Strom aus Licht - Institut für naturwissenschaftliche Grundlagen

Kapitel 3: Physik der Halbleiter 19
Merken Sie sich die folgenden Punkte:
• Halbleiter besitzen im Mittel vier Valenzelektronen.
• Reine Halbleiter leiten mindestens 10'000 mal schlechter als Kupfer.
• Der elektrische Widerstand eines Halbleiters sinkt mit zunehmender Temperatur.
3.2 Elektronentransport in Metallen
In Metallkristallen sind alle Valenzelektronen bei Zimmertemperatur praktisch vollkommen
frei beweglich, denn sie sind nur sehr lose ans Atom gebunden. Diese Elektronen bewirken die
ausgezeichnete Leitfähigkeit für elektrischen Strom und für Wärme. Sie heissen deshalb
Leitungselektronen. In einem Metall wie Silber stehen pro Kubikzentimeter etwa 10 23 frei
bewegliche Elektronen zur Verfügung: eine riesige Ladungsmenge!
Legt man zwischen den beiden Enden eines Metallstücks der Länge d eine elektrische
Spannung U an, so entstehen im Innern elektrische Kräfte und ein elektrisches Feld E = U/d. Die
Leitungselektronen werden zum Plus-Pol hingezogen. Die Grösse der Kraft F ist F = e·E, wobei
e = –1.6·10 -19 C die Ladung des Elektrons ist. Diese Kraft beschleunigt die Leitungselektronen
auf eine mittlere Geschwindigkeit v. Die Leitungselektronen werden aber durch Stösse mit den
Atomrümpfen laufend gebremst, so dass v nur einen geringen Wert erreicht: Bloss rund 1/10
mm pro Sekunde. Trotzdem bewirkt eine Spannung von etwa 1 V sofort einen grossen Strom I
von einigen Ampere: Die riesige Menge an frei beweglichen Elektronen sorgt für einen kleinen
Widerstand R. Das Ohm'sche Gesetz: I proportional zu U oder genauer I = U/R ist Ihnen
vertraut. Die Materialeigenschaften werden durch den spezifischen elektrischer Widerstand r
erfasst. Die sehr grosse Zahl von frei beweglichen Elektronen in Metallen ist also für deren
kleine spezifische Widerstandswerte r verantwortlich.
Bei steigender Temperatur vergrössert sich die "Zitterbewegung" der Atomrümpfe. Somit
steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Leitungselektronen mit Atomrümpfen kollidieren. Als
Folge steigt bei Metallen der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur.
Merken Sie sich die folgenden Punkte:
• In Metallen gibt es etwa ein frei bewegliches Elektron pro Atom.
• Im Vergleich zu anderen Stoffen (Isolatoren, Halbleiter) enthalten Metalle eine riesige
Menge frei beweglicher Elektronen.
• Die grosse Menge frei beweglicher Elektronen ist die Ursache für den kleinen
elektrischen Widerstand von Metallen.
ETH-Leitprogramm Physik
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