Leiter, Halbleiter sind Begriffe, welche Du sicher schon einmal gehört hast. Vielleicht ist Dir auch der Supraleiter zu Ohren gekommen. Doch was sind diese drei Dinge? Was sind Ihre Gemeinsamkeiten und was Ihre Unterschiede und Besonderheiten? Diesen Fragen wollen wir hier auf den Grund gehen und Dir einen Einstieg in diese wichtigen Begrifflichkeiten geben.
Was sind Leiter?
Leiter sind eine Kategorie von Materialien, die Elektronen leicht fließen lassen (was als Elektrizität bezeichnet wird und ein nützlicher Weg ist, um Energie zu transportieren) Die meisten Leiter sind Metalle, und die meisten Metalle sind Leiter, aber einige Metalle sind bessere Leiter als andere. Kupfer und Aluminium sind beide ausgezeichnete Leiter und gut geeignet für die Herstellung von Drähten aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und Ihres geringen spezifischen Widerstandes.
Einige Metalle wie Kupfer, Aluminium und Gold sind sehr weich und formbar, d.h. sie lassen sich leicht zu Drähten formen.
Auf atomarer Ebene zeigen Leiter nur wenig Widerstand gegen elektrischen Strom. Deshalb wird weniger Energie benötigt, um freie Elektronen zu erzeugen, was bedeutet, dass die Anzahl der Elektronen in ihrer Gesamtheit sehr hoch ist.
Was sind Halbleiter?
Ein Halbleiter ist ein Element oder eine Verbindung, die unter bestimmten Bedingungen Elektrizität leitet, unter anderen jedoch nicht. Diese Eigenschaft, weder ein guter Isolator noch ein guter Leiter zu sein, macht Halbleiter nützlich für die Kontrolle des elektrischen Stroms. Die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt von einer Vielzahl von Bedingungen ab, einschließlich der angelegten Spannung oder des Stroms oder der Intensität der Infrarotstrahlung, der ultravioletten Strahlung oder des sichtbaren Lichts auf der Oberfläche. Aus diesem Grund werden Halbleiter unter andrem zur Herstellung von Photovoltaikanlagen verwendet.
Es gibt viele verschiedene Elemente, die Halbleiter sind. Da diese Materialien weder dazu neigen, Elektronen zu verlieren, also freie Elektronen zu erzeugen, noch zu gewinnen, enthalten ihre Valenzschalen in der Regel vier Elektronen. Zu den elementaren Halbleitern (Materialien mit nur einem Element) gehören Antimon, Arsen, Bor, Kohlenstoff, Germanium, Selen, Silizium, Schwefel und Tellur. Am bekanntesten ist Silizium, da es die Grundlage für eine Vielzahl von elektrischen Schaltkreisen bildet.
Eigenschaften von Halbleitern
Die Tatsache, dass Halbleiter vier Elektronen in ihrer Valenzschale haben, bedeutet, dass sie mit vier benachbarten Atomen “perfekte” kovalente Bindungen bilden. Dadurch entsteht eine Kristallgitterstruktur. In diesem reinen Gitter können keine freien Elektronen Strom leiten. Aus diesem Grund entsteht ein echter Halbleiter, wenn sich in einer Kristallstruktur Verunreinigungen befinden, und es sind diese Verunreinigungen, die dem Material seine besonderen Eigenschaften verleihen.
Die spezifischen Eigenschaften von Halbleitern hängen stark von ihren Verunreinigungen oder Dotierungen ab. N-Typ-Halbleiter tragen Strom hauptsächlich in Form von negativ geladenen Elektronen, während P-Typ-Halbleiter Ladungsträger haben, die als Elektronenlöcher bezeichnet werden. Diese Löcher sind positiv geladen. Eine geringe Menge beider Dotierungsarten kann einen Halbleiterkristall in einen funktionsfähigen Leiter verwandeln – man spricht daher von einem Halbleiter.
Neben diesen Eigenschaften haben Halbleiter eine hohe Anzahl von Atomen pro Volumeneinheit.
Einsatz von Halbleitern
Dioden sind die einfachsten Bauelemente, die mit Halbleitern hergestellt werden können. In Dioden kann Strom in eine Richtung fließen, aber nicht in die andere. Dieses Bauelement entsteht, wenn ein P-Typ und ein N-Typ-Halbleiter zusammengesetzt werden. Die Kombination dieser Halbleiter leitet selbst keinen Strom. Stattdessen werden negative Elektronen von einer Seite an den positiven Pol einer Batterie angezogen und Strom kann fließen, wenn eine Batterie angeschlossen wird. Wenn die Batterie jedoch umgedreht und in der entgegengesetzten Richtung angeschlossen wird, fließt kein Strom, weil es keine Bewegung der Elektronen über den P-N-Übergang gibt, weil die Elektronen sich direkt durch den Draht zur Batterie bewegen, anstatt den Spalt zu überqueren.
Dioden werden in vielen Schaltkreisen verwendet und sind außerdem Bestandteil von Leuchtdioden(LEDs), die immer häufiger in der Wohnraumbeleuchtung eingesetzt werden. Eine weitere wichtige Verwendung eines P-N-Übergangs und von Halbleitern ist in Photovoltaikzellen, dem Hauptbestandteil von Solarpanels. Diese Solarzellen ermöglichen die Umwandlung der Sonnenenergie in Elektrizität.
Transistoren sind ein weiteres Gerät, das Halbleiter verwendet. Bei Transistoren gibt es drei Schichten aus Halbleitermaterial, die ein “Sandwich” mit zwei ähnlichen Arten von Halbleitern (N-Typ oder P-Typ) bilden, die ein Halbleitermaterial des anderen Typs umgeben. In einem Schaltkreis fließt kein Strom durch einen Transistor, da zwei Back-to-Back-Dioden den Strom in beiden Richtungen blockieren. Wird jedoch ein kleiner Strom an die Mitte eines Transistors angelegt, kann Strom durch das gesamte Sandwich fließen. Daher wirken Transistoren als “Schalter”.
Transistoren sind in Mikroprozessor-Chips weit verbreitet und finden sich in Mobiltelefonen und Computern.
Was sind Supraleiter?
Ein Supraleiter ist ein Material, das absolut keinen elektrischen Widerstand hat (0 Ω) und interessante Wechselwirkungen mit Magnetfeldern aufweist. Er kann Strom übertragen, ohne dass dabei Abwärme entsteht. Dieses Material muss unter eine kritische Temperatur gekühlt werden, welche in der Regel sehr kalt ist. Für die meisten Materialien liegt die kritische Temperatur bei einigen Kelvin (einige Grad über dem absoluten Nullpunkt). Einige Materialien haben eine kritische Temperatur von bis zu 125K bzw. -148°C.
Diese Materialien können zwar zur Energiespeicherung verwendet werden, aber es ist unwahrscheinlich, dass sie in nächster Zeit für die Übertragung von Strom über große Entfernungen im Stromnetz verwendet werden, da es schwierig ist, Tausende von Kilometern von Übertragungsleitungen zu kühlen.
Seltsamerweise sind Supraleiter oberhalb ihrer kritischen Temperaturen oft nicht einmal Leiter.