Leiter, Halbleiter & Nichtleiter

Wenn du an ein Stromkabel fasst, kannst du einen elektrischen Stromschlag bekommen. Obwohl durch alle möglichen Geräte und Wände Strom fließt, bekommen wir aber in der Regel keine Stromschläge. Und auch im Unterricht können wir das Kabel einfach anfassen. Das liegt daran, dass wir die Stromkabel mit Nichtleitern umhüllen, durch die kein elektrischer Strom fließen kann und die uns schützen.

Aber was sind Leiter und Nichtleiter überhaupt? Und warum gibt es etwas dazwischen, die sogenannten Halbleiter?

simpleclub erklärt es dir!

Leiter, Halbleiter & Nichtleiter einfach erklärt

Ein elektrischer Leiter ist ein Material, in dem elektrischer Strom fließen kann. Dazu benötigt er eine hohe Anzahl an frei beweglichen Ladungsträgern wie Elektronen. Gleichzeitig muss der spezifische Widerstand gering sein, der die Ladungsträger sonst ausbremsen würde.

Ein elektrischer Nichtleiter oder auch Isolator hat nur wenige bis keine frei beweglichen Ladungsträger und einen hohen spezifischen Widerstand. Durch diese Materialien kann also kein elektrischer Strom fließen.

Ein Halbleiter ist ein Stoff, der sowohl als Isolator als auch als Leiter dienen kann. Bei tiefen Temperaturen ist der Halbleiter ein Isolator, bei hohen Temperaturen wird er zum Leiter. Auch das Mischen mit anderen Stoffen, Dotierung genannt, kann die Leitfähigkeit beeinflussen.

Leiter, Halbleiter & Nichtleiter Definition

Tipp: Vergiss nie das „elektrische“ bei elektrischer Leiter, damit ganz klar ist, was du meinst!

Leiter Funktionsweise Erklärung

Elektrischer Strom meint die Bewegung von Ladungsträgern wie Elektronen. Damit also ein Strom fließt, müssen beispielsweise Elektronen bewegt werden können.

Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Die Atome wiederum besitzen Elektronen. Nicht alle Stoffe geben ihre Elektronen aber einfach so ab, damit sie durch den ganzen Stoff bewegt werden können. Je nachdem, woraus das Material besteht, gibt es also mehr oder weniger freie Elektronen.

Leiter besitzen viele freie Elektronen. Das heißt, dass viele Elektronen bewegt werden können und ein Strom fließen kann.

Elektrische Leitfähigkeit & spezifischer Widerstand

Damit man genau bestimmen kann, wie gut ein Material leitet, gibt es einen Messwert dafür: die elektrische Leitfähigkeit \kappa$\kappa$. Die Einheit der Leitfähigkeit ist Siemens pro Meter \frac{\text{S}}{\text{m}}$\frac{\text{S}}{\text{m}}$.

Je höher die elektrische Leitfähigkeit \kappa$\kappa$ ist, desto besser leitet ein Stoff. Leiter haben also eine hohe elektrische Leitfähigkeit.

Neben der Anzahl freier Elektronen spielt aber auch der spezifische Widerstand \rho$\rho$ eine Rolle. Dieser bremst die Ladungsträger zum Beispiel durch Stöße mit Atomen. Der Widerstand kann also auch einen Strom verringern oder sogar verhindern, wenn er zu groß ist.

Der \col[2] {\textsf{spezifische Widerstand } \rho}$\col[2] {\textsf{spezifische Widerstand } \rho}$ kann über die \col[5]{ \textsf{Länge des Leiters }l}$\col[5]{ \textsf{Länge des Leiters }l}$, die \col[3]{\textsf{Fläche des Querschnitts } A}$\col[3]{\textsf{Fläche des Querschnitts } A}$ und den \col[4]{\textsf{elektrischen Widerstand }R}$\col[4]{\textsf{elektrischen Widerstand }R}$ berechnet werden. Die Einheit heißt Ohm mal Meter [\Omega \cdot \text{m}$\Omega \cdot \text{m}$].

Elektrische Leiter Beispiele & Anwendung

Vor allem Metalle sind elektrische Leiter:

• Silber (6,1 \cdot 10^7 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$6,1 \cdot 10^7 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$)
• Kupfer (5,8 \cdot 10^7 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$5,8 \cdot 10^7 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$)
• Gold (4,5 \cdot 10^7 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$4,5 \cdot 10^7 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$)
• Aluminium (3,7 \cdot 10^7 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$3,7 \cdot 10^7 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$)
• Eisen (1,0 \cdot 10^7 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$1,0 \cdot 10^7 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$)
• Quecksilber (1,0 \cdot 10^6 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$1,0 \cdot 10^6 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$)

Erinnerung: Je höher die Leitfähigkeit \kappa$\kappa$ in den Klammern ist, desto besser leitet das Material.

Wir nutzen elektrische Leiter überall im Alltag. Sie dienen zum Beispiel als Kernmaterial für Stromkabel oder in elektrischen Geräten, um Strom zu leiten. Sie können aber auch geschickt als Blitzableiter an Häusern oder zur Gewinnung bestimmter Stoffe eingesetzt werden.

Nichtleiter Funktionsweise Erklärung

In Nichtleitern gibt es nur wenige oder keine freien Elektronen, die bewegt werden können. Es kann also kein Strom fließen.

Ein zweiter Grund, aus dem ein Material nicht leitet, ist der spezifische Widerstand. Selbst wenn das Material also ein paar freie Ladungsträger hat, werden diese immer wieder so stark ausgebremst, dass kein Strom fließt.

Elektrische Nichtleiter Beispiele & Anwendung

Isolatoren müssen eine elektrische Leitfähigkeit von weniger als \kappa =1 \cdot 10^{-8} ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$\kappa =1 \cdot 10^{-8} ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$ haben. Das ist eine Zahl kleiner als 0,00000001~\frac{\text{S}}{\text{m}}$0,00000001~\frac{\text{S}}{\text{m}}$. Dazu zählen:

• Gase (z.B. Luft, Sauerstoff & Argon)
• Destilliertes Wasser
• Kohlenstoffverbindungen (z.B. Diamant & Bernstein)
• Kunststoffe & Gummi
• Glas
• Keramik

Nichtleiter werden genutzt, um verschiedene Stromkabel voneinander zu trennen, aber auch um uns vor Stromschlägen zu schützen. Man findet sie deswegen oft um elektrische Kabel gewickelt. Auch Strommasten oder Antennen werden häufig durch Isolatoren abgesichert.

Halbleiter Erklärung

Halbleiter können je nach Bedingung Leiter oder Nichtleiter sein. Das hängt von verschiedenen Faktoren ab.

Sind Halbleiter in einem sogenannten stabilen Zustand, leiten sie nicht. In diesem Zustand gibt es weder zu viele noch zu wenige Elektronen. Das Atomgitter des Materials ist perfekt besetzt.

Ein Beispiel ist Silizium. Silizium hat vier Außenelektronen, will aber eigentlich acht Elektronen um sich haben. Im Gitter teilen sich die Atome die Elektronen so, dass jeder genau acht um sich herum hat:

Damit Halbleiter leiten, musst du also dafür sorgen, dass Elektronen frei werden oder fehlen. Damit Elektronen aus dem Gitter ausbrechen können, musst du ihre Energie erhöhen. Das gelingt durch:

• Hohe Temperatur
• Hohen Druck
• Beschuss mit Strahlung (z.B. Licht)

Eine weitere Möglichkeit Halbleiter zu Leitern zu machen, ist die Verunreinigung mit anderen Stoffen. Das heißt Dotierung.

Halbleiter Dotierung

Gibst du zu einem Halbleiter einen Stoff dazu, der mehr Außenelektronen hat, werden nach der Bildung des Gitters Elektronen übrig bleiben. Diese freien Elektronen können als Strom fließen. Weil du jetzt mehr Elektronen hast als vorher, wird das Material \col[1] {\textsf{n}}\textsf{egativer}$\col[1] {\textsf{n}}\textsf{egativer}$ geladen. Man spricht deswegen von einer \col[1] {\textsf{n}}\textsf{-Dotierung}$\col[1] {\textsf{n}}\textsf{-Dotierung}$.

Du kannst alternativ auch einen Stoff mit weniger Außenelektronen einbauen. Dann fehlen an manchen Stellen Elektronen. Diese Stellen sind positiver geladen und heißen positive Löcher. Weil du jetzt weniger Elektronen hast als vorher, wird das Material \col[1] {\textsf{p}}\textsf{ositiver}$\col[1] {\textsf{p}}\textsf{ositiver}$ geladen. Man spricht deswegen von einer \col[1] {\textsf{p}}\textsf{-Dotierung}$\col[1] {\textsf{p}}\textsf{-Dotierung}$.

Die Elektronen werden vom Pluspol angezogen. Ein positives Loch wird deshalb von einem Nachbarelektron besetzt, das dadurch näher an den Pluspol kommt. Dieses Elektron hinterlässt dabei auch wieder ein Loch. Das geht immer so weiter, sodass Elektronen Stück für Stück zum Plus- und Löcher zum Minuspol wandern.

Halbleiter Beispiele & Anwendung

Da Halbleiter je nach Temperatur und Druck unterschiedlich gut leiten, schwankt ihre Leitfähigkeit stark. Die Werte hier gelten nur bei Raumtemperatur:

• Silizium (~2,5 \cdot 10^{-4} ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$2,5 \cdot 10^{-4} ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$)
• Germanium (~1,5 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$1,5 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$)
• Meerwasser (~5,0 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$5,0 ~\frac{\text{S}}{\text{m}}$)
• Verschiedene Metalloxide

Erinnerung: Je kleiner die elektrische Leitfähigkeit \kappa$\kappa$ in den Klammern, desto schlechter leitet das Material.

Halbleiter haben viele Anwendungsmöglichkeiten. Sie werden in Dioden wie LEDs zur Lichterzeugung oder in Solarzellen zur Stromerzeugung eingesetzt. In Stromkreisen oder elektrischen Geräten können sie als Widerstand oder Sicherung dienen, da sie unter bestimmten Bedingungen nicht mehr (gut) leiten.

Beispiel

Funktion von Halbleitern beschreiben

Was ist ein stabiler Zustand bei einem Halbleiter und wie schafft man es, Halbleiter auch bei niedrigen Temperaturen als Leiter zu nutzen?

Lösung

Die einzelnen Atome teilen sich ihre Außenelektronen und werden zu einem Gitter zusammengefügt. Im stabilen Zustand besitzt jedes Atom acht fest eingebundene Außenelektronen und es sind keine freien Ladungsträger übrig.

Um dennoch freie Elektronen zu bekommen, werden Atome mit mehr oder weniger Außenelektronen in das Atomgitter eingebaut. Wenn diese Bindungen mit den vorhandenen Atomen eingehen, bleiben Elektronen übrig (negative Ladungsträger) oder es entstehen Löcher (positive Ladungsträger). Dadurch sind Halbleiter leitfähig.

Zusammenfassung

• Leiter leiten elektrischen Strom
  • Viele freie Elektronen
  • Geringer spezifischer Widerstand
• Nichtleiter oder Isolatoren leiten elektrischen Strom nicht
  • Keine freien Elektronen
  • Hoher spezifischer Widerstand
• Halbleiter leiten den Strom nur unter bestimmten Bedingungen
  • Hohe Temperatur
  • Hoher Druck
  • Beschuss mit Strahlung wie Licht
  • Dotierung (Verschmutzung mit anderen Atomen)
• Berechnung spezifischer Widerstand in \Omega \cdot \text{m}$\Omega \cdot \text{m}$:
  • \rho =\frac{{R}\cdot{A}}{{l}}$\rho =\frac{{R}\cdot{A}}{{l}}$