Modellbahn-Elektronik
Halbleiter
Silizium (engl. Silicon) ist der Werkstoff unserer Zeit, seine Einsatzbreite reicht von der plastischen Chirurgie bis zur Nachrichtentechnik und die moderne Elektronik ist ohne ihn nicht denkbar. Silizium, ein vierwertiges Element, steht im Periodensystem der Elemente gleich unter Kohlenstoff und über Germanium. Sein natürliches Vorkommen steht dem des Kohlenstoffs nicht nach, die Kruste unseres Planeten besteht quasi daraus, denn Sand, Stein, Quarz sind Erscheinungsformen des Siliziumdioxids.
Vom Silizium-Kristall zum Halbleiter
Silizium (engl. Silicon) ist der Werkstoff unserer Zeit, seine Einsatzbreite reicht von der plastischen Chirurgie bis zur Nachrichtentechnik und die moderne Elektronik ist ohne ihn nicht denkbar. Silizium, ein vierwertiges Element, steht im Periodensystem der Elemente gleich unter Kohlenstoff und über Germanium. Sein natürliches Vorkommen steht dem des Kohlenstoffs nicht nach, die Kruste unseres Planeten besteht quasi daraus, denn Sand, Stein, Quarz sind Erscheinungsformen des Siliziumdioxids.
Da wir beim Laufen am Strand nicht permanent elektrische Schläge bekommen, liegt die Vermutung nahe, dass dieses Oxid ein Nichtleiter ist. Der Sand an sich ist auch recht profan, für die Elektronik interessant ist sein reduzierter Kern, das Silizium. Das dunkelgraue bis schwarze Mineral ist ein Halbleiter: In geschmolzenem Zustand besitzt es metallische Eigenschaften und leitet Strom. Außer Erwärmung es gibt noch weitere Möglichkeiten, Halbleiter zum Leiten zu bringen, zum Beispiel Licht oder elektromagnetische Strahlung.
Flüssiges Silizium ist nicht besonders hilfreich, weshalb man sich eines Tricks bedient, indem man das reine Silizium wieder verunreinigt.
Diese Gitterstruktur wird nun mit anderen Atomen durchsetzt, allerdings nicht mit irgendwelchen, sondern mit solchen aus der dritten und fünften Spalte des Periodensystems. Die ordentliche und ausgeglichene Vierwertigkeit des Siliziumkristalls wird damit durchbrochen, fünfwertig dotierte Kristalle besitzen einen Überschuss, dreiwertig dotierte einen Mangel an Elektronen im Kristallgitter. Mit dreiwertigen Atomen dotierte Kristalle nennt man p‑Leiter, weil sie positiv dotiert sind. Logischer Weise werden die fünfwertig dotierten Kristalle n‑Leiter genannt.
Beim n‑Kristall ist auf einigen Außenbahnen ein Elektron zu viel (negativer Ladungsüberschuss), beim p‑dotierten zu wenig (positiver Ladungsüberschuss, „Löcher“).
Die Dotierung lässt einen Stromfluss zu!
Allein die Möglichkeit, mit Dotierung Halbleiter leitfähig zu machen, wäre nicht der epochale Effekt, den die Halbleiter verursachten. Interessant wird es, wenn zwei oder mehr unterschiedlich dotierte Kristalle zusammengefügt werden.
Zwischen der p‑Schicht und der n‑Schicht besteht ein elektrisches Potential, das nach den bekannten Gesetzen des elektrischen Stromflusses auf Ausgleich drängt. Doch wir haben es hier mit Halbleitern zu tun, deren elektrische Leitfähigkeit allein von der Dotierung geliehen ist. Sobald die ersten in der n‑Schicht überflüssigen Elektronen zur p‑Schicht diffundiert sind, tritt in der Grenzschicht der beiden Kristalle der Ausgleich ein und sperrt einen weiteren Elektronenfluss.
Man kann diesen Ausgleich des Potentialgefälles von außen beeinflussen, indem an die äußeren Enden der beiden Kristalle eine elektrische Spannung angelegt wird. Je nach Polarität dieser Spannung erreichen wir damit unterschiedliche Effekte: Entweder wird der Stromfluss angeregt und unterstützt, sodass der n‑p-Übergang wie ein normaler Leiter funktioniert, oder aber die Sperrwirkung der Diffusionsschicht wird verstärkt, der Halbleiter wird zum den Stromfluss unterbindenden Nichtleiter.
Wie nützlich dieses Verhalten sein kann, lesen Sie auf den Seiten über Dioden, Leuchtdioden und Transistoren.