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Atombindung

Figure 1: A typical 3D crystal structure.

Bild 1: 3D- Ansicht einer typischen Kristallstruktur

Atombindung

Die chemische Aktivität eines jeden Atoms wird durch die Anzahl der Elektronen in der äußeren Schale bestimmt. Ist diese Schale voll belegt, dann ist das Atom sehr stabil und zeigt nur geringe Tendenzen sich mit anderen Atomen zu Kristallen zu verbinden. Atome, bei denen die äußere Schale mit acht Elektronen besetzt ist (Empfehlung Periodensystem der Elemente Hauptgruppe VIII = Edelgase) sind chemisch passiv. Wenn aber in dieser äußeren Schale weniger als acht Elektronen sind, dann steigt die chemische Aktivität des Atoms. Einige Atome bilden Kristalle mit für das Element typischen Strukturen. Kristall ist eine Bezeichnung eines homogenen Körpers, der aus einer dreidimensional und periodisch angeordneten Struktureinheit (das sogenannte Kristallgitter) aus Atomen oder Molekülen des gleichen Stoffes oder Elementes besteht. Bild 1 zeigt eine typische Kristallstruktur in welchem die Atome durch kleine Kugeln dargestellt sind. Die Stäbe zwischen den Kugeln symbolisieren die Bindung zwischen den Atomen.

eine zweidimensionale Darstellung eines Germaniumkristalls.

Bild 2: eine zweidimensionale Darstellung eines Germaniumkristalls.

Silizium und Germanium sind in der Elektronik die meist genutzten Halbleiterelemente. Beide Elemente sind sich in ihrem Atomaufbau und ihrer chemischen Affinität sehr ähnlich und haben in der äußeren Schale vier Valenzelektronen. Germanium-Atome (Ge- Atom) ordnen sich in einem Kristallgitter so an, dass sich um jedes Atom vier andere Ge- Atome gruppieren. Dabei bilden jeweils ein Bindungselektron eines Atoms mit einem Bindungselektron des Nachbaratoms ein Elektronenpaar. Diese Elektronenpaare bewirken eine feste Bindung zwischen den Ge- Atomen. (Siehe Bild 2: Eigentlich müsste die regelmäßige Anordnung der Ge- Atome räumlich gezeichnet werden. Da es bei der Darstellung der Bindung nur auf die Nachbarschaftsverhältnisse ankommt, genügt ein zweidimensionales Bild!) In dem Kristall werden also die Bindungselektronen gemeinsam genutzt, um die äußere Schale der Atome mit acht Elektronen zu füllen.

Bild 2 zeigt einen Germaniumkristall in einem Grundzustand, dem keine Wärmeenergie zugeführt wurde. Es werden die Ge-Atome durch große Kreise dargestellt, die kleinen Kreise symbolisieren die Bindungselektronen. Da jedes Atom in diesem Kristall an vier andere Atome gebunden ist, sind keine freien Ladungsträger vorhanden. In diesem Zustand ist das Germanium also ein Isolator. Erst wenn eine bestimmte Mindestenergie (in Form von Wärme: bei reinem Germanium ist das etwa 50°C) zugeführt wird, dann werden einige Bindungselektronen aus dem Gitterverband befreit und stehen dann als Leitungselektronen zur Verfügung, die vorerst noch ziellos in dem Kristall umherwandern.