Leiter, Halbleiter, Isolator und Supraleiter

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Leiter[Bearbeiten]

Beispiel anhand des Lithiums:

1 Li-Atom hat eine Elektronenkonfiguration 1s²2s¹, d.h. es ist entartet.

2 Li-Atome haben 2 sich überlappende s-Orbitale, dadurch entstehen 2 Molekülorbitale. Ein bindendes und ein antibindendes MO. Die 2 Valenzelektronen besetzen das bindende MO, da dieses nun vollbesetzt ist, ist es nicht mehr entartet. Auch hier findet das Pauli-Prinzip anwendung, nachdem ein Energieniveau mit 2 Elektronen entgegengesetztem Spin besetzt werden können. Hauptsache es gibt keine Elektronen mit genau übereinstimmenden Quantenzahlen. Für jedes Atomorbitall eines Li-Atoms, entsteht ein Molekülorbital. Die Summe der Elektronen entspricht ebenfalls der Summe der Molekülorbitale. Jedes Molekülorbital hat ein anderes Energieniveau, die Niveaus liegen sehr nah beieinander (je mehr Atome desto enger). Dadurch entsteht ein sog. Valenzband. Jedes Li-Atom steuert nur ein Elektron zur Besetzung der MO bei. Das heißt, dass das Valenzband nur halbbesetzt ist und die Elektronen freibeweglich sind. RT reicht aus um sie in energetisch höhere Niveaus zu bringen. Die Atomrümpfe halten zusammen, da nur die bindenden Orbitale besetzt werden. Bei Li spielt auch noch das 2p-Band, das sog. Leitungsband, eine Rolle. Die 2 Bänder sind durch eine verbotene Zone von einander getrennt. Sie sind sich aber trotzdem noch so nah, dass die Elektronen in das energetisch höhere Niveau gelangen. (Sonst wäre Be nicht leitend, da hier das Valenzband voll besetzt ist.) Die Leitfähigkeit nimmmt mit steigender Temperatur ab, da die verstärkt schwingenden Atomrümpfe die Beweglichkeit der Elektronen einschränkt.

Halbleiter[Bearbeiten]

Bei Halbleitern (z.B. Be) ist das Valenzband vollständig besetzt. Die verbotene Zone zwischen Leitungs- und Valenzband ist sehr klein und Elektronen können diese Überwinden. Die Leitungsfähigkeit von Halbleitern ist sehr gering, aber höher als bei Isolatoren. Die Leitfähigkeit steigt mit zunehmender Temperatur. Die Elektronen nehmen Wärme in Form von kinetischer Energie auf und können somit auf ein höheres Energieniveau gelangen.

Halbleiter können dotiert werden, um ihre Leitfähigkeit zu erhöhen. Bsp: Si hat Diamantstruktur. 4 Valenzelektronen, alle sind an den Kristallbindungen beteiligt. Der Einbau von Atomen der 3. bzw. der 5. Hauptgruppe kann die Leitfähigkeit erhöhen. p-Leiter: Einbau zum Beispiel von Bor in den Siliciumkristall. Bor hat nur 3 Valenzelektronen, d.h. ein Elektron fehlt. Dadurch bekommen die Elektronen mehr Beweglichkeit, also auch mehr Leitfähigkeit. n-Leiter: Einbau zum Beispiel von Phosphor in den Siliciumkristall. Phosphor hat 5 Valenzelektronen, das eine, das zu viel ist wird vom Leitungsband aufgenommen.


Isolator[Bearbeiten]

Isolatoren haben ein voll besetztes Valenzband. Die Verbotene Zone ist sehr breit und Elektronen können i.d.R. nicht so sehr angeregt werden. Sie können die verbotene Zone nicht überwinden.

Supraleiter[Bearbeiten]

Bei Supraleitern liegen die Elektronen unter einer Sprungtemperatur Tc immer gepaart vor (sog. Cooper-Paare). Dadurch wird ein Supraleiter perfekt diamagnetisch. Unterhalb Tc verschwindet jeder Widerstand. Elektrischer Strom fliesst fast völlig verlustfrei. Supraleiter brauchen eine starke Kühlung, i.d.R. Flüssiges Heliumbad bei 4K.

Hochtemperatur Supraleiter sind in der Regel einfacher hand zu haben, da die Sprungtemperaturen über 77K liegen, also reicht ein N2-Bad zur Kühlung aus. Der Nachteil ist, dass diese Leiter porös sind und nicht zu Spulen verarbeitet werden können.