Was sind die Grundsubstanzen und Eigenschaften von Halbleitern?

Ohne das "Bändermodell" ist es schwieriger, zu erklären, was ein Halbleiter ist, ich versuche es mal.

In Metallen hat man ja die "Atomrümpfe" und einen "Elektronensee". Die Elektronen aus dem See können sich ziemlich frei bewegen, deshalb leiten Metalle den elektrischen Strom so gut. Generell nennt man ein Material mit frei beweglichen Ladungsträgern "Leiter".

In Isolatoren hängen alle Elektronen an "ihren" Atomen/Ionen fest. Stellen an anderen Atomen, die Elektronen aufnehmen könnten, liegen energetisch so weit "oberhalb", dass die Elektronen dort nicht hinkommen.

Halbleiter sind im Prinzip auch Isolatoren, allerdings gibt es hier Stellen an anderen Atomen, die Elektronen aufnehmen können, die ziemlich "niedrig" liegen. So niedrig, dass schon "thermische Energien" (Größenordnung Zehntel "Elektron-Volt") ausreichen, die Elektronen dorthin "anzuheben". Von dort können die Elektronen natürlich wieder zu "ihrem" Atom zurückspringen. Aber es kommt auch vor, dass ein anderes Atom ebenfalls ein Elektron verloren hat, und ein "angehobenes" Elektron kann zu einem anderen Atom herunterfallen als das, von dem es kommt. Damit hat das Elektron sich ein klein wenig von seiner Stelle bewegt.

(Die Stelle, von der ein Elektron weggegangen ist, nennt man "Elektronenloch" oder kurz "Loch". Ein Elektron, das "angehoben" worden ist, nennt man "Leitungselektron" oder kurz "Elektron".)

Wenn ganz, ganz viele Elektronen sich so ein Stückchen bewegen, haben wir einen elektrischen Strom, den wir messen können.

Das ist das Prinzip, wie jeder Halbleiter funktioniert.

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Zu den besonderen Eigenschaften der Halbleiter kommt man aber erst, wenn man Atome einbaut, die ursprünglich nicht im Kristall drin sind ("Fremdatome", der Vorgang heißt "Dotieren").

Diese Fremdatome haben entweder Elektronen an "höheren" Stellen als die "Eigenatome", immer noch unter den Stellen, die Elektronen aufnehmen können, oder sie haben Stellen, die Elektronen aufnehmen können, dicht über den üblichen Elektronen der "Eigenatome". Dadurch entstehen sehr viel leichter "Löcher" und "Elektronen". Durch geschickte Anordnung verschieden "dotierter" Bereiche kann man Dioden (elektrische Ventile), Transistoren (Verstärker und/oder elektrisch gesteuerte Schalte) und andere Bauelemente herstellen.

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Der erste in großem Maßstab verwendete Halbleiter war Germanium - da ist die "Energielücke" ziemlich klein.

Das verbreitetste Material ist Silicium - leicht erhältlich (Bestandteil von Quarzsand), leicht handhabbare elektrische Eigenschaften, viel geringere Verlustleistungen als Germanium u. a.

Für Spezialfälle nimmt man auch z. B. "organische" Moleküle (Moleküle, deren Gerüst im Wesentlichen eine Kette aus Kohlenstoffatomen ist). Die sind zwar teurer und gehen leichter kaputt, sind aber z. B. oft durchsichtig, lassen sich leicht für bestimmte Farben "maßschneidern" etc.

Wie der Name Halbleiter schon sagt, sind es Materialien, die sich weder den Nichtleitern (leiten nahezu keinen Strom), noch den Leitern (leiten sehr gut Strom) zuordnen lassen. Sie liegen irgendwo in der Mitte der Skala... Wirklich als Leiter sehen kann man sie nicht, der Widerstand kann schon sehr hoch sein.

Halbleiter haben im Allgemeinen die Eigenschaft, dass sie mit steigender Temperatur besser leiten - aber auch das trifft letztlich nicht auf alle Bauteile zu, die Halbleiter verwenden. Die genauen Eigenschaften hängen von vielen Faktoren ab... richtig spannend wird es sowieso erst, wen man Halbleiter gezielt verunreinigt ("dotiert"). Dann lassen sich nämlich verschiedene Effekte erzeugen, wie Licht aus Stromfluss (Leuchtdioden), Gleichrichten von Wechselspannung (Dioden), gesteuerte Widerstände (Transistoren)...

Halbleiter sind Elemente wie: Silizium, Germanium, Selen

oder Verbindungen wie: GaAs (z.B. Infrarot bis grüne Leuchtdioden), GaN (z.B. blaue Leuchtdioden)

Da steht vielleicht auch noch was ergänzendes:

https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/halbleiter

Substanzen: Holz oder Aluminium
Wichtigste Eigenschaft: immer zu kurz