Technische Anwendung der Quantenphysik

 PhysikFacharbeit13.Klasse
Technische
Anwendungder
Quantenphysik
EinÜberblickmitbesondererBerücksichtigungderHalbleiter
Tim J. Peters 29.01.2012 Kurzfassung(„abstract“)
Nachdem die Quantenphysik das physikalische Verständnis unserer Welt auf den Kopf gestellt, dabei aber auch Erklärungen für vorher Unerklärbares geliefert hat, haben quantenphysikalische Überlegungen in den letzten 80 Jahren immer wieder Einfluss auf die technische Entwicklung genommen. Auch für die Erweiterung des Arsenals der Messtechniken, durch die Erfindung des Rastertunnelmikroskops kann die Quantenphysik verantwortlich gemacht werden. Hierbei wird sich die Eigenschaft von Quantenobjekten mit einer bestimmten, geringen Wahrscheinlichkeit überall zu sein zu Nutze gemacht um Abstände zu messen. Auch in der bildgebenden Medizintechnik hat die Quantenphysik längst Einzug gehalten. Messungen, wie die Kernspintomographie, bei der anhand der „Abklingzeit“ des Kernspin Rückschlüsse auf die Zusammensetzung z.B. eines Körperteils gemacht werden, retten längst Leben. Zu guter Letzt ist natürlich die Halbleitertechnologie zu nennen. Diese, auf quantenphysikalischen Theorien fußende Technik, bei der Stoffe hergestellt werden können, die nur unter bestimmten Bedingungen elektrischen Stromfluss zulassen, ist Grundlage von vielen technischen Geräten in unserem Alltag, die es in dieser Form ohne die Technologie nicht gäbe. Grade durch die Halbleitertechnologie hat uns die Quantenphysik indirekt, nämlich durch den ausgelösten technischen Fortschritt fast genauso viel tangiert, wie die herkömmliche Physik dies jeden Tag tut und immer getan hat. Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters So konnte auf Basis von quantentheoretischen Überlegungen zur Besetzung von Energieniveaus, der Laser erfunden werden, dessen Urform erst dadurch möglich wurde, dass ein Weg gefunden wurde, bei dem mehr sich Atome in einem energetisch angeregten als im Grundzustand befinden und es so zur Verstärkung von Lichtwellen durch induzierte Emission kommen kann. 2 Inhaltsverzeichnis
Titel
Kurzfassung|„abstract“
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
Hauptteil
 Entscheidende„Erkenntnisse“derQuantenphysik
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

LichtverstärkungdurchstimulierteEmissionvonStrahlung
Rastertunnelmikroskop
Medizintechnik
 AusbildungvonEnergiebänderninFestkörper/Halbleiter

Einflussgebiet
Fazit
Anhang
 Material
 Quellenangabe
ErklärungüberdieselbstständigeAnfertigungderArbeit
Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters  TechnischeErrungenschaften
3 Einleitung
D
Schaut man sich die Reihe der Erfindungen, die erst durch die Quantenbetrachtung von Materie möglich wurden an, so stellt man fest, dass dies kein neues Phänomen ist: Erste Erfindungen, zu deren Erklärung es der Quantenphysik bedarf, finden sich schon 1874 (Halbleiter – noch ohne quantentheoretische Erklärungsgrundlage) und entscheidend in den sechziger Jahren des Zwanzigesten Jahrhunderts. Als prominentes Beispiel sei hier sicher die Erfindung des Lasers (dazu später mehr) genannt. Ein früher Höhepunkt dieser neuen Assistenz der Quantenphysik bei technischer Innovation ist wohl die Erfindung der Halbleiter‐Technologie, die so entscheidend wie nur wenige Erfindungen vor ihr (einmal abgesehen von der Entdeckung der Elektrizität oder noch früher des Feuers), das Leben von Milliarden von Menschen tangiert (auch hierzu später mehr). Im Folgenden soll zuerst eine kurze Betrachtung der Quantentheorie selbst und entscheidender deren Folgen für technische Entwicklungen bzw. auf ihr basierender Entwicklungen stattfinden. Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters ie Modelle der Quantenphysik sind nicht nur essentiell für die Erklärung vieler in der modernen Physik beobachteten oder gerade, trotz enormem technischen Fortschritt nicht beobachtbaren Phänomene, sondern sind auch aus dem Bereich technischer Neuentwicklungen längst nicht mehr wegzu‐
denken. Dabei muss aber auch klar gesagt werden, dass die Quantenphysik nicht nur zur Lösung vieler, vorher ungeklärter Phänomene beigetragen hat, sondern die Physik auch vor viele neue Probleme gestellt, ja sogar die gesamte klassische Physik seit Leonardo Da Vinci in Frage gestellt hat. Auch liegt es nahe, dass die Quantenphysik, dadurch, dass sie oft wenn überhaupt nur mit Vorstellungshilfen vorstellbar wird, die vorher so greifbare und verlässliche Physik von vielen Menschen entfernt hat. 4 Hauptteil
Entscheidende„Erkenntnisse“derQuantenphysik/Voraussetzungen
E
In der Welt der Quantenobjekte gilt die Beschreibbarkeit eines Teilchens durch eine Wellenfunktion aber keineswegs nur für Photonen, also für Licht. Jedes (Quanten‐) Teilchen lässt sich auch als Wellenpaket beschreiben (Welle‐Teilchen‐Dualismus). Zu dieser, schon schwer vorstellbaren Erkenntnis der Quantenphysik kommen noch weitere, so dass es bei quantentheoretischen Überlegungen fast immer sinnlos ist, sich Phänomene und deren Erklärungen bildlich vorzustellen. So besagt z.B. die Unschärfetheorie (nach Heisenberg), dass die Kenntnis von einer Eigenschaft eines Quantenobjekts, z.B. der Position immer eine andere Eigenschaft, z.B. die des Impuls ausschließt und invers. Hieraus ergibt sich, dass jedes Teilchen dessen Impulses bekannt ist, gleichzeitig überall sein kann. Weiter besagt die Theorie, dass ich Eigenschaften eines Quantenobjekts, insbesondere dessen Position nie messen kann, ohne sie zu verändern. Vieles lässt sich in der Quantenphysik sowieso nie ganz genau und nur anhand von Wahrscheinlichkeiten ausdrücken – ein weiteres typisches Merkmal der Quantenphysik. Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters in grundlegender und namensgebender Bestandteil der Quantentheorie ist, dass nicht nur jeder Stoff aus vielen, endlich kleinen Teilen, den Atomen besteht, die nicht weiter teilbar sind (daher auch Atom vom griechischen átomos, etwa „das Unzerschneidbare“), sondern das insbesondere Licht aus einzelnen nicht weiter teilbaren Paketen, den Photonen (auch Lichtquanten) besteht, die auch als Wellenpakete endlicher Länge beschrieben werden können. 5 TechnischeErrungenschaften
LichtverstärkungdurchstimulierteEmissionvonStrahlung
Füllten Laser am Anfang noch ganze Gebäude, so passt der einfache Stiftlaser heute in jede Hosentasche. Zum Beispiel zur Datenübertragung per Glasfaser werden sogar Laser auf Halbleiter‐Basis benutzt, die nur wenige Millimeter klein sein können. Laserlicht entsteht, genau wie das Licht anderer Lichtquellen durch den Sprung eines Atoms von einem höheren energetischen Zustand, in einen Quantenzustand mit niedrigerer Energie, so die quantenphysikalische Vorstellung. Die Energiedifferenz der beiden Zustände wird als Licht (Photon) emitiert. Der entscheidende Unterschied ist, dass die „springenden“ Atome beim Laser wie ein Kollektiv agieren, was dem Laserlicht ganz bestimmte, einzigartige Eigenschaften verleiht. ‐
Das Licht des Lasers ist hochgradig gerichtet. Das bedeutet, dass Laserstahlen bei der Ausbreitung nur sehr gering breiter werden. Im Gegensatz zu normalem Licht, dass sich anhand von Linsen auch annähernd parallel fokussieren lässt, verbreitert sich der Strahl eines Lasers selbst auf die Entfernung zwischen Erde und Erdmond auf nur wenige Meter – dies wäre mit einer herkömmlichen Lichtquelle nicht zu schaffen. Dass sich der Laserstrahl überhaupt verbreitert, ist weniger auf seine unmittelbare Natur zurückzuführen, als auf die Beugung an der Austrittsöffnung der Laserlichtquelle. Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters L
aser sind heute aus unserem Alltag aber auch aus Medizin und Technik fast nicht mehr wegzudenken. Menschen wird mit Hilfe von Lasern ihre Sehschwäche genommen, in der Industrie werden selbst kleinste Teile mit höchster Präzision von Lasern „geschnitten“, Abstände LASER ist ein Akronym für das
englische Light Amplification by
werden mit Lasern gemessen, im Supermarkt Stimulated
Emission
of
wird jeder Strichcode von Lasern gelesen und Radiation ( übersetzt in etwa
„Lichtverstärkung durch stimubevor die CD ausstarb, verhalf Laserlicht lierte Emission von Strahlung“).
Millionen von Menschen täglich zu ihrem Als Laser wird sowohl der „VerMusikgenuss. stärkungseffekt“ als auch die
Lichtquelle (auch Laserlampe)
Was dabei oft außer Acht gelassen wird ist, dass bezeichnet.
der Laser erst durch den wissenschaftlichen Fortschritt auf dem Gebiet der Quantenphysik möglich wurde. 6 ‐
Um die Funktionsweise eines Lasers zu erklären, bedarf es neben quantentheoretischen Grundlagen der Kenntnis der Theorie zu diskreten Energieniveaus (Bsp. Bohr‘sches Atommodell oder Potenzialtopf). Für den Laser ist insbesondere die induzierte Emission zu beachten. Hierbei springt das Atom nicht, wie bei der spontanen Emission ohne erkennbare Ursache vom angeregten Zustand in den Grundzustand (Ex ‐> E0) und emittiert dabei ein Lichtquant (Photon). Erst die Bestrahlung des Atoms führt zur Rückkehr in den Grundzustand und der Emission eines zusätzlichen Photons. Das zusätzlich emittierte Photon gleicht der Strahlung, mit der das Atom stimuliert wurde hierbei in Polarisation, Ausbreitungsrichtung, Phase und Energie exakt. Ludwig Boltzmann zeigte Ende des 19. Jahrhunderts, dass, betrachtet man eine größere Anzahl von Atomen normalerweise (im thermischen Gleichgewicht), mehr Atome im Grundzustand als in einem angeregten Zustand sind. Albert Einstein zeigte später, dass die Wahrscheinlichkeit für ein Atom im Grundzustand durch Bestrahlung in einen nächst höheren Zustand zu springen, genauso groß ist, wie die für ein Atom in einem energetischen Zustand über den Vorgang der induzierten Emission ein Photon zu emittieren und in den Grundzustand zu springen. Aus diesen beiden Erkenntnissen folgt, dass im Normalfall mehr Photonen absorbiert als emittiert werden. Für die Entstehung eines Laserstrahls ist es aber essentiell, dass mehr Photonen per induzierter Emission emittiert werden, die eintreffende Strahlung also verstärkt wird. Um dies zu erreichen, müsste die von Boltzmann entwickelte Erkenntnis verändert werden, müssen also mehr Atome in einem energetischen Zustand sein als im Grundzustand – die widerspricht aber dem thermischen Gleichgewicht. Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters ‐
Hinzu kommt, dass Laserlicht sehr stark fokussiert werden kann und so eine sehr hohe Energie (des Strahls, nicht der einzelnen Photonen) pro Quadratzentimeter erreicht werden kann. Laserlicht ist hochgradig monochromatisch. Hierbei ist gemeint, dass das Licht eines Lasers aus nahezu einer einzigen Wellenlänge besteht, während herkömmliches Licht fast immer ein kontinuierliches Spektrum an Wellenlängen abbildet. Selbst andere monochromatische Lichtquellen, wie etwa eine fluoreszierende Neonleuchte (Wellenlängenabweichung von 1 zu 106) kommen an die Exaktheit des monochromatischen Lichts eines Lasers (1 zu 1015) nicht heran. Laserlicht hat eine extrem große Kohärenzlänge. 7 Rastertunnelmikroskopie
Eine weitere Theorie aus dem Gebiet der Quantenphysik, die unmittelbar Einfluss auf die technische Entwicklung hatte und hat ist die des Tunneleffekts, auf dem z.B. das Rastertunnelmikroskop basiert. Der Tunneleffekt beschreibt die Überwindung einer, eigentlich unüberwindbaren Barriere für ein Quantenteilchen, beispielsweise die gegenseitige (räumliche) Überwindung zweier Protonen. Diese stoßen sich eigentlich stark ab. Trotzdem besteht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Proton „durch das andere“ auf dessen Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters Nachdem diese Problemstellung, auf Basis der oben geschilderten quantenphysikalischen Überlegungen erkannt war, konnte an einer Lösung gearbeitet werden. So erst konnte es zur Erfindung des Helium‐Neon‐Lasers kommen. Bei diesem werden Elektronen durch eine mit einem Helium‐Neon‐Gasgemisch gefüllte Röhre geleitet. Diese stoßen mit den Heliumatomen zusammen und versetzen diese in den metastabilen, energetischen Zustand E3 (siehe Abb. 1). Da die Energie des E3‐Zustands des Heliums sehr nah bei der des E2‐Zustands der Neons liegt, überträgt ein Heliumatom, stößt es mit einem Neonatom Abbildung 1 zusammen, oft seine Energie auf dieses und hebt es in seinen E2‐Zustand. Im Vergleich zum E1‐Zustand des Neon wird der E2‐Zustand somit überbesetzt. Kommt es nun zur Emission eines Photons durch den Sprung eines Neon‐Atoms vom E2‐ in den E1‐Zustand, kann das emittierte Photon induzierte Emission mit einem zweiten Photon auslösen. Da durch die Metastabilität des Heliums in E3 ein ständiger Nachschub an Neonatomen im E2‐
Zustand gewährleistet ist, kommt es zur Kettereaktion, die einen kohärenten Strahl roten Laserlichts aufbaut, der sich parallel zur Röhrenachse ausbreitet. Dieser Laserstrahl kann nun durch Spiegelung an den Röhrenenden noch weiter verstärkt werden. 8 andere Seite gelangt, vergleichbar mit einer Kugel in der Mechanik, die eigentlich nicht genug kinetische Energie besitzt um einen Hügel hinauf zu rollen und trotzdem auf dessen anderer Seite landet, quasi wie durch einen Tunnel (daher der Name Tunneleffekt). Beim Rastertunnelmikroskop fährt eine Sonde parallel zu einer zu erkundenden, leitenden Fläche, mit einem Abstand der nur minimal größer null ist (Abstand im Nanometerbereich) über diese. Da der Abstand nicht null ist, existiert zwischen der Oberfläche und der Sonde eine Potentialbarriere. Ändert sich die angelegte Spannung an der Sonde, so ist dies also einzig mit dem Tunneleffekt zu erklären. Die Wahrscheinlichkeit für diesen Tunnelstrom hängt exponentiell mit kleinsten Abstandsveränderungen zwischen Sonde und leitender Fläche zusammen. Somit lässt sich anhand des Tunnelstroms auf den Abstand zwischen Sonde und Fläche und damit die Höhe der Fläche an diesem Punkt schließen. Fährt man die Fläche vollständig ab (Raster), so erhält man das Höhenprofil der Fläche. Eine Mikroskopie‐Technik die ohne die korrekte Anwendung der Quantentheorie nicht möglich wäre. BildgebendeMedizintechnik
Auch in der Medizintechnik spielt die Quantenphysik heute eine große Rolle. Neben dem bei Verletzungen mittlerweile nahezu obligatorischen Röntgenbild beruht auch das MRT (Magnetresonanztomographie, passender Kernspintomographie) einzig auf quantenphysikalischen Überlegungen. Der Effekt der Kernspinresonanz beruht darauf, das jedes Teilchen in der Quantenphysik darauf aus ist einzigartig zu sein. Um dies auch bei eigentlich gleichen Teilchen zu gewährleisten, haben Teilchen (mit ungerader Massenzahl) eine quantenphysikalische Eigenschaft, die als Kernspin, also „Drehung des Kerns„ bezeichnet wird. Anhand dieser unterscheiden sich auch ansonsten völlig gleichartige Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters Die Erklärung für dieses Phänomen wird mit dem Potentialtopf mit unendlich hohen Wänden versucht. Hier wird die Aufenthaltswahrscheinlichkeit zum Rand des Topfes hin immer geringer, ist aber nie Null (daher „unendlich hohe Wände“). Genau das wird sich beim Tunneleffekt zu Nutze gemacht. Wenn die Wahrscheinlichkeit für den Aufenthalt eines Quantenobjekts nirgends null ist, so muss es eine endliche Wahrscheinlichkeit geben, dass das Objekt auf der anderen Seite der (nahezu) unüberwindbaren Barriere ist – diese Wahrscheinlichkeit wird „sichtbar“ im Tunneleffekt. 9 Teilchen voneinander. Legt man an solche Teilchen nun ein Magnetfeld an, so entsteht eine Energiedifferenz zwischen den vorher energetisch gleichen Teilchen (Zeeman‐Effekt). Diese kann, mit Hilfe der Resonanz, die bei einer bestimmten Stärke eines angelegten Magnetfelds und, senkrecht dazu einem Wechselfeld bestimmt werden. Schaltet man nun das Magnetfeld ab, so hat jedes Material seine eigene Abklingzeit, die es braucht, um in seine ursprüngliche Lage zurückzukehren. Anhand dieser lässt sich die Zusammensetzung und Position einzelner Stoffe eines Materialgemischs, z.B. eines Körperteils sehr präzise darstellen. A
ls Voraussetzung zum Verständnis von Halbleitern, ist die Kenntnis von elektrischen Leitern und Nichtleitern (Isolatoren) zu nennen. Bei der Klassifizierung dieser, wird aus der Gruppe der möglichen Eigenschaften eines Materials, das der Leitfähigkeit ausgewählt. Weiter muss geklärt werden, warum ein Material elektrischer Leiter oder Nichtleiter ist. Vergleicht man die Leitfähigkeit von Materialien (bei Zimmertemperatur), also den Widerstand, den ein Material dem elektrischen Stromfluss entgegensetzt, so fällt auf, dass es Stoffe gibt, die elektrischen Strom sehr gut leiten, wie z.B. Kupfer und solche, die dies fast gar nicht tun (hoher Widerstand), z.B. Diamant. Die Gruppe leitender Materialien lässt sich nun nochmals unterteilen in Metalle und Halbleiter: Halbleiter zeichnen sich in der Regel dadurch aus, dass sie im Gegensatz zu Metallen einen wesentlich höheren spezifischen Widerstand (bei Raumtemperatur) aufweisen. Dieser nimmt mit steigender Temperatur aber stark ab (sehr großer und negativer Temperaturkoeffizient), während der von Metallen in der Regel zunimmt. Des Weiteren ist die Ladungsträgerdichte bei Halbleitern wesentlich geringer als bei Metallen. Um zu erklären, warum manche Materialien Strom leiten und andere nicht, werde ich das Energiebändermodell benutzen. Hierbei geht man davon aus (und spätestens damit sind wir im Bereich der Quantenphysik), dass die Atome eines Festkörpers nicht als einzelne Einheiten, sondern als eine geschlossene Einheit fungieren, womit auch die Elektronen der Atome nicht zu den einzelnen Atomen, sondern zum gesamten System gehören. Die Energieniveaus dieser Elektronen werden in dieser Theorie als Bänder dargestellt. Entscheidend zur Erklärung der Leitfähigkeit eines Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters AusbildungvonEnergiebänderninFestkörpern/Halbleiter
10 Zwischenfazit / Zusammenfassung: Elektrische Leiter leiten Strom bei zunehmender Temperatur immer schlechter, die Leitfähigkeit von Halbleitern verbessert sich polar dazu bei zunehmender Temperatur. Die Leitfähigkeit eines Materials wird durch den Abstand von Leitungsband und Valenzband bestimmt. Die Leitfähigkeit von Halbleitern verbessert sich bei zunehmender Temperatur, weil durch die thermische Bewegung mehr Elektronen ins Leitungsband gelangen können. Beim Ladungsübertritt in das Leitungsband, hinterlassen die Elektronen unbesetzte Ladungszustände im Valenzband, sogenannte Löcher. Diese ermöglichen durch Platzwechsel, zusammen mit den Elektronen im Leitungsband den Ladungstransport erst, da „sie den Elektronen im Leitungsband eine gewisse (eingeschränkte) Bewegungsfreiheit [erst] ermöglichen, die es ohne die Löcher nicht gäbe“1. Außerdem kann die Position der Löcher durch Anlegen eines elektrischen Feldes verändert werden. Hierbei verhalten sich die Löcher effektiv wie positiv geladene 1
Zitat aus Halliday, Resnick, Walker: Physik (siehe Quellen), Seite 1239. (Ich konnte es einfach nicht besser ausdrücken) Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters Materials ist nur das oberste, energetischste, voll besetzte Band, hier als Valenzband bezeichnet. Über diesem liegt beim Energiebändermodell das Leitungsband. Und nur Elektronen in diesem Band können zum Ladungstransport beitragen. Zwischen Valenz‐ und Leitungsband liegt ein Band, das von den Elektronen nicht eingenommen werden kann (Bandlücke) und das letztendlich über die Leitfähigkeit eines Materials entscheidet. Bei elektrischen Leitern ist diese Bandlücke sehr gering, während sie bei Isolatoren nahezu unüberwindbar groß ist. Dazwischen liegen die Abbildung 2
Halbleiter, mit einer Bandgröße von 0,1 bis 3 Elektronenvolt (eV). Erst eine Energiezufuhr, beispielsweise in Form von Wärme (oder Licht) lässt die Elektronen die Bandlücke überwinden und ins Leitungsband gelangen. Die Wahrscheinlichkeit für einen Übertritt aus dem Valenzband in das Leitungsband wird bei zunehmender Energie (in diesem Beispiel Wärme) größer. Dies hängt mit der thermischen Bewegung zusammen, die ebenfalls bei steigender Temperatur des Stoffes zunimmt. 11 Teilchen. Da die Löcher für den Ladungstransport der Halbleiter eine ebenso große Rolle spielen wie die Elektronen im Leitungsband, ist es durchaus zulässig, von der vereinfachten Annahme auszugehen, dass es sich bei den Löchern um Teilchen der Ladung +e handelt. Für die praktische Anwendung von Halbleitern ist, neben der erhöhten Leitfähigkeit durch Wärme noch ein anderer Prozess der zur Erhöhung der Leitfähigkeit führt von weitaus größerer Bedeutung, nämlich der der Dotierung. Hierbei wird der Halbleiter, im folgenden Beispiel Silizium (14Si) gezielt mit einem Material (Donator) mit einem Elektron mehr (n‐
Dotierung), hier Phosphor (15P) oder einem Elektron weniger (p‐Dotierung), hier Aluminium Abbildung 3a / Grafik: Markus A. Hennig (13Al) verunreinigt. Da Phosphor nun (ausgehend von der n‐Dotierung) fünf Bindungselektronen (also, nach Bohr Elektronen auf der äußersten Bahn) hat, aber nur vier davon ans Silizium andocken können, bleibt ein Elektron frei (siehe Abb. 3a). Dieses freie Elektron kann vergleichsweise leicht an das Leitungsband abgegeben werden, sodass sich bei Zimmertemperatur praktisch alle freien Elektronen der Donatoratome im Leitungsband befinden. Bei der p‐Dotierung, also bei der Verunreinigung Abbildung 3b / Grafik: Markus A. Hennig
mit Aliminium, mit drei Bindungselektronen bleibt bei einem Siliziumatom die Verbindungsstelle frei, das vorher beschriebene Loch entsteht (siehe Abb. 3b). Da es energetisch keinen Unterschied macht, zu welchem benachbarten Siliziumatom das Fremdatom kovalente Bindungen ausbildet, kann die Lücke im Valenzband „wandern“. Dadurch trägt diese auch zur Erhöhung der Leitfähigkeit bei. Bei einem dotierten Halbleiter ist typischerweise nur jedes zehnmillionste (1/107) Siliziumatom durch ein anderes ersetzt. Dies erhöht die Leitfähigkeit des Halbleiters aber schon beträchtlich. Ersetzt man zum Beispiel im Mittel eines von fünf Millionen Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters 12 In der praktischen Anwendung von Halbleitern kommt meist ein pn‐Übergang zum Einsatz, folgend am Beispiel der Diode. Hierbei wird ein n‐dotierter Halbleiter neben einen p‐dotierten Halbleiter gesetzt, separiert durch eine Trennschicht. Die Trennschicht verhindert, dass sich die Elektronen (e‐) im Leitungsband des n‐
dotierten Halbleitermaterials mit den als Positronen (e+) fungierenden Löchern im p‐
dotierten Halbleiter ausgleichen. Wird nun eine Spannung mit dem Pluspol am p‐dotierten und dem Minuspol am n‐
dotierten Halbleiter angelegt (Durchlassrichtung), stoßen sich negative Ladung und Elektronen im n‐dotierten Halbleiter sowie positive Ladung im p‐dotierten Halbleiter ab. Ist die Spannung groß genug, reicht dieses Abstoßen aus, um die Trennschicht zu überwinden, Elektronen und Positronen (Löcher) mischen sich, es kommt zum Spannungsausgleich bzw. Stromfluss. Logischerweise funktioniert dies aber nur in eine Richtung. Legt man die Spannung polar (in Sperrrichtung) an die beiden Halbleiter, die Diode an, ziehen sich Elektronen und Löcher, sowie Positronen und Elektronen an und es kommt nicht zur Überwindung der Trennschicht und damit nicht zum Stromfluss. LEDs,Akronymfürlight‐emitting
diode,( deutsch meist Leucht‐
Somit ist die ausschlaggebende Eigenschaft einer diode) sind Halbleiter, bei denen
Diode, nämlich die Leitfähigkeit in nur eine durchdenAbfalleinesElektrons
Richtung zu gewährleisten gegeben. aus dem Leiterband in eine
LückeimValenzbandeinPhoton
Da dies auf praktisch atomarer Ebene passiert, ausgesendet wird. Dies funk‐
können Halbleiter‐Dioden extrem klein sein. Dies tioniert nur bei einem hoch‐
dotierten pn‐Übergang mit
macht die Halbleitertechnologie so vielseitig großerDurchlassspannung.
einsetzbar und wertvoll für moderne Viele Halbleiter geben die ent‐
Technologien. stehende Energie in Form von
WärmeanstattLichtab.
Die Halbleiter‐Diode existierte zwar schon seit 1906, doch erst 1939 gelang es Walter Schottky auf Basis von quantentheoretischen Überlegungen auch ihre Funktionsweise zu erklären. Damit ist vor allem die Weiterentwicklung der Halbleiter‐Diode, z.B. zur heute weit verbreiteten Leuchtdioden (siehe Kasten) aber auch die Möglichkeiten der Nutzung von Halbleitern in der Elektrotechnik und Microsystemtechnik der Quantenphysik zu verdanken. Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters (5x106) Siliziumatomen durch ein Phosphoratom, führt dies zu einer Erhöhung der Anzahl der Elektronen im Leitungsband um einen Faktor von einer Millionen. 13 Einflussgebiet
Abbildung 4 / Halbleiter basierter Microchip
Durch die, der Halbleitertechnik zu (Bild: Wendy Stewart, detroitstreetpress.com)
verdankende, enorme Verkleinerung von Schaltkreisen, war es erst möglich, dass Computer und andere Rechner von der Größe ganzer Hauser auf den heutigen Zustand schrumpfen konnten. Auch ist die Herstellung von derartigen Bauteilen aus Silizium mittlerweile wesentlich kostengünstiger als die herkömmliche Technik zur Herstellung von Schaltkreisen. Somit kann man es als Folge der Entwicklung der Halbleitertechnologie sehen, dass Computer und computerähnliche Geräte mittlerweile zur Selbstverständlichkeit für jedermann geworden sind. Doch nicht nur die Prozessortechnik ist aus Halbleitern hervorgegangen. Auch andere Bauteile, die uns heute praktisch überall wie selbstverständlich umgeben, wären ohne die Halbleitertechnik nicht möglich, z.B. LEDs. Fazit
D
ie Quantenphysik und deren Folgen gerade für die technologische Entwicklung haben physikalische Labors und Forschungsstätten längst verlassen. Technische Folgeprodukte der Quantenphysik haben das technische Umfeld der Menschen, zumindest in der westlichen Welt so stark geprägt, dass sie praktisch nicht mehr weg zudenken sind und das nicht nur in der Unterhaltungselektronik und Computertechnik. Erfindungen auf Basis quantenphysikalischer Überlegungen retten, in der Medizintechnik längst Leben. Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters Das bedeutendste Einsatzgebiet der Halbleitertechnologie ist wohl die Computerindustrie, sowie immer mehr andere technische Geräte die kleine Mikroprozessoren enthalten. Das sind Halbleiter‐Bauelemente, die auf wenigen Millimetern Millionen von Transistoren (vereinfacht: die Weiterentwicklung einer Halbleiter‐Diode mit drei Anschlüssen) enthalten. 14 Auch die Forschung kann sich bei der Quantenphysik für neue Messtechniken und andere Hilfsmittel bedanken. Interessant ist wie rasant diese Entwicklung vonstatten ging, wenn man sich überlegt wie viele Folgeprodukte durch Halbleiter, LEDs und schließlich Prozessoren erst entstehen konnten und in den letzen 70 Jahren entstanden sind. Unsere Welt sähe sicher ganz anders und um einige ärmer aus, hätte es diesen Einfluss der Quantenphysik auf Technik und Entwicklung nicht gegeben. Anhang
Quellen(inzufälligerReihenfolge)
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http://de.wikipedia.org/wiki/Laser
http://www.wer‐weiss‐was.de/app/
query/display_query?process_id=960795;uac=cStuRXcf054f6a#961683 Halliday, Resnick, Walker: Physik. Erschienen bei Wiley‐VCH
ISBN: 3‐527‐40366‐3 Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters Tim J. Peters 15 http://de.wikipedia.org/wiki/Boltzmann
http://www.toobrain.com/Fach/410,Physik/413,Elektrizitaetslehre ‐und‐Magnetismus/423,Bauteile‐Spule‐Kondensator‐Leiter‐
/603,Halbleiter‐‐‐Aufbau‐und‐Funktionsweise‐Dotierung.htm http:// youtu.be/KQ0H0FK9dpc
http:// youtu.be/ NN‐vMWdXsLA http://de.wikipedia.org/wiki/Rastertunnelmikroskop
http://www.walko.de/Daten/Physik/
Materialien/Klasse11_12/Optik/Quantenoptik.pdf http://www‐e.uni‐magdeburg.de/leutritz/CS/schule/q2.htm
http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetresonanztomographie
http://www.halbleiter.org/grundlagen/leiter/
http://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/quanten‐
technik/halbleiter‐quantenpunkte/anwendungen/ http://www.heise.de/tp/artikel/23/23052/1.html
Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters 16 ErklärungzurselbstständigenAnfertigungderFacharbeit
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Facharbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe. Insbesondere versichere ich, dass alle wörtlichen Übernahmen aus anderen Werken als solche gekennzeichnet sind. Bad Vilbel, den 30.01.2012 Tim J. Peters P.S.: Der Text dieser Seite (Erklärung zur selbstständigen Anfertigung der Facharbeit) wurde eins zu eins aus dem Internet raubkopiert und nur mit meinem Namen und dem meiner Schule versehen. Technische Anwendung der Quantenphysik | Physik Facharbeit | Tim J. Peters Mir ist bekannt, dass meine Facharbeit von der Freien Waldorfschule Frankfurt nichtkommerziell – zum Beispiel auf seiner Schul‐Webseite – veröffentlicht werden kann, es sei denn, ich habe der nichtkommerziellen Veröffentlichung vor dem Tag der Abgabe der Facharbeit gegenüber dem betreuenden Fachlehrer mit formlosem Schreiben widersprochen. 17