In einem Leiter wie Kupfer gibt es sehr viele frei bewegliche Elektronen. Ein Nichtleiter wie Glas oder Kunststoff hat praktisch keine frei beweglichen Ladungsträger. Ein Halbleiter wie Silizium oder Germanium liegt dazwischen.

Silizium hat vier Außenelektronen (Elektronen der äußersten Schale). Im Kristall ist jedes Siliziumatom mit vier Nachbarn verbunden, und zu jeder Bindung gehören zwei Elektronen. Bei sehr tiefer Temperatur sind alle Elektronen in Bindungen festgehalten, der Kristall leitet nicht. Wärme oder Licht reißen einzelne Elektronen los. Sie sind dann frei beweglich, und an ihrer Stelle bleibt eine Lücke, ein Loch. Ein Elektron von nebenan kann in die Lücke springen, dann wandert das Loch in die Gegenrichtung. Ein Loch wirkt wie eine bewegliche positive Ladung.

Darum sinkt der Widerstand eines reinen Halbleiters, wenn er wärmer wird. Bei reinen Metallen ist es umgekehrt.

Reines Silizium leitet bei Zimmertemperatur kaum. Beim Dotieren baut man gezielt fremde Atome in den Kristall ein, oft nur eines auf viele Tausend bis Millionen Siliziumatome. Dann leitet der Halbleiter viel besser, und die Leitfähigkeit hängt von der Menge der Fremdatome ab. Beide Sorten bleiben nach außen elektrisch neutral, denn jedes Fremdatom hat genauso viele Protonen wie Elektronen.

• n-Leitung: Man baut Atome mit fünf Außenelektronen ein, etwa Phosphor. Vier Elektronen gehen Bindungen ein, das fünfte ist überzählig und frei beweglich. Die beweglichen Ladungsträger sind negativ (n).
• p-Leitung: Man baut Atome mit drei Außenelektronen ein, etwa Bor. Jedem fehlt ein Elektron für die vierte Bindung, es entsteht ein Loch. Die beweglichen Ladungsträger sind Löcher, also positiv (p).

Legt man eine p-Schicht und eine n-Schicht aneinander, entsteht ein pn-Übergang. An der Grenze wandern Elektronen aus dem n-Gebiet in Löcher des p-Gebiets und füllen sie. Dort bleibt eine dünne Zone ohne bewegliche Ladungsträger, die Sperrschicht. In ihr herrscht ein elektrisches Feld, das weiteres Wandern bremst.

Eine Halbleiterdiode ist ein Bauteil mit einem pn-Übergang. Der Anschluss am p-Gebiet heißt Anode, der am n-Gebiet Kathode (im Schaltzeichen der Strich). Die Kennlinie, die du schon kennst, folgt daraus:

• Durchlassrichtung: Pluspol an der Anode, Minuspol an der Kathode. Die Spannung drückt Elektronen und Löcher zur Grenze, die Sperrschicht wird dünn. Ab etwa 0,7 V bei Silizium fließt ein Strom, der bei etwas höherer Spannung steil steigt.
• Sperrrichtung: Pluspol an der Kathode. Elektronen und Löcher werden von der Grenze weggezogen, die Sperrschicht wird dicker, und es fließt fast kein Strom.

Eine Leuchtdiode (LED) ist eine Diode, die in Durchlassrichtung Licht aussendet. Elektronen füllen in der Nähe der Grenze Löcher auf und geben dabei Energie als Licht ab. Aus elektrischer Energie wird Strahlungsenergie, der Rest Wärme, bei einer Glühlampe viel mehr. Die Farbe hängt vom Halbleitermaterial ab. Die Durchlassspannung beträgt bei einer roten LED etwa 1,9 V, bei einer blauen etwa 3,1 V, jeweils bei etwa 20 mA.

Direkt an einer Batterie würde der Strom so groß, dass die LED zerstört wird. Ein Vorwiderstand in Reihe nimmt die überschüssige Spannung $U_0 - U_{\text{LED}}$ auf. Wegen der Reihenschaltung fließt durch beide dieselbe Stromstärke $I$:

Eine Solarzelle ist eine große Diode mit einem pn-Übergang nahe der Oberfläche. Die dünne obere Schicht lässt Licht durch.

• Trifft Licht auf die Zelle, löst seine Energie Elektronen aus den Bindungen. Es entstehen bewegliche Elektronen und Löcher.
• Das elektrische Feld der Sperrschicht trennt sie: Elektronen wandern ins n-Gebiet, Löcher ins p-Gebiet.
• Die n-Seite lädt sich negativ, die p-Seite positiv. Zwischen den Anschlüssen liegt eine Spannung, und mit einem Verbraucher fließt Strom.

Die Energieumwandlung ist: Strahlungsenergie → elektrische Energie, mit Wärme als Verlust. Es sind keine Turbine und kein Generator nötig. Eine Siliziumzelle liefert unter Last etwa 0,5 V, fast unabhängig von ihrer Größe. Die Stromstärke wächst mit der Fläche und der Lichtstärke. In Reihe geschaltete Zellen addieren ihre Spannungen. Handelsübliche Siliziumzellen erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 20 %.

Mit Dioden lassen sich einfache Schaltungen bauen:

• Gleichrichter: Eine Diode in Reihe mit einem Verbraucher an Wechselspannung lässt nur die Halbwellen durch, bei denen sie in Durchlassrichtung liegt. Es fließt ein pulsierender Gleichstrom.
• Verpolungsschutz: Eine Diode in Reihe mit einem Gerät lässt Strom nur bei richtig angeschlossener Batterie durch. Dabei fallen etwa 0,7 V an der Diode ab.
• Anzeige: Eine LED mit Vorwiderstand zeigt an, dass Spannung anliegt.