Leiter, Halbleiter und Supraleiter sind Begriffe, welche Sie sicher schon einmal gehört haben. Vielleicht ist Ihnen auch der Supraleiter zu Ohren gekommen. Doch was sind diese drei Materialklassen? Was sind ihre Gemeinsamkeiten, Unterschiede und Besonderheiten? Diesen Fragen wollen wir hier auf den Grund gehen und Ihnen einen Einstieg in diese wichtigen Begrifflichkeiten sowie ihre technischen Eigenschaften geben.
Was sind Leiter?
Leiter sind eine Kategorie von Materialien, die Elektronen leicht fließen lassen (was als Elektrizität bezeichnet wird und ein nützlicher Weg ist, um Energie zu transportieren). Die meisten Leiter sind Metalle, und die meisten Metalle sind Leiter, aber einige Metalle sind bessere Leiter als andere. Kupfer und Aluminium sind beide ausgezeichnete Leiter und gut geeignet für die Herstellung von Drähten aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und ihres geringen spezifischen Widerstandes.
Eigenschaften von Leitern
Auf atomarer Ebene zeigen Leiter nur wenig Widerstand gegen elektrischen Strom. Deshalb wird weniger Energie benötigt, um freie Elektronen zu erzeugen, was bedeutet, dass die Anzahl der freien Elektronen in ihrer Gesamtheit sehr hoch ist. Diese freien Elektronen bilden ein „Elektronengas“, das sich durch das Material bewegen kann.
Die wichtigsten Eigenschaften elektrischer Leiter sind:
- Spezifischer Widerstand (ρ): Ein Maß für den Widerstand, den ein Material dem Stromfluss entgegensetzt. Je niedriger der Wert, desto besser der Leiter.
- Elektrische Leitfähigkeit (σ): Der Kehrwert des spezifischen Widerstands, gemessen in Siemens pro Meter (S/m).
- Temperaturkoeffizient: Beschreibt, wie sich der Widerstand mit der Temperatur ändert.
| Material | Spezifischer Widerstand bei 20°C (Ω·m) | Elektrische Leitfähigkeit (S/m) | Temperaturkoeffizient (1/K) |
|---|---|---|---|
| Silber | 1,59 × 10-8 | 6,30 × 107 | 0,0038 |
| Kupfer | 1,68 × 10-8 | 5,96 × 107 | 0,0039 |
| Gold | 2,44 × 10-8 | 4,10 × 107 | 0,0034 |
| Aluminium | 2,82 × 10-8 | 3,50 × 107 | 0,0039 |
| Eisen | 1,00 × 10-7 | 1,00 × 107 | 0,0050 |
Anwendungen von Leitern
Leiter finden in zahlreichen technischen Anwendungen Einsatz:
- Stromübertragung: Kupfer- und Aluminiumdrähte werden für elektrische Leitungen verwendet. Kupfer bietet bessere Leitfähigkeit, während Aluminium leichter und kostengünstiger ist.
- Elektronische Komponenten: Leiterbahnen auf Leiterplatten, typischerweise aus Kupfer, mit einer Dicke von 35 μm oder 70 μm.
- Wärmeableitung: Materialien wie Kupfer und Aluminium werden in Kühlkörpern eingesetzt, da gute elektrische Leiter meist auch gute Wärmeleiter sind.
- Batterieelektroden: Verschiedene Metalle werden als Kathoden und Anoden in Batteriezellen verwendet.
Was sind Halbleiter?
Ein Halbleiter ist ein Element oder eine Verbindung, die unter bestimmten Bedingungen Elektrizität leitet, unter anderen jedoch nicht. Diese Eigenschaft, weder ein guter Isolator noch ein guter Leiter zu sein, macht Halbleiter nützlich für die Kontrolle des elektrischen Stroms. Die elektrische Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt von einer Vielzahl von Bedingungen ab, einschließlich der angelegten Spannung oder des Stroms oder der Intensität der Infrarotstrahlung, der ultravioletten Strahlung oder des sichtbaren Lichts auf der Oberfläche.
Elementare Halbleitermaterialien
Es gibt viele verschiedene Elemente, die Halbleiter sind. Da diese Materialien weder dazu neigen, Elektronen zu verlieren, also freie Elektronen zu erzeugen, noch zu gewinnen, enthalten ihre Valenzschalen in der Regel vier Elektronen. Zu den elementaren Halbleitern (Materialien mit nur einem Element) gehören:
- Silizium (Si)
- Germanium (Ge)
- Kohlenstoff (C) in Form von Diamant
- Antimon (Sb)
- Arsen (As)
- Bor (B)
- Selen (Se)
- Schwefel (S)
- Tellur (Te)
Am bekanntesten ist Silizium, da es die Grundlage für eine Vielzahl von elektrischen Schaltkreisen bildet.
Neben elementaren Halbleitern gibt es auch Verbindungshalbleiter:
- III-V-Halbleiter: Verbindungen aus Elementen der Gruppen III und V des Periodensystems, wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN)
- II-VI-Halbleiter: Verbindungen wie Cadmiumsulfid (CdS), Zinkoxid (ZnO)
- IV-IV-Halbleiter: Siliziumcarbid (SiC)
Eigenschaften von Halbleitern
Die Tatsache, dass Halbleiter vier Elektronen in ihrer Valenzschale haben, bedeutet, dass sie mit vier benachbarten Atomen „perfekte“ kovalente Bindungen bilden. Dadurch entsteht eine Kristallgitterstruktur. In diesem reinen Gitter können keine freien Elektronen Strom leiten. Aus diesem Grund entsteht ein echter Halbleiter, wenn sich in einer Kristallstruktur Verunreinigungen befinden, und es sind diese Verunreinigungen, die dem Material seine besonderen Eigenschaften verleihen.
Die spezifischen Eigenschaften von Halbleitern hängen stark von ihren Verunreinigungen oder Dotierungen ab:
- N-Typ-Halbleiter: Tragen Strom hauptsächlich in Form von negativ geladenen Elektronen. Sie entstehen durch Dotierung mit Elementen der 5. Hauptgruppe (z.B. Phosphor, Arsen).
- P-Typ-Halbleiter: Tragen Strom hauptsächlich durch „Löcher“ (Elektronenfehlstellen), die als positive Ladungsträger wirken. Sie entstehen durch Dotierung mit Elementen der 3. Hauptgruppe (z.B. Bor, Gallium).
| Halbleitermaterial | Bandlücke (eV) | Elektronenmobilität (cm²/Vs) | Lochmobilität (cm²/Vs) | Intrinsische Ladungsträgerkonzentration bei 300K (cm⁻³) |
|---|---|---|---|---|
| Silizium (Si) | 1,12 | 1400 | 450 | 1,0 × 1010 |
| Germanium (Ge) | 0,67 | 3900 | 1900 | 2,4 × 1013 |
| Galliumarsenid (GaAs) | 1,42 | 8500 | 400 | 1,8 × 106 |
| Siliziumcarbid (SiC) | 3,26 | 900 | 120 | 8,2 × 10-9 |
| Galliumnitrid (GaN) | 3,4 | 1000 | 200 | 1,9 × 10-10 |
Einsatz von Halbleitern
Halbleiter sind die Grundlage der modernen Elektronik und finden in zahlreichen Bauelementen Anwendung:
Dioden
Dioden sind die einfachsten Bauelemente, die mit Halbleitern hergestellt werden können. In Dioden kann Strom in eine Richtung fließen, aber nicht in die andere. Dieses Bauelement entsteht, wenn ein P-Typ und ein N-Typ-Halbleiter zusammengesetzt werden. Die Kombination dieser Halbleiter leitet selbst keinen Strom. Stattdessen werden negative Elektronen von einer Seite an den positiven Pol einer Batterie angezogen und Strom kann fließen, wenn eine Batterie angeschlossen wird.
Typische Kennwerte von Dioden:
- Durchlassspannung: 0,7V für Siliziumdioden, 0,3V für Germaniumdioden
- Sperrspannung: Je nach Typ 50V bis mehrere kV
- Maximaler Durchlassstrom: Wenige mA bis mehrere A
Transistoren
Transistoren sind ein weiteres Gerät, das Halbleiter verwendet. Bei Transistoren gibt es drei Schichten aus Halbleitermaterial, die ein „Sandwich“ mit zwei ähnlichen Arten von Halbleitern (N-Typ oder P-Typ) bilden, die ein Halbleitermaterial des anderen Typs umgeben. Transistoren wirken als „Schalter“ oder Verstärker und sind die Grundbausteine moderner Prozessoren.
Moderne Mikroprozessoren enthalten Milliarden von Transistoren auf einem einzigen Chip. Die neuesten kommerziellen Prozessoren verwenden Transistoren mit Strukturbreiten von 3-5 nm. Ein einzelner Siliziumkristall hat zum Vergleich einen Atomabstand von etwa 0,24 nm.
Weitere Halbleiterbauelemente
- Leuchtdioden (LEDs): Wandeln elektrische Energie direkt in Licht um. Moderne LEDs erreichen Effizienzen von über 200 Lumen/Watt.
- Photodioden und Solarzellen: Wandeln Licht in elektrische Energie um. Kommerzielle Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von 15-22%, während Laborprototypen bis zu 47% erreichen.
- Integrierte Schaltkreise (ICs): Kombinieren Transistoren, Dioden und andere Komponenten zu komplexen Systemen auf einem einzigen Chip.
- Leistungshalbleiter: MOSFET, IGBT und Thyristoren für Hochleistungsanwendungen, die Spannungen von mehreren kV und Ströme von hunderten Ampere schalten können.
Was sind Supraleiter?
Ein Supraleiter ist ein Material, das absolut keinen elektrischen Widerstand hat (0 Ω) und interessante Wechselwirkungen mit Magnetfeldern aufweist. Er kann Strom übertragen, ohne dass dabei Abwärme entsteht. Dieses Material muss unter eine kritische Temperatur gekühlt werden, welche in der Regel sehr kalt ist.
Physikalische Grundlagen der Supraleitung
Die Supraleitung wird durch das Verhalten von Elektronenpaaren (Cooper-Paare) erklärt. Unterhalb der kritischen Temperatur bilden Elektronen diese Paare, die sich ohne Widerstand durch das Kristallgitter bewegen können. Dieses Phänomen wird durch die BCS-Theorie (Bardeen-Cooper-Schrieffer) beschrieben.
Supraleiter haben drei kritische Parameter:
- Kritische Temperatur: Temperatur, unterhalb derer Supraleitung auftritt
- Kritisches Magnetfeld: Magnetfeldstärke, oberhalb derer die Supraleitung zusammenbricht
- Kritische Stromdichte: Maximale Stromdichte, die ohne Widerstand transportiert werden kann
Arten von Supraleitern
Es gibt zwei Haupttypen von Supraleitern:
- Typ-I-Supraleiter: Hauptsächlich reine Metalle, die bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend werden. Sie verdrängen Magnetfelder vollständig (Meißner-Ochsenfeld-Effekt).
- Typ-II-Supraleiter: Meist Legierungen oder Metalloxide, die höhere kritische Temperaturen und Magnetfelder aufweisen. Sie erlauben ein teilweises Eindringen von Magnetfeldern in Form von Flussschläuchen.
| Material | Typ | Kritische Temperatur (K) | Kritisches Magnetfeld (T) | Kritische Stromdichte (A/cm²) |
|---|---|---|---|---|
| Niob (Nb) | I | 9,2 | 0,2 | ~103 |
| NbTi-Legierung | II | 9,8 | 10 | ~105 |
| Nb₃Sn | II | 18,3 | 25 | ~105 |
| YBa₂Cu₃O₇ (YBCO) | II | 93 | >100 | ~106 |
| Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀ (BSCCO) | II | 110 | >60 | ~105 |
Hochtemperatur-Supraleiter
In den 1980er Jahren wurden Keramik-Supraleiter entdeckt, die bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden. Diese Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) erreichen kritische Temperaturen von bis zu 135 K (-138°C) und können teilweise mit flüssigem Stickstoff (77 K, -196°C) gekühlt werden, was sie wirtschaftlich interessanter macht.
Einige Forscher arbeiten an der Entwicklung von Supraleitern, die bei Raumtemperatur funktionieren würden, doch bisher konnten solche Materialien nur unter extremen Drücken (>100 GPa) und unter sehr spezifischen Laborbedingungen nachgewiesen werden.
Anwendungen von Supraleitern
Trotz der Herausforderung der Kühlung finden Supraleiter in einer Reihe von Spezialanwendungen Einsatz:
- Starke Magnete: MRT-Geräte nutzen supraleitende Spulen, um Magnetfelder von 1,5-7 Tesla zu erzeugen. Diese Geräte verwenden typischerweise Niob-Titan-Spulen, die mit flüssigem Helium auf 4,2 K gekühlt werden.
- Teilchenbeschleuniger: Der Large Hadron Collider (LHC) verwendet über 1600 supraleitende Magnete, die mit flüssigem Helium auf 1,9 K gekühlt werden, um Magnetfelder von bis zu 8,3 Tesla zu erzeugen.
- Magnetische Energiespeicherung: SMES-Systeme (Superconducting Magnetic Energy Storage) können elektrische Energie verlustfrei speichern.
- Magnetschwebetechnik: Supraleitende Magnete ermöglichen berührungslose Levitation für Hochgeschwindigkeitszüge.
- Energieübertragung: Experimentelle Stromleitungen mit gekühlten Supraleitern können Energie mit minimalen Verlusten übertragen. HTS-Kabel können die 5-fache Strommenge herkömmlicher Kupferkabel gleicher Größe transportieren.
Zukunftsperspektiven
Die Forschung an Supraleitern, insbesondere an Materialien mit höheren kritischen Temperaturen, bleibt ein aktives Feld. Fortschritte in diesem Bereich könnten weitreichende Auswirkungen auf die Energietechnik, Elektronik und Computerindustrie haben.
Aktuelle Forschungsschwerpunkte umfassen:
- Entwicklung neuer Materialien mit höheren kritischen Temperaturen
- Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern
- Kosteneffiziente Kühlsysteme
- Integration von Supraleitern in Alltagstechnologien
Fazit und Vergleich
Die drei besprochenen Materialklassen – Leiter, Halbleiter und Supraleiter – unterscheiden sich grundlegend in ihren elektrischen Eigenschaften und Anwendungsbereichen. Während Leiter die Grundlage der elektrischen Energieübertragung bilden, haben Halbleiter die moderne Elektronik revolutioniert. Supraleiter hingegen bieten faszinierende physikalische Eigenschaften und Potenzial für zukünftige Technologien, sind aber aufgrund ihrer Kühlungsanforderungen noch auf Spezialanwendungen beschränkt.
Die technologische Entwicklung in allen drei Bereichen schreitet kontinuierlich voran und treibt Innovationen in zahlreichen Branchen – von der Energietechnik über die Elektronik bis hin zur Medizintechnik und Quantencomputern.