Die Ladungsträgerkonzentration ist die Anzahl der Elektronen, die für den Durchgang durch einen Halbleiter verfügbar sind. Ein Halbleiter ist ein elektronisches Gerät, das Strom leitet, wenn eine Energiequelle angelegt wird. Kristalle oder amorphe oder nicht-kristalline Materialien werden hergestellt, um Halbleitermaterial zu bilden. Spuren von Metallmolekülen, sogenannte Dotierstoffe, können hinzugefügt werden, um zusätzliche Elektronen für den Transport von elektrischem Strom bereitzustellen.
Ein Molekül besteht aus einem zentralen Kern, der von Ringen oder Schalen von Elektronen umgeben ist, die ständig in Bewegung sind. Einige Materialien, die als Donatoren bezeichnet werden, haben ein Elektron, das relativ weit vom Kern entfernt ist und durch elektrische Ströme oder Sonnenlicht verdrängt werden kann. Verschiedenen Molekülen, sogenannten Akzeptoren, fehlt ein Elektron in der äußeren Hülle und sie können vorhandene freie Elektronen aufnehmen. Ein Halbleiter verwendet Donor- und Akzeptormoleküle, die in kristallinem oder amorphem Material angeordnet sind. Räume für Elektronen in Akzeptormaterialien werden oft als Löcher bezeichnet.
Sowohl kristallines als auch amorphes Silizium wird üblicherweise für Halbleiter verwendet. Es kann einige Elektronen als reines Material bei verschiedenen Temperaturen übertragen. Dies wird als intrinsische Ladungsträgerkonzentration bezeichnet. Reines Silizium wird selten als Halbleiter verwendet, da die intrinsische Konzentration recht gering ist. Andere Materialien wie Germanium oder Siliziumkarbid haben eine höhere intrinsische Ladungsträgerkonzentration und können als reine Halbleiter verwendet werden.
Kleine Mengen an Dotierstoffen können die Eigenschaften eines Halbleiters verändern und einen Elektronenfluss mit weniger Widerstand ermöglichen. Die Messung der Elektronenkapazität für dotierte Halbleiter wird als extrinsische Ladungsträgerkonzentration bezeichnet. Dieser Wert wird verwendet, um die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters in einer elektronischen Schaltung zu berechnen. Änderungen der Ladungsträgerkonzentration durch die Steuerung der Dotierung beeinflussen die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters.
Ein Halbleiter enthält drei Abschnitte. Das Leitungsband ist ein Material, das mit Spurenmolekülen dotiert ist, die überschüssige Elektronen aufweisen. Zwischenraummaterial, normalerweise ein reines Material ohne Dotierung, wird in die Mitte gelegt. Die letzte Schicht ist die Valenzschicht, in der das Material mit Spurenmolekülen ohne Elektronen dotiert ist.
Es gibt viele übliche Verwendungen für Halbleiter außer in elektronischen Geräten. Solarmodule bestehen aus amorphen Siliziumzellen, die an elektrische Schaltkreise angeschlossen sind. Die Energie des Sonnenlichts setzt Elektronen im Leitungsband frei, das durch die Siliziumhalbleiter geht und einen elektrischen Strom erzeugt. Der aus Sonnenkollektoren erzeugte Strom wird normalerweise verwendet, um Batteriebänke für die spätere Verwendung aufzuladen.
Leuchtdioden oder LEDs sind gängige Geräte zur Beleuchtung von Häusern, Unternehmen und Fahrzeugen. Ein elektrischer Strom aktiviert einen Halbleiter, der Dotierstoffe enthält, die sichtbares Licht abgeben, wenn Elektronen durch sie hindurchtreten. LEDs erzeugen sehr wenig überschüssige Wärme, sind energieeffizient und haben eine lange Lebensdauer.