Halbleiter, Diode und LED

Ohne Halbleiter gäbe es keine Handys, keine Computer und keine LED-Lampen. Das Besondere an ihnen: Man kann sehr genau steuern, ob und in welche Richtung sie Strom leiten.

Leiter, Isolatoren – und Halbleiter

Metalle leiten Strom sehr gut, Kunststoff oder Glas fast gar nicht. Halbleiter wie Silizium und Germanium liegen dazwischen: Bei tiefen Temperaturen sind sie fast Isolatoren, bei Erwärmung oder Licht werden sie leitfähiger. Anders als bei Metallen sinkt ihr Widerstand mit steigender Temperatur – das nutzt man in Temperatursensoren (Heißleiter) und Fotowiderständen (LDR).

Dotieren: n- und p-Halbleiter

• Reines Silizium hat kaum freie Ladungsträger. Baut man wenige Fremdatome mit einem Elektron mehr ein (z. B. Phosphor), entstehen freie Elektronen: ein n-Halbleiter (n wie negativ).
• Mit Fremdatomen mit einem Elektron weniger (z. B. Bor) entstehen Lücken, sogenannte Löcher, die sich wie positive Ladungen bewegen: ein p-Halbleiter.
• Schon ein Fremdatom auf eine Million Siliziumatome ändert die Leitfähigkeit enorm.

Die Diode – ein Ventil für Strom

Bringt man p- und n-Halbleiter zusammen, entsteht an der Grenze ein pn-Übergang. Dort wandern Elektronen in die Löcher und es entsteht eine ladungsträgerarme Sperrschicht. Das Bauteil heißt Diode:

• Durchlassrichtung (+ am p-Gebiet, der Anode): Ab der Schwellenspannung (Silizium ≈ 0,7 V) wird die Sperrschicht abgebaut, es fließt Strom.
• Sperrrichtung (+ am n-Gebiet, der Kathode): Die Sperrschicht wird breiter, es fließt praktisch kein Strom.

Im Schaltzeichen zeigt die Pfeilspitze die technische Stromrichtung in Durchlassrichtung, der Strich markiert die Kathode (auf dem Bauteil ein Ring). Dioden schützen Schaltungen vor falsch gepolten Batterien und machen aus Wechselstrom Gleichstrom (Gleichrichter).

Die Leuchtdiode (LED)

In einer LED geben Elektronen am pn-Übergang ihre Energie direkt als Licht ab. Die Farbe hängt vom Halbleitermaterial ab – und damit auch die Durchlassspannung: rote LEDs etwa 2 V, blaue und weiße etwa 3 V. Weiße LEDs sind meist blaue LEDs mit einer Leuchtschicht, die einen Teil des Lichts in Gelb umwandelt.

• LEDs wandeln viel mehr Energie in Licht um als Glühlampen: Eine 8-W-LED ist so hell wie eine 60-W-Glühlampe.
• Eine LED braucht immer einen Vorwiderstand oder eine Stromregelung, sonst brennt sie durch. Den passenden Wert liefert der LED-Vorwiderstand-Rechner.

Solarzelle – die umgekehrte LED

Fällt Licht auf einen großen pn-Übergang, werden Elektronen freigesetzt und durch die Sperrschicht getrennt: Es entsteht eine Spannung von etwa 0,5 V pro Siliziumzelle. Viele Zellen in Reihe ergeben ein Solarmodul.

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