Die grundlegenden Merkmalen von Halbleitern lassen sich anhand des Bändermodells erklären: Die Elektronen in Festkörpern wechselwirken über sehr viele Atomabstände hinweg miteinander. Dies führt faktisch zu einer Aufweitung der (im Einzelatom noch als diskrete Niveaus vorliegenden) möglichen Energiewerte zu ausgedehnten Energiebereichen, den so genannten Energiebändern . Zwischen den Bändern bestehen Energiebereiche, in der nach der Quantenmechanik keine erlaubten Zustände existieren, die Energie- oder Bandlücke. Solche Lücken können die Elektronen nicht besetzen.

Unbesetzte Bänder können mangels beweglicher Ladungsträger keinen elektrischen Strom leiten. In voll besetzten Bändern weisen die Ladungsträger ebenfalls keine Beweglichkeit auf, da sie mangels erreichbarer freier Zustände keine Energie aufnehmen können. Ca. in teilbesetzten Bändern treten Elektronen mit einer hohen Beweglichkeit auf, wie es bei Metallen der Fall ist.

Aufgrund ihrer Kristallstruktur ist bei Halbleitern nahe des absoluten Nullpunktes der Temperaturskala das oberste Energieband (Valenzband) voll besetzt, das nächsthöhere Band (Leitungsband) hingegen leer. Das Ferminiveau liegt also exakt in der Bandlücke; die elektrische Leitfähigkeit ist null (wie bei einem Isolator). Die Bandlücke ist bei Halbleitern in dem Gegensatz zu Isolatoren jedoch relativ klein (InAs : ~0,4 eV, Ge: ~0,7 eV, Si: ~1,2 eV, GaAs: ~1,5 eV, Diamant: ~5,5 eV), so dass z. B. durch die Energie der Wärmeschwingungen oder durch Absorption von Licht Elektronen vom vollbesetzten Valenzband in das Leitungsband angeregt werden können. Halbleiter haben also eine mit der Temperatur zunehmende elektrische Leitfähigkeit, bzw. einen mit der Temperatur abnehmenden elektrischen Widerstand. Darum bezeichnet man Halbleiter auch Heißleiter oder NTC-Widerstände.

Wird, wie oben beschrieben, ein Elektron aus dem Valenzbandins Leitungsband angeregt, so hinterlässt es an seiner ursprünglichen Stelle ein Defektelektron auch Loch genannt. Gebundene Valenzelektronen in der Nachbarschaft solcher Löcher können durch Platzwechsel in ein Loch "springen", hierbei wandert das Loch. Es kann daher als positive Ladung aufgefasst werden.

Elektronen aus dem Leitungsband können auch wieder mit den Defektelektronen rekombinieren (Elektron-Loch-Rekombination). Dieser Übergang zwischen den beteiligten Niveaus kann unter Abgabe von elektromagnetischer Rekombinationsstrahlung (Photon) und/oder unter der Abgabe eines Impulses an das Kristallgitter (Phonon) erfolgen.

Sowohl die angeregten Elektronen, als auch die Defektelektronen tragen also zur elektrischen Leitung bei.

Die Dichte freier Elektronen und Löcher in reinen, d.h. undotierten Halbleitern bezeichnet man intrinsische Ladungsträgerdichte, ein reiner Halbleiter wird darum auch intrinsischer Halbleiter genannt.

Durch gezielte Verunreinigung eines Halbleiters mit Fremdatomen, das so genannte Dotieren, kann ein Überschuss oder Mangel von Elektronen gezielt herbeigeführt werden: Werden Fremdatome, die ein Elektron mehr in dem Valenzband haben als der reine Halbleiter, in einen Halbleiter eingebracht, so bringt jedes dieser Fremdatome ein Elektron mit, das nicht für die Bindung benötigt wird und leicht abgelöst werden kann. In dem Bänderschema liegt ein solches Elektron nahe unter der Leitungsbandkante. Ein Fremdatom, das ein Elektron abgibt, wird Donator genannt. Analog bringen Fremdatome, die ein Elektron weniger in dem Valenzband haben, ein zusätzliches Defektelektron mit, welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann. In dem Bänderschema liegt ein solches Loch nahe über der Valenzbandkante. Ein Fremdatom, welches ein Loch "abgibt", also ein Elektron aufnimmt, wird Akzeptor genannt.

Bei Dotierung mit Donatoren sorgen vorwiegend die Elektronen in dem Leitungsband, bei Dotierung mit Akzeptoren die gedachten, positiv geladenen Löcher in dem Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. In dem ersten Fall spricht man von Elektronen-, in dem anderen Fall von Löcherleitung. Halbleiterbereiche mit Elektronenüberschuss bezeichnet man als n-dotiert, solche mit Mangel als p-dotiert.

Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen (siehe P-n-Ãœbergang) kann man einzelne, so genannte diskrete, Halbleiterbauelemente wie Dioden und Transistoren und komplexe, aus vielen Bauelementen in einem einzigen Kristall aufgebaute integrierte Schaltungen oder Mikrochips aufbauen.

Man teilt Halbleiter in zwei Gruppen ein, die direkten und die indirekten Halbleiter. Ihre unterschiedlichen Merkmalen lassen sich ca. durch die Betrachtung der Bänderstruktur in dem sogenannten Impulsraum verstehen: Freie Ladungsträger in dem Halbleiter lassen sich als Materiewellen mit einem Quasi-Impuls auffassen, das heißt die Ladungsträger werden neben ihrem Energieniveau in dem Bänderschema auch durch ihre "Geschwindigkeit" (Impuls = Masse * Geschwindigkeit) charakterisiert.

Betrachtet man nun das Bändermodell in dem Impulsraum, so stellt man fest, dass Leitungs- und Valenzbandkante nicht für jeden Impuls gleich ist, sondern dass beide Bandkanten mindestens ein Extremum aufweisen. Wenn nun ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt wird, so ist es am energetisch günstigsten (und somit am wahrscheinlichsten), wenn es vom Maximum des Valenzbandes zu dem Minimum des Leitungsbandes angeregt wird.

Liegen diese Extrema nun (nahezu) beim gleichen Quasiimpuls, so ist eine Anregung z.B. durch ein Photon ohne Weiteres möglich, da das Elektron lediglich seine Energie, nicht aber seinen Impuls ändern muss. Man spricht von einem direkten Halbleiter. Liegen die Extrema jedoch bei unterschiedlichen Quasiimpulsen, so muss das Elektron zusätzlich zu seiner Energie auch seinen Impuls ändern, um in das Leitungsband angeregt zu werden. Dieser Impuls kann nicht von einem Photon (welches einen sehr kleinen Impuls hat) stammen, sondern muss von einer Gitterschwingung (auch Phonon) beigesteuert werden.

Bei der Rekombination von Elektronen-Loch-Paaren gilt in dem Prinzip dasselbe. In einem direkten Halbleiter kann bei der Rekombination ein Lichtquant ausgesandt werden. Bei einem indirekten Halbleiter hingegen wird die bei der Rekombination freiwerdende Energie als Gitterschwingung abgegeben. Hieraus folgt, dass ca. direkte Halbleiter zur effektiven Strahlungserzeugung benutzt werden können.

Direkte und Indirekte Halbleiter kann man mittels Absorptionsversuch voneinander unterscheiden.

In der Regel sind Elementhalbleiter (Si, Ge) und Verbindungshalbeiter aus der IV. Hauptgruppe indirekt, und Verbindungshalbleiter aus verschiedenen Hauptgruppen (III/V: GaAs, InP, GaN) direkt.

Man unterscheidet vier chemische Bindungstypen:
1.) Heteropolare Bindung
2.) Homopolare Bindung
3.) Van-der-Waals-Bindung
4.) Metallbindung
Die Übergänge zwischen diesen vier Bindungstypen sind fließend.

Semimagnetische Halbleiter sind Stoffe, die eine Bandlücke in dem eV-Bereich besitzen. Ihre Elektrische Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig. Bei 0 Kelvin ist die elektrische Leitfähigkeit gleich Null.

Semimagnetische Halbleiter gehören zur wichtigen Gruppe der Verbindungshalbleiter oder Compound Semiconductor . Es handelt sich um Verbindungen aus Elementen der II und VI bzw. III-IV Hauptgruppe des Periodensystems, bei denen ein Ion durch z. B. Mangan (Mangan ist magnetisch) ersetzt wurde. Eine charakteristisches Merkmal dieser semimagnetischen Halbleiter ist die große Zeeman-Aufspaltung . Eigentlich bezeichnet man semimagnetische Halbleiter diluted magnetic semiconductors, da sie magnetisch verdünnt sind.

• Britney Spears guide to Semiconductor Physics (http://britneyspears.ac/lasers.htm)
• Power Semiconductors (http://www.abb.com/global/abbzh/abbzh251.nsf!OpenDatabase&db=/global/gad/gad02077.nsf&v=2B9A&e=us&c=DDD8F9C472621E5FC1256DDA002DBEA3)
• http://www.et.htwk-leipzig.de/kontakte/Fechner/projekte/physik/leitung/halbleit.htm
• Grundlagen und weiterführende Informationen zu Halbleitertechnologien (http://www.halbleiter.org/)

Siehe auch: Kategorie:Elektronik, Kategorie:Elektrische Bauelemente