Leiter vs. Halbleiter vs. Isolator: Bandlücke, Widerstand, Temperatur
Ob ein Material Leiter, Halbleiter oder Isolator ist, hängt davon ab, wie viele Elektronen für den Stromtransport zur Verfügung stehen, und das lässt sich mit der Bandstruktur erklären. In Metallen ist das Leitungsband teilweise mit Elektronen besetzt, sodass von vornherein viele freie Elektronen vorhanden sind. Isolatoren haben eine große Bandlücke, sodass bei Raumtemperatur kaum Elektronen ins Leitungsband gelangen. Halbleiter liegen dazwischen: Mit einer moderaten Bandlücke um 1 eV lässt sich ihre Leitfähigkeit durch Temperatur, Licht und Dotierung stark verändern.
| Merkmal | Leiter (Metall) | Halbleiter | Isolator |
|---|---|---|---|
| Bandstruktur | Leitungsband teilweise mit Elektronen besetzt (oder Valenz- und Leitungsband überlappen sich) | Valenzband voll besetzt, mit einer moderaten Bandlücke zum Leitungsband | Valenzband voll besetzt, mit einer großen Bandlücke zum Leitungsband |
| Bandlücke (Richtwert) | Keine | Häufig um 1 eV (Si etwa 1,12 eV, Ge etwa 0,66 eV, GaAs etwa 1,42 eV). Es gibt auch Halbleiter mit großer Bandlücke über 3 eV wie SiC und GaN | Groß (SiO2 etwa 9 eV) |
| Spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur (Richtwert) | Sehr niedrig (Kupfer etwa 1,7×10⁻⁶ Ω·cm) | Mittel, ändert sich je nach Dotierung um viele Größenordnungen (reines Silizium im Bereich von 10⁵ Ω·cm) | Sehr hoch (SiO2 u. Ä. 10¹⁴ Ω·cm und mehr) |
| Ladungsträger | Freie Elektronen, mehr als 10²² pro cm³ (Kupfer etwa 8,5×10²²) | Zwei Arten: Elektronen im Leitungsband und Löcher im Valenzband. Die Dichte lässt sich durch Dotierung stark verändern | Praktisch keine |
| Bei steigender Temperatur | Der Widerstand steigt (mehr Streuung an Gitterschwingungen) | Bei reinen Halbleitern sinkt der Widerstand stark (thermisch erzeugte Ladungsträger nehmen rasch zu) | Der Widerstand bleibt sehr hoch, sinkt bei hohen Temperaturen aber leicht |
| Bei Zugabe von Fremdatomen | Die Leitfähigkeit ändert sich kaum (der Widerstand steigt leicht) | Schon kleinste Mengen ändern die Leitfähigkeit um viele Größenordnungen; n- und p-Typ lassen sich gezielt herstellen | Die Isolationsfähigkeit muss erhalten bleiben; Verunreinigungen und Defekte verursachen Leckströme |
| Bei Lichteinfall | Kaum Veränderung | Licht mit einer Energie oberhalb der Bandlücke erzeugt Ladungsträger, der Strom steigt (Photoleitung) | Bei sichtbarem Licht kaum Veränderung (SiO2 ist für sichtbares Licht durchlässig) |
| Typische Materialien | Kupfer, Aluminium, Gold, Wolfram | Silizium, Germanium, GaAs, SiC, GaN | SiO2, Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3), Kunstharze |
| Rolle in Halbleiterbauelementen | Leiterbahnen, Elektroden, Kontakte, Bonddrähte | Die stromsteuernden Teile wie Transistoren und Dioden | Gate-Dielektrikum, Zwischenschicht-Dielektrikum zwischen Leiterbahnen, Bauelementisolation, Schutzschichten |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.