob ein Material als Leiter, Halbleiter oder Isolator fungiert:

• Leiter: Materialien wie Metalle haben keine Bandlücke. Ihre Valenz- und Leitungsbänder überlappen, was bedeutet, dass Elektronen frei fließen können. Diese Eigenschaft macht sie ideal für die Strom-Übertragung. Die Bandlücke beträgt 0 eV.

• Isolatoren: Materialien wie Glas haben eine sehr große Bandlücke. Die Elektronen in diesen Materialien haben nicht genug Energie, um von dem Valenzband in das Leitungsband zu springen, was sie zu schlechten Leitern macht. Glas hat eine Bandlücke von 9 eV.

• Halbleiter: Materialien wie Silizium haben eine moderate Bandlücke. Ihre einzigartigen Eigenschaften ermöglichen es Elektronen, unter bestimmten Bedingungen (z.B. durch Zuführung von Energie in elektrischer Form oder Licht) die Bandlücke zu überwinden und Strom zu leiten. Die Bandlücke von Silizium beträgt beispielsweise 1,1 eV.

Leistungselektronik Grundlagen

Wide Bandgap

Elektrische Leitfähigkeit in Halbleitern

In einem intrinsischen Halbleiter (reines Material, ohne Dotierung) gibt es bei Raumtemperatur nur wenige Elektronen, die durch thermische Anregung genug Energie haben, um die Bandlücke zu überwinden. Diese Elektronen wandern ins Leitungsband und hinterlassen sogenannte „Löcher“ im Valenzband. Diese Löcher können als positive Ladungsträger betrachtet werden, da andere Elektronen in das Loch springen können, wodurch sich das Loch durch das Material bewegt.

Dotierte Halbleiter

Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann durch Dotierung (Hinzufügen von Fremdatomen) erhöht werden. Es gibt zwei Haupttypen der Dotierung:

• n-Typ-Dotierung: Hierbei werden Atome mit einem zusätzlichen Elektron (z.B. Phosphor in Silizium) in den Halbleiter eingebracht. Diese zusätzlichen Elektronen erhöhen die Anzahl der freien Elektronen im Leitungsband, was die Leitfähigkeit erhöht.

• p-Typ-Dotierung: Hierbei werden Atome mit einem Elektron weniger (z.B. Bor in Silizium) in den Halbleiter eingebracht. Dies erzeugt zusätzliche Löcher im Valenzband, die als positive Ladungsträger wirken und die Leitfähigkeit erhöhen.

Die Bandlücke beeinflussen

Die Kontrolle der Bandlücke und der Dotierung ermöglicht die Herstellung verschiedener elektronischer Bauelemente wie:

• Transistoren: Beim npn-Transistor: wird eine Schicht p-dotierten Materials zwischen zwei n-dotierten Schichten eingebracht. Der pnp-Transistor: Besteht aus einer Schicht n-dotierten Materials zwischen zwei p-dotierten Schichten. Die Basis-Emitter-Spannung steuert dann den Stromfluss zwischen Kollektor und Emitter. Beim Feldeffekttransistoren (FET) hingegen nutzt man im Fall des n-Kanal-MOSFET ein p-dotiertes Substrat, n-dotierte Quellen- und Drain-Regionen. Beim p-dotierten MOSFET ist dies genau anders herum. Die Spannung am Gate steuert dann den Stromfluss zwischen Source und Drain durch das Anlegen eines elektrischen Feldes, das den Leitungsweg in der Kanalregion modifiziert.

• Dioden: Eine Diode besteht aus einem p-n-Übergang, also einem Übergang zwischen einem p-dotierten und einem n-dotierten Halbleitermaterial. Der p-Übergang wird durch die Einführung von Atomen wie Bor in Silizium hergestellt. Der n-Übergang durch die Dotierung von Atomen wie Phosphor.

• Solarzellen: Solarzellen bestehen typischerweise aus einem p-n-Übergang, ähnlich wie Dioden. Die Dotierung schafft einen p-n-Übergang, der eine Raumladungszone/Sperrschicht bildet. Wenn Licht auf die Solarzelle trifft, werden Elektronen-Loch-Paare erzeugt.

 (mr)

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