Wie Halbleiter die Messtechnik veränderten
„Halbleiter“ – Ein Begriff, der in den letzten Jahren zunehmend in aller Munde war; und das zurecht. Seit deren Aufkommen in den 1950er-Jahren, haben Halbleiter unsere Welt, allen voran die Messtechnik, grundlegend verändert. In diesem Blogpost wollen wir Ihnen erklären, was Halbleiter eigentlich so besonders macht und warum Sie so vielseitig einsetzbar sind.
Was sind Halbleiter?
Es gibt Metalle, welche Strom problemlos leiten, und es gibt Isolatoren, welche Strom nicht leiten. Doch wie kann man den Unterschied zwischen Leitern und Nichtleitern physikalisch erklären? Um dies zu tun, muss man den Begriff der Leitungs- und Valenzelektronen einführen. Leitungselektronen sind Elektronen, die nicht an ein Atom gebunden sind und sich frei im Material bewegen können. Genau diese Leitungselektronen sind für die elektrische Leitfähigkeit von Metallen verantwortlich. Metalle besitzen nämlich sehr viele Leitungselektronen und sind daher gute Leiter. Isolatoren besitzen im Gegensatz dazu keine Leitungselektronen und können deshalb Strom nicht leiten.
Die Zahl der Leitungselektronen in einem Material ist aber nicht festgesetzt. Man kann „normale“ Elektronen (Valenzelektronen genannt) in Leitungselektronen umwandeln, indem man genug Energie bereitstellt. Mit dieser Energie können sich die Valenzelektronen vom Atomkern lösen und sich dann frei im Material bewegen – sie werden zu Leitungselektronen. So erklärt sich auch, dass bei sehr hohen Spannungen sogar Isolatoren Strom leiten können. In diesem Fall wird den Valenzelektronen so viel Energie zugeführt, dass sie zu Leitungselektronen werden.
Halbleiter sind nun Materialien, die einen Mittelweg zwischen Metallen und Isolatoren darstellen. Halbleiter haben eine geringe Menge an Leitungselektronen (sie sind daher schlechte Leiter). Im Gegensatz zu Isolatoren, benötigt es aber sehr wenig Energie, um weitere Leitungselektronen zu erzeugen. Schon die thermische Energie bei Raumtemperatur reicht aus, um eine beträchtliche Menge an Elektronen vom Valenzband (wo Valenzelektronen leben) in das Leitungsband (wo Leitungselektronen leben) zu befördern. Auch sichtbares Licht, wie Sonnenlicht, stellt genug Energie bereit, um Leitungselektronen zu erzeugen. Der Unterschied zwischen Leitern, Nichtleitern und Halbleitern ist in der nächsten Grafik gezeigt.
Leiter (links), Nichtleiter (Mitte), Halbleiter (rechts)
Halbleiter in der Leistungselektronik
Wie erwähnt, benötigt es sehr geringe Mengen an Energie, um weitere Leitungselektronen in Halbleitern zu erzeugen. In der Praxis führt dies zu unerwünschten Problemen. So können schon kleine Temperaturänderungen die Anzahl der Leitungselektronen und damit die Leitfähigkeit stark verändern.
Nützlich werden Halbleiter erst, wenn man den reinen Halbleiter mit Fremdatomen verunreinigt. Diesen Vorgang nennt man Dotierung. Dotiert man einen Halbleiter auf die richtige Art und Weise, und fügt verschieden dotierte Halbleiter zusammen, so kann man die Leitfähigkeit gezielt steuern.
Diese gezielte Steuerung der Leitfähigkeit ermöglicht die Verwendung eines Halbleiters als elektrischen Schalter. Viele elektrische Bauteile wie (Leucht-)Dioden, Thyristoren, Differenzverstärker oder auch Transistoren basieren auf diesem Prinzip. Kaum ein elektrisches Bauteil kommt heute noch ohne Halbleiter aus. Dies liegt vor allem daran, dass elektrische Schaltungen, welche in Zeiten vor 1950 einen Raum füllen konnten, heutzutage mit Halbleitern auf atomaren Skalen realisiert werden.
Gerade die Einführung des Halbleitertransistors (welcher die Vakuumröhre ersetzte) ermöglichte die Entwicklung moderner Computer. Durch die Verschaltung mehrerer Transistoren können nämlich mathematische Operationen ausgeführt werden. Dabei nutzt man eine clevere Kombination von Reihen- und Parallelschaltungen der Transistoren. Dies wird Schalterlogik genannte und bildet die Grundlage jedes Computerchips. Auch SSD-Speicherchips, wie sie in USB-Sticks, Handys oder PCs verbaut sind, funktionieren nur dank moderner Halbleitertechnologie.
Eine Vakuumröhre im Vergleich zu einem modernen Prozessor mit Milliarden Transistoren
Sensorik und Energieerzeugung
Nicht nur in der Digital- und Leistungselektronik spielen Halbleiter eine wichtige Rolle. Auch ein großer Teil moderner Sensoren baut auf Halbleitern auf. Ein paar Beispiele:
- Hallsensoren: Aufgrund der oft geringen Anzahl an Leitungselektronen eignen sich Halbleiter perfekt für Hallsensoren. Die Stärke der Hallspannung ist nämlich größer, wenn weniger Leitungselektronen vorhanden sind. Einen eigenen Blogpost über Hallsensoren finden sie hier.
- Dehnmessstreifen: Auch einige Dehnmesstreifen nutzen Halbleiter als Grundmaterial. Dies liegt am ausgeprägten piezoelektrischen Effekt, der bei Verformung eine messbare Spannung erzeugt. Sowohl zum piezoelektrischen Effekt, als auch zu Dehnmessstreifen haben wir Blogposts verfasst.
- Temperatursensoren: Da die Leitfähigkeit von Halbleitern sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert, eignen Sie sich optimal als Temperatursensoren.
- Fotodetektor: Fotodetektoren (Lichtsensoren) gibt es in unterschiedlichsten Ausführungen. Egal ob als CCD-Kamerasensor, Fototransistor oder Photowiderstand – fast immer sind Halbleiter die Grundlage. Bei dieser Art von Sensoren reicht schon die Energie des einfallenden Lichts, um Leitungselektronen zu erzeugen. Diese führen zu einer messbaren Änderung der Leitfähigkeit.
Das Prinzip des Fotodetektors kann ebenfalls zur Energieerzeugung genutzt werden. Photovoltaikanlagen, welche Energie aus Sonnenlicht erzeugen, nutzen denselben Effekt. Durch das eintreffende Sonnenlicht werden Leitungselektronen erzeugt. Ist der Halbleiter richtig dotiert, kann man die Energie dieser Leitungselektronen entsprechen nutzen. Einen Blogpost zu Photovoltaik können Sie hier finden.
Innovate today – succeed tomorrow
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