Elektrische Eigenschaften der Isolatoren

Zusammenfassung

Die elektrischen Eigenschaften der Halbleiter und der Metalle, die wir in den beiden vorstehenden Kapiteln behandelt haben, waren hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß im Werkstoff Elektronen existieren, die sich nahezu frei bewegen können. Bei der großen Stoffgruppe der Isolatoren (Dielektrika) dagegen sind die Valenzelektronen so eng und fest an die Atome gebunden, daß eine elektronische Leitfähigkeit praktisch nicht auftritt. Die Bandstruktur der Isolatoren ist der Bandstruktur der Halbleiter sehr ähnlich, nur daß die Breite der verbotenen Zone bei den Isolatoren wesentlich größer ist. Will man eine Grenzlinie zwischen Isolator und Halbleiter ziehen, so könnte man die Grenzbreite der verbotenen Zone als das Hundertfache der thermischen Energie bei Raumtemperatur (300 K) festlegen. Das entspricht einer Breite von 2, 6 eV. Stoffe mit einer verbotenen Zone, die kleiner als 2,6 eV ist, würde man hiernach zu den Halbleitern zählen, Substanzen mit einer größeren Breite wären Isolatoren. Berücksichtigt man, daß das Fermi-Niveau etwa in der Mitte der verbotenen Zone liegt, dann kann man in einer kurzen Rechnung zeigen, daß die Fermi-Funktion an den Bandkanten den verschwindend kleinen Wert von 1,4 10⁻²² hat, woraus sich für die Anzahl der freien Elektronen je Kubikmeter Isolator ein Wert von etwa 10⁶ ergibt. Das ist ein Wert, der größenordnungsmäßig für gute Isolatoren auch tatsächlich zutrifft, d. h. in jedem Kubikzentimeter ist ein einziges freies Elektron zu finden, und das ist für eine Elektrizitätsleitung natürlich zu wenig. Im Vergleich dazu existieren im intrinsischen Si-Halbleiter 10¹⁶ und im Metall 10²³ Elektronen je Kubikzentimeter. Wenn also ein elektrisches Feld auf das Dielektrikum einwirkt, dann kann sich kein Elektronenstrom ausbilden, sondern es werden sich höchstens die Ladungen im Atom um eine geringfügige Strecke gegenläufig im Feld verschieben, und es entsteht damit ein atomarer Dipol, weil jetzt die Ladungsschwerpunkte nicht mehr zusammenfallen. Dieser Vorgang führt zur Polarisation.