Unterrichtseinsichten - Schuljahr 2015/2016 - Physik 10d

Halbleiter

• Betrachtet man die Leitfähigkeit verschiedener Stoffe, so kann man grob zwischen Leiter, Halbleiter und Nichtleiter unterscheiden.
• Leiter findet man vor allem im Bereich der Metalle. Kupfer, Silber und Gold sind sehr gute Leiter.
  Die Leiter haben Elektronen (Valenzelektronen), die sich sehr leicht vom Atom abtrennen lassen. Schon durch die Umgebungswärme werden die Elektronen frei gesetzt und stehen für den Ladungstransport (=Strom) zur Verfügung.
• Halbleiter (Germanium, Silizium) besitzen 4 Außenelektronen, die mit den Außenelektronen benachbarten Atome eine feste Gitterstruktur bilden. Freie Elektronen gibt es nicht, aber schon eine geringe Energiegabe (Handwärme, Kerzenflamme) kann einige Außenelektronen freisetzen, sodass ein geringer Stromfluss erzeugt werden kann.
• Nichtleiter (Glas, Porzellan) haben Elektronen, die sich nicht durch Erwärmen von den Atomen trennen lassen. Erst bei hohen Temperaturen setzt hier eine Freisetzung der Elektornen ein.
• Die Gegenüberstellung der Energiebänder (=Energiebereiche mit Energieen, die die Elektronen besitzen können) macht den Unterschied zwischen Leiter, Halbleiter und Nichtleiter deutlich:
  
  Bei Leitern ist das Leitungsband (unten) nur halb gefüllt. Elektronen können sich im freien Bereich des Bandes (bei geringfügiger Energiezufuhr) praktisch frei bewegen.
  Bei Halbleitern ist das untere Energieband voll gefüllt. Elektronen können sich nicht bewegen. Aber durch geringe Energiezufuhr können Elektronen in das Energieband gehoben werden, das sich sehr nahe am vollen Band befindet. Dort sind dann die Elektronen auch frei beweglich. Es gibt aber wesentlich weniger freie Elektronen als bei einem Leiter.
  Bei Nichtleitern ist das untere Energieband voll gefüllt. Es kann keine Bewegung der Elektronen geben. Bei sehr hoher Energiezufuhr können die Elektronen aber in das wesentlich höhere Energieband gehoben werden. Dann setzt auch in einem Nichtleiter der Ladungstransport ein.
• Zur Frage, wozu man Halbleiter benötigt, haben wir einen kleinen Einblick genommen in die automatische Berechnung von Dualzahlen bei einem Computer.
  In Stichworten: Halbleiterbausteine können als Schalter benutzt werden. Schalterkombinationen können zu UND-, ODER- und NICHT-Bausteinen zusammengesetzt werden. Mit diesen Bausteinen lassen sich Rechnungen im Dualsystem durchführen.

2015-09-14

• Thermoelemente und Peltierelemente
  Versuch: Wird die Kontaktstelle von 2 verschiedenen elektrischen Leitern erwärmt, so entsteht an den Enden der Leiter eine Spannung.
  
  Je wärmer es wird, desto größer wird die Spannung,
  je kälter es wird, desto mehr geht die Sannung zurück.
  Deutung: Elektronen treten aus einem Metall je nach Material unterschiedlich gut in ein benachbartes Material über.
  Dadurch wird eines der Materialien negativ und das andere positiv aufgeladen.
  Werden die Materialien erwärmt, bewegen sich die Elektronen schneller und die gegenseitige Aufladung vergrößert sich.
  Man misst also eine höhere Spannung.
  Thermoelemente eignen sich gut zur genauen Messung von Temperaturen.
• Oft sind Vorgänge in der Natur umkehrbar, so auch hier:
  Während man beim Thermoelement über eine Erwärmung eine Spannung erzeugt, wird bei einem Peltierelement durch Anlegen einer Spannung die Verbindungsstelle zweier Metalle erwärmt bzw. abgekühlt.
  Peltierelemente setzt man für Kühlschränke oder Warmhalteboxen ein.
• Ergänzungen zum Begriff Heißleiter und Kaltleiter
  Der Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke wird für eine Kohlefadenlampe (rechts), eine Glühlampe (Mitte) und einen Eisendraht (links, schon zur Kühlung im Wasserbad) untersucht.
  
• Kohlefadenlampe
  
  Das Diagramm zeigt, dass bei wachsender Spannung die Stromstärke immer mehr zunimmt.
  Man kann den Kohlefaden also als Heißleiter einstufen.
  Die bessere Leitung bei höherer Temperatur kommt daher, dass dann weitere Ladungsträger frei gesetzt werden.
• Glühlampe
  
  Bei steigender Spannung nimmt durch den Stromfluss die Temperatur des Leiters zu.
  Dadurch erhöht sich der Widerstand und die Stromstärke kann nicht in gleichem Maße ansteigen wie bei kaltem Leiter.
  Der Draht der Glühlampe ist also als Kaltleiter einzustufen.
• Eisendraht
  
  Das Diagramm zeigt einen ähnlichen Verlauf wie bei der Glühlampe.
  Auch der Eisendraht ist also ein Kaltleiter.
  Wird der Eisendraht gekühlt (z. B. im Wasserbad), so gilt bei ihm näherungsweise das Ohmsche Gesetz U~I:
  

2015-09-21

• Aufbau eines Halbleiter-Kristalls (Silizium, Germanium)
  Die Atome besitzen 4 Valenzelektronen. Verbindet sich im Atomgitter jedes Atom mit 4 weiteren gleichartigen Atomen, so haben alle Atome auf Grund der gemeinsam genutzten Valenzelektronen Edelgaskonfiguration.
  Da keine Valenzelektronen mehr für elektrische Leitung zur Verfügung stehen, ist ein Atomgitter aus Silizium oder Germanium eingentlich ein perfekter Nichtleiter.
  In der Simulation (Halbleiter-Simulation von Roland M. Eppelt und Prof. Dr. H.-G. Bruchmüller) wird das deutlich, indem keine freien Elektronen (kleine blaue Punkte) zu sehen sind, sondern nur größere grüne Punkte (Atomkerne) und kleine grüne Punkte (Valenzelektronen):
  
  Die Bindung der Valenzelektronen ist aber so schwach, dass schon auf Grunde der Wärmebewegung einzelne Elektronen frei gesetzt werden und zur elektrischen Leitung beitragen können.
  Will man die Leitfähigkeit vergrößern, so kann man den Kristall "dotieren".
  Dazu ersetzt man einzelne Atome durch Donatoren (donare - geben; 5 Valenzelektronen) und Akzeptoren (accipere - annehmen; 3 Valenzelektronen).
  Das 5. Elektron der Donatoren wird nicht zur Bindung benötigt und kann deshalb leicht abgespalten werden.
  Da bei 3 Valenzelektronen ein Elektron zu Bindung fehlt, wird die Fehlstelle durch andere Valenzelektronen aus dem Gitter gefüllt, wodurch an anderen Stellen Fehlstellen entstehen.
  Von außen sieht das dann so aus, als ob sich positive Ladungen durch den Kristall bewegen würden.
   
  Halbleiter, die Donatoren enthalten werden n-Halbleiter genannt, weil sich in ihnen negative Ladungsträger bewegen.
  Halbleiter, die Akzeptoren enthalten werden p-Halbleiter genannt, weil sich in ihnen positive Ladungsträger bewegen.
• Halbleiter-Diode
  Werden ein n- und ein p-Halbleiter miteinander verbunden, so treten an der Berührungsstelle Elektronen aus dem n-Halbleiter in den p-Halbleiter.
  Es bildet sich an der Nahtstelle eine ladungsträgerfreie Zone aus.
  
  Wird eine Spannung an den Halbleiter gelegt, so können 2 unterschiedliche Zustände eintreten:
  
  1. Der Minuspol liegt am p-Halbleiter und der Pluspol am n-Halbleiter.
  Dadurch werden die Elektronen im n-Halbleiter abgezogen und die Raumladungszone verbreitert sich.
  Es fließt kein Strom.
   
  
  2. Der Minuspol liegt am n-Halbleiter und der Pluspol am p-Halbleiter.
  Dadurch werden Elektronen in den n-Halbleiter gedrückt und die Raumladungszone wird kleiner.
  Es fließt Strom.
  
• Transistor
  Die Funktionsweise eines Transistors (3 Halbleiter n-p-n oder p-n-p hintereinander) haben wir uns mit folgender Simulation veranschaulicht:
        
  Zwischen den Halbleitern (oben (Kollektor) und unten (Emitter) n-Halbleiter, in der Mitte (Basis) p-Halbleiter) bildet sich jeweils eine ladungsfreie Zone aus.
  Es kann also kein Strom fließen.
  Eigentlich dürfte auch kein Strom fließen, wenn eine Spannung an an den Emitter und den Kollektor angelegt wird, unabhängig von der Polung, weil immer eine Trennschicht dadurch größer wird Im gezeigten Fall oben).
  Mit Hilfe des Anschlusses an dem mittleren Halbleiter (Basis) kommt aber doch ein Stromfluss zustande:
  Beim n-p-n Transistor 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 gilt das Gleiche. Lediglich die Polung muss vertauscht werden: Am Emitter liegt der Pluspol, an der Basis und am Collector der Minuspol.
• Anwendung des Transistors z. B. als Verstärker (kleiner Emitter-Basis-Strom bewirkt starken Emitter-Kollektor-Strom mit zum Basis-Strom proportionaler Stromstärke)
  oder als Schalter in logischen Schaltungen (Computerschaltungen) durch An- und Ab-Schalten des Kollektor-Stroms durch An- und Abschalten des Basis-Stroms.

2015-09-28

• Aktuell: Der Super-Blut-Mond
  siehe dazu folgende Informationen: Leifi-Physik, Mondfinsternis.net, Finsternis-Gebhard, Wikipedia, Spiegel-Artikel, Bildergalerie