Elektrizitätsleitung

Grundlagen der Elektrizitätsleitung

In dieser Lektion wirst du lernen, welche physikalischen Voraussetzungen nötig sind, dass überhaupt Strom fließen kann, also welche Materialien Elektrizität leiten und warum. Außerdem wirst du den Aufbau und die Funktion der elektrischen Bauteile Diode und Transistor erfahren und welche Bedeutung sie für die Informationstechnik des 21. Jahrhunderts haben.

Die entscheidende Grundlage der Elektrizitätsleitung ist der elektrische Widerstand $R$ eines Materials, der in der Einheit Ohm ($\Omega$) gemessen wird. Je größer der elektrische Widerstand ist, desto kleiner ist die elektrische Leitfähigkeit eines Materials. Der Widerstand ist zum einen abhängig von dem atomaren Aufbau und dem Bändermodell des Materials, zum anderen ist er auch von der Temperatur abhängig.

• Supraleiter verlieren unterhalb einer materialspezifischen Temperatur ihren elektrischen Widerstand vollständig. ($R=0$).
• Nichtleiter leiten unter normalen Temperaturen gar keinen Strom.
• Elektrische Leiter haben einen kleinen elektrischen Widerstand. Ihre Leitfähigkeit sinkt mit steigender Temperatur.
• Halbleiter erhöhen ihre Leitfähigkeit mit steigender Temperatur.

Halbleiter und das Bändermodell

Der elektrische Widerstand eines Materials entscheidet darüber, ob dieses Material Elektrizität leiten kann oder nicht. Der Widerstand ändert sich mit der Temperatur hängt aber maßgeblich vom Bändermodell des Materials ab.

In einem Festkörper befinden sich sehr viele Protonen und Elektronen auf kleinem Raum und können miteinander interagieren, daher bilden sich Energiebänder aus, auf denen sich die Elektronen des Festkörpers befinden. Entscheidend für die elektrischen Leitungsvorgänge ist die Anzahl der Elektronen auf und der Abstand zwischen dem energetisch am zweithöchsten gelegenen Valenzband und dem energetisch am höchsten gelegenen Leitungsband. Strom kann nur fließen, wenn eines dieser Bänder oder beide nicht ganz leer oder nicht ganz voll besetzt sind. Anschaulich gesprochen brauchen die Elektronen „Platz“ um sich zu bewegen.

Bei Leitern (meist Metalle) befinden sich stets ein paar Elektronen auf dem Leitungsband, sodass ein elektrischer Strom immer möglich ist. Bei einem Nichtleiter ist das Leitungsband leer und das Valenzband voll sowie die Lücke zwischen ihnen zu groß, als dass sich daran etwas ändern könnte. Bei einem Halbleiter (meist Halbmetalle) hingegen ist bei gleicher Bandbesetzung die Lücke kleiner, sodass Elektronen bei genügend hoher Temperatur die Lücke überspringen können. Dann kann der Halbleiter ab einer bestimmten Temperatur Strom leiten. Durch Dotierung lässt sich die Temperaturabhängigkeit und die Leitfähigkeit der Halbleiter manipulieren und so einstellen, wie es die Technik benötigt.

Die Elektronenkonfiguration verschiedenster Materialien ist außerdem verantwortlich für thermoelektrische Effekte oder elektrische Effekte durch mechanische Einwirkung, die technisch ebenfalls Anwendung finden.

Die Informationstechnologie und das Zeitalter des Siliziums

Da Halbleiter manipulierbare elektrische Eigenschaften besitzen, sind sie von entscheidender Bedeutung für die Informationstechnologie des 21. Jahrhunderts. Meist wird Silizium verwendet, da es preiswert ist und sehr häufig vorkommt. Zwei der wichtigsten elektrischen Bauteile werden aus verschieden dotierten Halbleitern gebaut: Die Diode der Transistor.

Die Diode besteht aus einer p-dotierten und einer n-dotierten Schicht. Eine Diode lässt sich daher in Sperrrichtung oder in Durchlassrichtung in einen Stromkreis einbauen. Ein Transistor besteht aus drei im Wechsel dotierten Schichten und hat drei Anschlüsse: Die Basis, den Kollektor und den Emitter. Die an der Basis angelegte Spannung steuert den Kollektor-Emitter-Strom und lässt den Transistor ähnlich wie einen Schalter funktionieren. Ebenso kann er aufgrund des Transistoreffekts als Verstärker genutzt werden.

Aufgrund dieser Eigenschaften lassen sich mit Dioden und Transistoren logische Bauteile bzw. Logikgatter bauen, die Grundlage integrierter Schaltkreise und Mikrochips sind. Diese wiederum sind unabdingbar für die Funktionalität von Prozessoren und Speichern und finden sich als Hardwarekomponenten in allen elektrischen Geräten.