Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2011/2012 - Physik 9f

Halbleiter

• Gute elektrische Leiter sind z.B. Kupfer, Silber und Gold
  Aus Kostengründen wird für Kabel meistens Kupfer eingesetzt.
• Nichtleiter (also Materialien, die den elektrischen Strom (fast) nicht leiten) sind z.B. Kunststoffe, Stein, Glas, Porzellan.
• Die Gruppe der Stoffe, die von ihren Leitungseigenschaften zwischen Leitern und Nichtleitern liegt, nennt man Halbleiter.
  Seit gut 50 Jahren kommt man ohne diese Halbleiter (z.B. Silizium und Germanium) nicht mehr in der Technik aus.
  Kompakte Computer, Radios, Fernseher, Telefone, Taschenrechner usw. sind ohne Halbleiter nicht vorstellbar.
• Auch als Energiewandler werden Halbleiter immer wichtiger. Einige Beispiele:
• Mit Hilfe von Solarzellen (Fotovoltaik) wird Licht in Energie umgewandelt.
  
  Fällt Licht auf eine Solarzelle, so kann man an den beiden Anschlüssen der Solarzelle eine Spannung messen, die von der Lichtintensität abhängig ist.
  
• Legt man an (geeignete) Halbleiter eine Spannung an, so geben diese Halbleiter Licht ab (LED).
  Im Handel werden immer mehr Lichtquellen mit LEDs angeboten (Taschenlampen, Lichtbänder, Lichtflächen, "Backlight"-Beleuchtung von Bildschirmen usw.).
  Vorteil der LEDs ist die viel bessere Energieausnutzung als bei Glühlampen.
• In Thermogeneratoren erzeugen Halbleiter bei Erwärmung einer Seite und Abkühlung (oder konstanter Temperatur) der anderen Seite eine elektrische Spannung.
  Legt man umgekehrt an einen solchen Halbleiter eine Spannung an, erwärmt sich die eine Seite des Halbleiters und die andere Seite kühlt sich ab (Anwendung: Kühlschrank).
  
• Wichtig zu wissen:
  Physikalische Vorgänge lassen sich oft umkehren.
  Beispiele:
• Lichtwege sind umkehrbar: Sehe ich eine Person in einem Spiegel, so sieht diese Person mich auch.
• Falle ich auf ein Trampolin, so spanne ich das Trampolin und meine Bewegung wird gestoppt.
  Befinde ich mich in Ruhe auf einem gespannten Trampolin, so wird sich das Trampolin entspannen und mich dabei wegschleudern.
  
• Fällt Licht auf eine Solarzelle, so entsteht eine Spannung.
  Wird eine Spannung an eine Solarzelle angelegt, so entsteht Licht.
• Wird ein Halbleiter erwärmt, so entsteht eine Spannung.
  Wird an den Halbleiter eine Spannung angelegt, so wird er warm.
  
• Im Schülerversuch habt Ihr Sonnenlicht und das Licht der Lampen im Physikraum auf Solarzellen fallen lassen und gemessen, welche Spannung an den Anschlüssen der Solarzellen entsteht. Dabei habt Ihr untersucht, wie sich unterschiedliche Einfallswinkel des Lichts auf die Höhe der Spannung auswirken und was sich and er Spannung ändert, wenn man mehrere Solarzellen hintereinanderschaltet.
  Hier einige Messergebnisse (die kleinen Solarzellen haben die Größe 6,5cmx9,5cm):
• 1 Zelle: maximale Spannungen waren 0,195V, 0,349V, 0,296V, 0,250V, 0,175V
• 2 Zellen: 0,349V, 0,240V
• 3 Zellen: 0,390V, 0,300V
  
• große Solarzellenanordnung (77cmx157cm): 37V
• Hausaufgabe: Auswertung der Messergebnisse

• Es hat sich in den Versuchen der letzten Stunde gezeigt, dass die durch Solarzellen erzeugte Spannung steigt, wenn mehr Solarzellen hintereinander geschaltet werden. Allerdings geschieht die Zunahme nicht unbedingt proportional zur Anzahl der Solarzellen.
• Leider ist es so, dass unter "Belastung" die Spannung der Solarzelle sinkt, d.h. wenn man ein elektrisches Gerät mit einer Solarzelle betreiben will und dabei ein Strom fließt, sinkt die Spannung.
  Die Leistung einer Solarzelle ist empfindlich davon abhängig, wie groß die Stromstärke und die Spannung sind.
  Die Leistung P ergibt sich aus dem Faktor von Spannung U und Stromstärke I:   P=U·I
  Für verschiedene Wertepaare (U/I) ergeben sich unterschiedliche Leistungen.
  
• Ihr habt im Schülerversuch versucht, den besten Arbeitspunkt einer Solarzelle zu finden.
  Dazu wurden eine Solarzelle und ein Drehpotenziometer (veränderbarer Widerstand) hintereinander in einen Stromkreis geschaltet. Bei konstanter Beleuchtung der Solarzelle wurden dann bei unterschiedlichen Widerständen Wertepaare (U/I) gemessen.
  
  Messwerte:
  
• Auswertung der Messung
  Eintragen der Messwerte in die Listen L1 und L2 des Taschenrechners und Darstellung als Messpunkte im U-I-Diagramm:
             
  Man sieht, dass bei hoher Spannung die Stromstärke geringt ist und bei hoher Stromstärke die Spannung gering ist.
  In der nächsten Stunde werden wir dann den besten Arbeitspunkt dieser Solarzelle suchen.
  

• Versuch mit LED
  Eine LED (Leuchtdiode) wird mit einem Vorwiderstand in Reihe geschaltet.
  Im Versuch habt ihr gesehen, dass die Leuchtdiode nur dann leuchtet, wenn die Pole der Spannungsquelle so wie eingezeichnet gewählt werden.
  
• Zur Klärung der Frage, warum das so ist, haben wir begonnen, mehrere Simulationen auf der Buch-CD angeschaut (Heißleiter, Kaltleiter, n- und p-dotierte Halbleiter).
  

• Besprechung und letzte Auswertung des Versuchs vom 31. August:
  Wir hatten bereits das U-I-Diagramm der Solarzelle hergestellt (waagrecht Spannung U, senkrecht Stromstärke I).
  Den Arbeitspunkt einer Solarzelle findet man, indem man untersucht, bei welcher Spannung die Solarzelle die maximale Leistung erbringt.
  Die Leistung P berechnet man als Produkt aus der Spannung U und der Stromstärke I.
  In die Listen L1 und L2 des Taschenrechners werden die (geordneten) Messwerte eingegeben und in L3 wird dann die Leistung berechnet:
             
  Man sieht, dass die größte Leistung beim 2. Teilstrich auf der waagrechten Leiste erbracht wird, also für die Spannung 100mV=0,1V.
  
  
• In Vorbereitung zu Versuchen zu Heiß- und Kaltleitern haben wir die Abhängigkeit der Stromstärke von der Temperatur bei einem Glühdraht besprochen.
  Es wird die Stromstärke in Abhängigkeit von der Spannung gemessen.
  
  

• Auswertung der Messung:
  Messreihe:
  graphische Darstellung im Taschenrechner:  
  Mit einer Glühlampe im Stromkreis erhält man keine Gerade (wie bei der Besprechung des Ohmschen Gesetzes U~I), sondern eine gekrümmte Linie.
  Mit ansteigender Spannung nimmt die Stromstärke nicht proportional, sondern immer weniger stark zu.
  Grund ist die Erwärmung des Drahtes bei steigender Spannung (bis zur Rotglut): Je wärmer er wird, desto mehr bewegen sich die Atome und die Elektronen stoßen immer häufiger an die Atome und verlangsamen ihr Vorankommen. Damit sinkt die Stromstärke.
• Wir haben uns die Abhängigkeit zwischen Spannung und Widerstand auch in Echtzeit mit Hilfe des Computers angeschaut:
  
  Bei einem Konstantan-Draht und einem Eisen-Draht wurde bei verschiedenen Spannungen die Stromstärke gemessen.
  Waagrecht ist jeweils die Spannung und senkrecht die Stromstärke abgetragen.
  Konstantan:  
  Beim Konstantandraht sind Spannung und Stromstärke proportional. Es ergibt sich eine Gerade, ganz gleich, ob die Spannung schnell oder langsam verändert wird.
  Konstantan ist eine Legierung aus verschiedenen Stoffen, die so gewählt sind, dass die Spannung und die Stromstärke proportional sind.
  Eisen:     
  Beim Hochregeln der Spannung ergibt sich jeweils der obere Teil der Messkurve, beim Herunterregeln der untere Teil.
  Links wurde die Spannung relativ langsam geändert, mehrfach wurde die Spannung für eine Sekunde auf einem Wert belassen.
  Bei der mittleren Messkurve wurde die Spannung sehr schnell hochgeregelt. Im Bereich von 7 bis 18 Volt war der Messbereich für die Stromstärke nicht ausreichend, so dass die Messkurve oben abgeschnitten wurde.
  Rechts wurde die Änderung der Spannung sehr langsam durchgeführt. Trotzdem ergaben sich beim Hoch- und Herunterfahren der Spannung verschiedene Messkurven.
  Zu erklären ist die Form der Messkurven dadurch, dass sich je nach Erwärmung des Drahtes die Stromstärke verändert: Bei wachsender Spannung ist der Draht noch kühl und erwärmt sich erst, so dass die Stromstärke relativ groß ist, bei fallender Spannung ist der Draht noch warm und die Stromstärke entsprechend klein.

• Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur eines Eisendrahtes:
• Ein Eisendraht wird bis zur Rotglut erhitzt. Dabei wird ein U-I-Diagramm aufgenommen:
   
  Bei steigender Temperatur wird der Widerstand des Drahtes größer. Die Stromstärke steigt bei steigender Spannung nicht mehr so stark wie bei kleinen Spannungen.
  
• Wird der Eisendraht im Wasserbad gekühlt, ergibt sich folgendes U-I-Diagramm:
   
   
  Da die Temperatur konstant bleibt, gilt das Ohmsche Gesetz U~I. Es ergibt sich im Schaubild also eine Ursprungs-Gerade.
  
• Das U-I-Diagramm zeigt zwar eine Ursprungsgerade, die erreichte Stromstärke ist aber nur einen Bruchteil (ca. 1/100) so groß wie bei der Leitung durch den Draht.
  
  
• Wenn die Temperatur konstant ist, gilt bei Drähten das Ohmsche Gesetz U~I (Die Spannung ist proportional zur Stromstärke).
• Versuche mit Halbleitern
  
  In einen einfachen Stromkreis werden nacheinander verschiedene Halbleiter eingebaut.
  Die Stromstärke wird bei konstant gehaltener Spannung gemessen.
• Beobachtungen:
• Beim NTC-Halbleiter-Widerstand wird die Stromstärke bei steigender Temperatur höher, d.h. der Widerstand wird kleiner.
  Deshalb nennt man diese Widerstände auch Heißleiter.
• Beim PTC-Baustein wird die Stromstärke bei steigender Temperatur kleiner, d.h. der Widerstand wird größer.
  Deshalb nennt man diese Widerstände auch Kaltleiter.

• In der letzten Stunde waren die Versuche zum PTC- und NTC-Widerstand nicht eindeutig.
  Wenn ihr den Widerstand zwischen 2 Fingern eingeschlossen habt und er so erwärmt wurde, stieg die Stromstärke bei beiden Widerständen an.
  Beim PTC-Widerstand hätte die Stromstärke aber geringer werden müssen.
  Wir haben deshalb diesen Versuch wiederholt und die Erwärmung mit Feuer (Streichholz) vorgenommen.
  Nun zeigte sich eindeutig das Ergebnis, das für die letzte Stunde auch notiert ist.
• Warum funktionierte der Versuch denn nun aber nicht mit der Wärme der Hand?
  Es lag wahrscheinlich daran, dass die Finger die beiden Zuführungsdrähte berührten und dadurch ein Strom durch die Finger hindurch einen größeren Strom durch den Widerstand vortäuschten.
• Recherche über n- und p-dotierte Halbleiter und Dioden. Nächste Stunde Präsentation der Suchergebnisse.

• Die Funktionsweise eines Transistors (3 Halbleiter n-p-n oder p-n-p hintereinander) haben wir in der Simulation der Buch-CD gesehen.
        
  Beim n-p-n Transistor (links) wird an den Emitter der Minuspol und an den Collector der Pluspol einer Spannungsquelle gelegt.
  Da sich an der oberen Grenzschicht zwischen p- und n-Halbleiter die ladungsarme Trennschicht ausweitet, fließt kein Strom.
  Erst wenn die Basis mit dem Pluspol verbunden wird, fließt ein Strom zwischen Emitter und Basis, wobei viele Elektronen über die p-n-Grenzschicht hinweggeschleudert werden.
  Somit fließt auch ein Strom zwischen Emitter und Collector.
  Beim p-n-p Transistor (rechts) gilt das Gleiche. Lediglich die Polung muss vertauscht werden: Am Emitter liegt der Pluspol, an der Basis und am Collector der Minuspol.
• Beispiele für die Anwendung eines Transistors:
• Der Transistor als Schalter:
  
  Der p-n-p Transistor schaltet durch, d.h. die Lampe leuchtet, wenn das blaue Kabel (Basis) mit dem Minuspol (oberer Anschluss) verbunden wird.
  Ist das blaue Kabel mit dem (unteren) Pluspol verbunden, leuchtet die Lampe nicht.
  Der Transistor hat also hier die Funktion eines elektrischen Schalters.
• Der Transistor als Verstärker:
  
  Statt der Lampe wurde nun ein (Schutz-)Widerstand eingesetzt und die Stromstärke zwischen Emitter und Collector wurde in Abhängigkeit von der Stromstärke zwischen Emitter und Basis gemessen:
  
  Auswertung mit dem Taschenrechner:
             
  
          
  Die Messpunkte liegen näherungsweise auf einer Geraden.
  Mit der Regression LinReg findet man die Funktionsgleichung y=13,4·x+0,2 oder näherungsweise y=13·x.
  Es besteht also eine lineare Abhängigkeit zwischen Basis- und Collectorstrom.
  Ein kleiner Basisstrom wird im Collectorstrom auf das 13-fache verstärkt.
  

• Wiederholung zur Arbeit
  Vielleicht hilft euch auch die Leifi-Halbleiter-Seite bei der Wiederholung

• Wiederholung zur Klassenarbeit

• Klassenarbeit 1  [ Aufgaben | Lösungen ]