Innerhalb der Kristallgitterstruktur von Halbleitermaterialien, die normalerweise nicht magnetisch und bei niedrigen Temperaturen nicht leitend sind, wechselwirken die Elektronen der einzelnen
Atome miteinander. Sie sind dann nicht mehr dem einzelnen Atom zugeordnet, sondern bilden durchgehende Energiebereiche, die so genannten Bänder. Wichtig für die elektrische Leitfähigkeit sind die Valenzelektronen, die auf der äußersten Schale der beteiligten Atome liegen und stark miteinander wechselwirken.

Bei Metallen ist das Valenzband von vornherein nicht voll besetzt, der Abstand zur nächsten Bandlücke ist groß und Metalle leiten Strom auch bei tiefen Temperaturen. Materialien mit voll besetzten Energiebändern und großer Bandlücke sind dagegen als Isolatoren nutzbar, denn sie leiten nicht.

Sprung über die Bandlücke © GFDL

Sprung über die Bandlücke
Auch bei Halbleitern ist das Valenzband mit einer geraden Anzahl von Elektronen zunächst voll besetzt: Es kann keine zusätzlichen Elektronen aufnehmen, also leitet der Halbleiter keinen Strom. Bei Energiezufuhr jeodch, etwa durch Wärme, können Elektronen aus dem Valenzband auf ein höheres Energieniveau ins so genannte Leitungsband gehoben werden. Dazu überwinden sie eine „verbotene Zone“, die Bandlücke. Diese ist in Halbleitern relativ klein und daher schon durch schwache Energiezufuhr zu überwinden. Der Elektronensprung hinterlässt im Valenzband ein Loch.

Durch diese Löcher kommt Bewegung ins Valenzband: Der Halbleiter leitet Strom. Durch die Dotierung, das heißt die Einfügung einzelner Atome eines anderen Materials mit ungerader Anzahl von Valenzelektronen, kann der Halbleiterkristall absichtlich ein wenig „in Bewegung“ gebracht werden, so dass die Elektronen die Bandlücke noch leichter überwinden können.

Variante 1: natürlich, aber nicht dauerhaft
Sie beschreiten dabei zwei Wege: Der eine geht von ferromagnetischen Metallen aus, wie zum Beispiel Eisen. In Eisen ist die Zahl der Elektronen mit Auf- und Ab-Spin auf natürliche Weise unausgeglichen, es ist ein magnetisches Metall. Wenn dünne Eisenschichten auf Halbleiter wie Silizium oder Galliumarsenid aufgedampft werden und man eine elektrische Spannung zwischen den Materialien anlegt, dann diffundieren Elektronen aus dem Eisen in den Halbleiter hinein.

	Elektronen in den beiden verschiedenen Spinrichtungen © RUB

Da Eisen über mehr Elektronen der einen Spinrichtung als der anderen verfügt, gelangen von der einen auch mehr in den Halbleiter: Der Halbleiter wird magnetisch. Mit dieser Methode ist es inzwischen gelungen, Magnetismus in Halbleitern über mehrere Mikrometer Schichtdicke und über mehrere Nano- bis Mikrosekunden aufrecht zu erhalten. Nach dem Abstellen der Spannung verteilen sich die Elektronen und mit ihnen die Spins allerdings bald wieder wie zuvor und damit endet auch der Magnetismus.

Variante 2: dauerhaft,aber zu kalt
Ein anderer Weg zur Erzeugung dauerhaft magnetischer Halbleiter ist die Implantation magnetischer Ionen in Halbleitermaterialien, die so genannte Dotierung. Dabei werden Ionen im Teilchenbeschleuniger auf Halbleitermaterialien geschossen, dringen in sie ein und besetzen einzelne Plätze im Kristallgitter des Halbleiters. Durch Dotieren von magnetischem Mangan in Galliumarsenidhalbleitern ist es zum Beispiel möglich, homogene und dauerhafte magnetische Halbleiter herzustellen.

Allerdings sind sie nur bis zu einer Temperatur von etwa -113°C magnetisch – viel zu tiefe Temperaturen für technische Anwendungen. Der Grund dafür ist, dass Wärme immer Unordnung mit sich bringt, die die magnetischen Wechselwirkungen zunichte macht. Was also tun?