Prof. Dr. Thorsten Jungmann (Stand 2025-09-02)
Halbleiter sind eine Werkstoffklasse mit elektrischen Eigenschaften zwischen Leitern und Isolatoren. Typische Halbleitermaterialien sind Silizium (Si), Germanium (Ge) oder Galliumarsenid (GaAs). Sie bilden die Grundlage nahezu aller modernen elektronischen Bauelemente. Durch gezielte Dotierung – das Einbringen kleinster Mengen Fremdatome, z. B. Bor oder Phosphor – lassen sich ihre Leitfähigkeit und ihr elektrisches Verhalten präzise einstellen. Aus Halbleitern entstehen Bauelemente wie Dioden, Transistoren, Leuchtdioden oder integrierte Schaltkreise.
1 Wie sieht er aus?
Reiner Halbleiterwerkstoff liegt meist als silbrig glänzender Kristall oder als dünner, kreisrunder Wafer (Ausgangswerkstück der Chipfertigung) vor, der mehrere Zentimeter bis über 30 cm Durchmesser haben kann. Die Oberfläche wirkt glatt und spiegelartig.
Fertige Halbleiterbauelemente sind dagegen in kleine Kunststoff-, Glas- oder Keramikgehäuse verpackt, aus denen Kontaktpins oder Metallflächen herausgeführt sind. Das Erscheinungsbild reicht von winzigen Glasdioden über Transistoren im runden Metall- oder TO-Gehäuse bis zu quaderförmigen ICs mit vielen Pins.
Silizium-Kristall
Enricoros at English Wikipedia, Public domain, via Wikimedia Commons
Wafer mit integrierten Schaltkreisen
(Quelle: RbkJnkRt, Public domain, via Wikimedia Commons)
Feld-, Wald- und Wiesendiode
Nahaufnahme einer Siliziumdiode. Die Anode (+) befindet sich auf der rechten Seite, die Kathode (-) auf der linken Seite (gekennzeichnet durch einen schwarzen Streifen). Zwischen den beiden Anschlüssen ist ein quadratischer Siliziumkristall zu sehen.
(Quelle: John Maushammer; The original uploader was Morcheeba at English Wikipedia., CC BY-SA 2.5 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5, via Wikimedia Commons)
Integrierter Schaltkreis (IC)
Ein 74HC132 im SOIC-14. Funktion: 4 × 2-Eingang-NAND mit Schmitt-Trigger-Eingängen (CMOS-Logik). Zweck: Entprellen, Signalaufbereitung mit Hysterese.
2 Was kann er?
Halbleiter können je nach Dotierung Strom leiten oder sperren. Jeweils nicht ganz so gut wie Leiter oder Isolator, aber technisch durchaus nutzbar. Damit übernehmen sie Steuer- und Schaltfunktionen, Gleichrichtung, Verstärkung oder Lichtemission. Beispiele:
- Dioden leiten Strom nur in einer Richtung.
- Transistoren verstärken Signale oder schalten Ströme.
- LEDs wandeln Strom in Licht um.
- Integrierte Schaltkreise enthalten Millionen solcher Funktionen auf kleinstem Raum.
3 Wie funktioniert er?
Die Funktion beruht auf der besonderen Bandstruktur von Halbleitern. Im reinen Zustand ist die Zahl der freien Ladungsträger gering. Durch Dotierung entstehen gezielt Elektronenüberschüsse (n-Leitung) oder Elektronenmangel, sprich „Löcher“ (p-Leitung). An Grenzflächen (pn-Übergang) bildet sich eine elektrische Sperrschicht, deren elektrisches Verhalten von außen steuerbar ist. So werden Gleichrichterdioden, Leuchtdioden oder die Steuerstrecken von Transistoren möglich.
4 Wie sieht er von innen aus?
Im Inneren eines Halbleiterbauelements befindet sich ein kleiner Kristallchip (Die), meist aus Silizium. Dieser ist mit Dotierungszonen und ggf. metallisierten Kontaktflächen versehen. Der Chip ist auf ein Trägermaterial montiert und über feine Bonddrähte oder Metallkontakte mit den Anschlussbeinchen verbunden. Ein Gehäuse schützt den Chip vor Feuchtigkeit, Staub und mechanischen Einflüssen.
5 Welche Rolle spielt er in der Lehre?
Halbleiter sind unverzichtbar für das Verständnis der modernen Elektronik. Sie zeigen, wie sich aus einem Werkstoff durch gezielte physikalische Veränderungen funktionale Bauelemente herstellen lassen. In der Lehre sind sie Ausgangspunkt für Themen wie Gleichrichtung, Transistorschaltungen, Logikgatter oder Mikroprozessoren. In den elektrotechnischen Grundlagen beschränkt sich ihre Rolle auf ihre Eigenschaft als nicht-linearer Widerstand sowie auf die LED.
6 Welche Rolle spielt er in der Praxis?
Nahezu jedes elektronische Gerät enthält auf Halbleiter: vom Ladegerät über Computer und Smartphones bis hin zu Solarmodulen und Leistungselektronik in der Energietechnik. Halbleiter bestimmen heute, wie klein, leistungsfähig und energieeffizient Geräte sind. Ohne Halbleiter gäbe es keine moderne Informations- und Kommunikationstechnik, keine erneuerbaren Energien in der aktuellen Form und keine Automatisierungstechnik.
Symbolik
Kennbuchstaben in Schaltplänen
- Diode, auch LED: D
- Integrierter Schaltkreis (IC): K
- Leistungsschalter, IGBT: Q
Berechnungen
- Vorwiderstand einer LED
- nicht-linearer Widerstand
Materialkennwerte:
| Spezifischer Widerstand in | Leitfähigkeit in (Eigenleitung) | Widerstands-Temperaturkoeffizient in | |
|---|---|---|---|
| Germanium | negativ, nicht-linear | ||
| Silizium | negativ, nicht-linear | ||
| Die Werte sind gerundet und gelten bei Raumtemperatur () und Atmosphärendruck (). |