Halbleiter- und Magnetwerkstoffe

Wer mit Werkstoffen arbeitet, denkt zuerst an Belastbarkeit. Hält die Welle das Drehmoment aus? Reißt das Seil? Bei Halbleitern und Magnetwerkstoffen spielt das kaum eine Rolle. Hier zählt eine ganz andere Frage: Wie gut leitet der Werkstoff den Strom, und wie reagiert er auf ein Magnetfeld?

Für die elektrische Einordnung ist der spezifische Widerstand das entscheidende Merkmal – also der Widerstand, den ein Werkstoff dem Stromfluss bezogen auf seine Abmessungen entgegensetzt. Danach teilt man Werkstoffe in drei grobe Gruppen:

• Leiter – sehr kleiner spezifischer Widerstand, leiten den Strom gut (Kupfer, Aluminium, Silber)
• Halbleiter – liegen dazwischen und ändern ihre Leitfähigkeit stark mit äußeren Einflüssen (Silizium, Germanium)
• Isolatoren – sehr hoher spezifischer Widerstand, leiten praktisch nicht (Kunststoffe, Keramik, Glas)

Die genaue Abgrenzung zwischen Leitern, Halbleitern und Isolatoren ist ein eigenes Thema. Hier reicht die grobe Einteilung, um zu verstehen, was Halbleiterwerkstoffe besonders macht: Sie sitzen genau in dem Bereich, in dem sich die Leitfähigkeit gezielt steuern lässt.

Bei den magnetischen Eigenschaften ist es ähnlich. Manche Werkstoffe lassen sich von einem Magnetfeld stark beeinflussen, andere kaum. Diese Unterscheidung kommt im hinteren Teil des Beitrags. Zunächst geht es um die Halbleiter.

Ein Halbleiter ist ein Werkstoff, dessen Leitfähigkeit zwischen der eines guten Leiters und der eines Isolators liegt – und der genau diese Leitfähigkeit unter bestimmten Bedingungen stark verändert. Der wichtigste Halbleiterwerkstoff überhaupt ist Silizium. Daneben spielen Germanium, Galliumarsenid und – in der modernen Leistungselektronik – Siliziumkarbid eine Rolle.

Kristallaufbau

Silizium forms ein regelmäßiges Kristallgitter. Jedes Siliziumatom hat vier Außenelektronen und verbindet sich mit vier Nachbaratomen zu einem festen, gleichmäßigen Gitter. In diesem reinen Zustand – man spricht von intrinsischem (eigenleitendem) Halbleitermaterial – sind fast alle Elektronen in diesen Bindungen gebunden. Es stehen kaum freie Ladungsträger zur Verfügung. Reines Silizium leitet bei Raumtemperatur deshalb schlecht.

Warum die Leitfähigkeit so empfindlich ist

Zwei Einflüsse verändern die Leitfähigkeit von Halbleitermaterial drastisch.

Der erste ist die Temperatur. Steigt sie, brechen einzelne Bindungen im Gitter auf. Dabei werden Elektronen frei, die jetzt zum Stromtransport beitragen. Der Widerstand sinkt also mit steigender Temperatur – ein Verhalten, das man Heißleiter-Verhalten nennt (engl. NTC, negativer Temperaturkoeffizient). Das ist das genaue Gegenteil von Metallen, deren Widerstand mit der Temperatur steigt.

Der zweite Einfluss ist die Verunreinigung. Schon winzige Mengen fremder Atome verändern die Zahl der freien Ladungsträger massiv. Das gezielte Einbringen solcher Fremdatome nennt man Dotierung – damit werden aus dem reinen Werkstoff erst die brauchbaren elektronischen Bauelemente. Die Dotierung und der daraus entstehende pn-Übergang sind ein eigenes, ausführliches Thema. Für die Werkstoffbetrachtung ist nur wichtig: Halbleiter reagieren auf kleinste Zugaben extrem empfindlich.

Genau deshalb stellt man an Halbleiterwerkstoffe enorme Reinheitsanforderungen. Silizium für die Halbleiterfertigung wird als nahezu perfekter Einkristall gezogen, mit Reinheiten, die in der übrigen Werkstofftechnik unbekannt sind. Eine ungewollte Verunreinigung im falschen Bereich macht das Material unbrauchbar.

Der spezifische Widerstand beschreibt den Zusammenhang zwischen Material und Widerstand:

Bei Halbleitern ist der entscheidende Punkt, dass ρ keine feste Materialkonstante ist wie bei Kupfer, sondern stark von Temperatur und Dotierung abhängt.

Das besondere Verhalten der Halbleiterwerkstoffe wird in vielen Bauteilen direkt genutzt – nicht erst in komplexen Schaltkreisen.

Das Heißleiter-Verhalten steckt im NTC-Widerstand, einem Bauteil aus Halbleitermaterial, dessen Widerstand mit steigender Temperatur sinkt. Genau das macht ihn zum Temperaturfühler. Das umgekehrte Verhalten – Widerstand steigt mit der Temperatur – zeigen PTC-Werkstoffe (Kaltleiter), die unter anderem als selbstrückstellende Sicherung und in der Motorüberwachung eingesetzt werden.

Andere Halbleiterwerkstoffe reagieren auf Licht. Ihr Widerstand oder ihre Ladungstrennung ändert sich, wenn Licht auf sie fällt – die Grundlage für Fotowiderstände, Fotodioden und Solarzellen. Auch hier ist es die Werkstoffeigenschaft, die genutzt wird.

In der modernen Leistungselektronik gewinnen zwei Werkstoffe an Bedeutung: Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Sie vertragen höhere Temperaturen und Spannungen als reines Silizium und schalten schneller. In Frequenzumrichtern, Ladegeräten und Wechselrichtern für die Photovoltaik werden sie deshalb zunehmend verbaut. Für den Werkstoff bedeutet das: mehr Leistung auf weniger Bauraum, bei geringeren Verlusten.

Aus diesen Werkstoffen entstehen auch die klassischen Bauelemente wie Dioden und Transistoren – wie diese funktionieren, ist ein eigenes Thema. Hier reicht der Blick auf den Werkstoff: Es ist immer dieselbe steuerbare Leitfähigkeit, die dahintersteckt.

Bringt man verschiedene Werkstoffe in ein Magnetfeld, reagieren sie sehr unterschiedlich. Nach diesem Verhalten teilt man sie in drei Gruppen.

Diamagnetische Werkstoffe schwächen ein äußeres Magnetfeld minimal ab und werden leicht abgestoßen. Der Effekt ist sehr schwach (z. B. Kupfer, Wasser). Paramagnetische Werkstoffe verstärken das Feld geringfügig und werden leicht angezogen, ebenfalls schwach (z. B. Aluminium). Beide Effekte sind für die Praxis meist vernachlässigbar.

Technisch wirklich wichtig ist die dritte Gruppe: die ferromagnetischen Werkstoffe. Sie verstärken ein äußeres Magnetfeld um ein Vielfaches und behalten unter Umständen eine eigene Magnetisierung. Dazu gehören vor allem Eisen, Nickel, Kobalt und viele ihrer Legierungen.

Weiss-Bezirke

Was macht einen Werkstoff ferromagnetisch? In seinem Inneren sind die einzelnen atomaren Magnete nicht zufällig verteilt, sondern in kleinen Bereichen bereits gleich ausgerichtet. Diese Bereiche heißen Weiss-Bezirke (magnetische Domänen). Im unmagnetisierten Zustand zeigen die Bezirke kreuz und quer in verschiedene Richtungen, ihre Wirkung hebt sich nach außen auf.

Legt man ein äußeres Feld an, richten sich immer mehr Bezirke in dessen Richtung aus. Nach außen entsteht so ein starkes Magnetfeld. Sind irgendwann alle Bezirke ausgerichtet, lässt sich die Magnetisierung nicht weiter steigern – der Werkstoff ist in der Sättigung.

Permeabilität als Werkstoffkennwert

Wie stark ein Werkstoff ein Magnetfeld verstärkt, beschreibt die Permeabilität. Sie ist die zentrale magnetische Werkstoffkenngröße. Üblich ist die Aufteilung in die magnetische Feldkonstante µ_0 (eine Naturkonstante) und die relative Permeabilität µ_r, die rein vom Werkstoff abhängt:

Die magnetische Feldstärke H, die Flussdichte B und der magnetische Fluss Φ sind die Grundgrößen des Magnetfelds – sie werden hier nur mit ihren Einheiten gebraucht, um die Permeabilität zu definieren. Das magnetische Feld selbst ist ein eigenes Thema.

Der entscheidende Punkt für die Werkstoffkunde ist µ_r. Für Luft und die meisten Werkstoffe liegt µ_r praktisch bei 1. Ferromagnetische Werkstoffe dagegen erreichen Werte von mehreren hundert bis weit über zehntausend. Das bedeutet: Bei gleicher Feldstärke H entsteht in einem ferromagnetischen Werkstoff eine vielfach höhere Flussdichte B. Genau deshalb baut man Motoren- und Trafokerne aus Eisen und nicht aus Luft.

Ein weiteres Werkstoffmerkmal ist die Curie-Temperatur. Oberhalb dieser Temperatur bricht die geordnete Ausrichtung der Weiss-Bezirke zusammen, und der Werkstoff verliert seine ferromagnetischen Eigenschaften. Er verhält sich dann nur noch paramagnetisch. Bei Eisen liegt diese Grenze sehr hoch, aber sie zeigt, dass Magnetwerkstoffe temperaturabhängig sind.

Ferromagnetische Werkstoffe lassen sich danach unterscheiden, wie leicht sie sich magnetisieren lassen und wie gut sie eine Magnetisierung halten. Das ist die wichtigste Einteilung für die Praxis – und sie lässt sich an einer einzigen Kurve ablesen: der Hystereseschleife.

Die Hystereseschleife

Magnetisiert man einen ferromagnetischen Werkstoff auf und wieder ab, folgt die Flussdichte B nicht einfach der Feldstärke H zurück, sondern hinkt hinterher. Trägt man B über H auf, ergibt sich eine geschlossene Schleife. Zwei Werte daran sind entscheidend:

• Die Remanenz ist die Flussdichte, die übrig bleibt, wenn das äußere Feld wieder null ist. Sie zeigt, wie gut der Werkstoff eine Magnetisierung behält.
• Die Koerzitivfeldstärke ist die Feldstärke, die man entgegengesetzt anlegen muss, um die Magnetisierung wieder auf null zu bringen. Sie zeigt, wie schwer sich der Werkstoff entmagnetisieren lässt.

Die Form der Schleife teilt die Werkstoffe in zwei Gruppen.

Weichmagnetische Werkstoffe

Weichmagnetische Werkstoffe haben eine schmale Hystereseschleife: kleine Remanenz, kleine Koerzitivfeldstärke. Sie lassen sich leicht magnetisieren und ebenso leicht wieder entmagnetisieren. Genau das braucht man überall dort, wo das Magnetfeld ständig umgepolt wird – in Transformatoren und in den Kernen von Motoren und Generatoren.

Typische Vertreter sind Elektroblech (legiertes Stahlblech, auch Trafoblech oder Dynamoblech genannt) und Ferrite (keramische Werkstoffe für höhere Frequenzen).

Bei jeder Ummagnetisierung entstehen Verluste, die als Wärme abgehen – die Ummagnetisierungsverluste. Sie haben zwei Ursachen. Die erste sind die Hystereseverluste: Je breiter die Schleife, desto mehr Energie geht pro Durchlauf verloren. Deshalb sind weichmagnetische Werkstoffe mit schmaler Schleife hier im Vorteil. Die zweite Ursache sind Wirbelströme: Das wechselnde Magnetfeld induziert im leitfähigen Kern selbst kleine Kreisströme, die ihn aufheizen. Um diese Wirbelströme zu unterdrücken, baut man Kerne nicht aus einem massiven Block, sondern aus vielen dünnen, gegeneinander isolierten Blechen. Die Schichtung unterbricht die Strompfade und senkt die Verluste deutlich. Das ist der Grund, warum jeder Trafo- und Motorkern aus geschichteten Blechen besteht.

Hartmagnetische Werkstoffe

Hartmagnetische Werkstoffe haben eine breite Hystereseschleife: große Remanenz, große Koerzitivfeldstärke. Sie sind schwer zu magnetisieren, behalten ihre Magnetisierung dann aber dauerhaft und lassen sich nur mit großem Aufwand wieder entmagnetisieren. Das macht sie zu Dauermagneten.

Wichtige Werkstoffe sind hier AlNiCo (Eisen-Aluminium-Nickel-Kobalt), Hartferrite (kostengünstig, weit verbreitet) und die starken Selten-Erd-Magnete aus Neodym-Eisen-Bor und Samarium-Kobalt. Neodym-Magnete liefern die höchste Feldstärke pro Volumen, sind aber temperaturempfindlich: Über eine bestimmte Temperatur verlieren sie dauerhaft an Magnetisierung. Samarium-Kobalt hält höhere Temperaturen aus, ist aber teurer.

Die Einteilung in weich- und hartmagnetisch entscheidet, welcher Werkstoff wo verbaut wird.

Weichmagnetisch sitzt überall dort, wo ein Feld geführt oder ständig umgepolt wird. Das geschichtete Elektroblech bildet die Kerne von Transformatoren, Motoren und Generatoren. Ferritkerne stecken in Drosseln, Speicherdrosseln und Übertragern, vor allem bei höheren Frequenzen, wo Wirbelstromverluste sonst zu groß würden.

Hartmagnetisch kommt dort zum Einsatz, wo ein dauerhaftes Feld ohne Stromversorgung gebraucht wird. Neodym-Dauermagnete sitzen im Läufer von permanenterregten Synchronmotoren und von elektronisch kommutierten Motoren – der Werkstoff liefert hier das Erregerfeld, das sonst eine stromdurchflossene Wicklung erzeugen müsste. In Sensoren wie Reedkontakten oder Hall-Gebern liefert ein kleiner Dauermagnet das Feld, das die Schaltung auswertet. Hartferrite finden sich in einfacheren, kostengünstigen Anwendungen wie Haftmagneten oder Lautsprechern.

Bei der Auswahl zählt nicht nur die Feldstärke. Genauso wichtig sind die zulässige Temperatur, die Beständigkeit gegen Entmagnetisierung und der Preis. Selten-Erd-Magnete sind stark, aber teuer und temperaturempfindlich; Hartferrite sind schwächer, dafür günstig und robust.