Halbleiter

Kapitel 12
Übertragung, Verarbeitung und
Speicherung von Daten
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
1
12.1 Der Kondensator
Der einfachste Aufbau eines Kondensators besteht aus 2
gegenüberliegenden Metallplatten, die durch Luft getrennt sind.
Versuch 1:
Kondensator als Energiespeicher
6V
stab.
Baue die Schaltung auf. Als
Schalter soll ein Wechselschalter
verwendet werden.
1000µF
Was passiert beim Laden?
Linke
Lampe leuchtet kurz auf.
...........................
Was passiert beim Entladen?
Rechte
Lampe leuchtet kurz auf.
.......................
Ein Kondensator kann elektrische Ladung und Energie speichern.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
2
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
3
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
4
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
5
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
6
Wie viel ein Kondensator speichern kann wird durch seine
Kapazität angegeben. Die Kapazität wird in Farad gemessen.
Ein Farad ist eine sehr große Einheit. Daher verwendet man:
µF, nF, pF, ..
Tantalkondensator
Bauarten:
Elektrolytkondesatoren
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
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Drehkondensator
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
8
Anwendungen:
In Blitzgeräten,
Zum Glätten von Spannungschwankungen (z. B. bei pulsierendem
Gleichstrom).
In elektromagnetischen Schwingkreisen.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
9
12.2 Halbleiter
Freies Elektron
Loch
Zu den Halbleitern zählen
Silizium, Germanium, Selen, …
Si und Ge haben 4 Außenelektronen. (4. Hauptgruppe im
Periodensystem)
Bereits bei Zimmertemperatur
können sich infolge der Wärmebewegung Elektronen aus der
Bindung loslösen und sich im
Kristallgitter frei bewegen.
Neben diesen Elektronen
entstehen an den Stellen, wo
sich die Elektronen befanden, Löcher (positive Ladung). Auch diese
Löcher tragen zur Leitung bei.
Siliziumatom
Elektron
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
10
Die Löcher werden durch Elektronen von Nachbaratomen aufgefüllt
Dadurch wandert das Loch weiter. (vgl. Bild Parkbank)
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
11
Die Halbleitereigenschaft kann zur Temperatur- und Lichtmessung
verwendet werden.
Die Leitfähigkeit von Halbleitern durch Temperaturänderung ist
begrenzt.
Die große Bedeutung der Halbleiter besteht darin, dass man sie durch
gezieltes Verunreinigen mit Fremdatomen, in ihren Eigenschaften
beeinflussen kann.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
12
Dotierung von Halbleitern:
n-Leiter (Donator)
- - - - - - -
As
Einbau von 5wertigen Atomen
(z.B. As)
- - - - - - Freies Elektron
- - - -
n - Leiter
Siliziumatom
Das freie Elektron
steht für die
Elektrizitätsleitung zur
Verfügung.
Elektron
Buch Seite 32 Abb. 22.2
Stromleitung erfolgt durch negative Ladungen.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
13
p-Leiter (Akzeptor)
+ + +
+ + +
In
+ + +
+ + +
Loch
+ + +
p - Leiter
Siliziumatom
Elektron
Buch Seite 32 Abb. 22.3
Einbau von 3wertigen Atomen
(z.B. In)
Ein „Loch“ verhält sich
wie eine positive
Ladung. Es kann ein
Elektron eines
Nachbaratoms
einfangen und damit
wandert das Loch
(+ Ladung) weiter.
Stromleitung erfolgt durch positive Löcher.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
14
12.2.1 Die Diode:
Buch Seite 33 Abb. 23.1 – 23.4
Schaltsymbol:
++
+
+
+
+
+
+
+
- - - - -
Zwei verschieden (+,-) dotierte
Halbleiter werden aneinandergesetzt.
Es entsteht an der Stelle des Aneinanderstoßens eine Grenzschicht.
Verhalten an der Grenzschicht:
Durch die Wärmebewegung der Teilchen treten Elektronen (e) vom
N-Leiter in den P-Leiter und füllen dort die Löcher. Daher bildet
sich in der Grenzschicht eine schmale Zone, in der fast keine
beweglichen Ladungen mehr sind.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
15
Wir legen eine Spannung an die Diode:
++
+
+
+
+
+
+
+
- - - - -
– an P-Leiter + an N-Leiter:
Sperrschicht verbreitert sich.
(Absaugen weiterer frei bewegl.
Ladungsträger).
Diode in Sperrrichtung gepolt:
++
+
+
+
+ + + - - - + + + - - - + + + - - - + + + - - - -
+ an P-Leiter – an N-Leiter:
Es werden ausreichend
Elektronen nachgeliefert, die
Sperrschichtbreite nimmt ab.
Diode in Durchlassrichtung
gepolt:
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
16
Wirkungsweise der Diode
Versuchsaufbau:
In den
Parallelzweigen
befinden sich zwei
Lämpchen und eine
Siliziumdiode.
(Beachte die
umgekehrte Polung
der Dioden!)
Versuch 1: Schließe die Anordnung an eine Gleichspannungsquelle.
Kennzeichne, welcher Zweig in Durchlassrichtung zeigt.
Versuch 2: Schließe die Anordnung an einen Funktionsgenerator!
Beschreibe was passiert!
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
17
Die Diode wirkt wie ein Ventil. Sie lässt den Strom nur in eine
Richtung durch.
Anwendung der Diode:
1. Einweggleichrichtung
2. Zweiweggleichrichtung
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
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Grätzsche Brückenschaltung
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
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Stromfluss Grätz
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
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Zweiweggleichrichtung
–
+
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
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Glättung
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
22
Schaltsymbole:
12.2.2 Der Transistor:
C
C
B
K
B
E
pnp -Transistor
- - - - -
n
+ + + +
p
-
-
-
- - - - - - - E
B
n
E
npn -Transistor
Bringt man hintereinander die
Störstellenschichten npn oder
pnp auf, so erhält man einen
Flächentransistor.
Der Transistor besteht aus
zwei Dioden, die einander
entgegengesetzt gepolt sind.
Legt man nun zwischen Emitter und Kollektor eine Spannung an, so sperrt der Transistor auf einer Diode immer.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
23
K
- - - - -
n
+ + + +
p
- - - - - - - -
n
B
-
-
E
Die Wirkungsweise eines Transistors
beruht nun darauf, dass man eine
Hilfsspannung zwischen Emitter und
Basis anlegt.
Dadurch werden Elektronen aus dem
Emitter in die Basis getrieben. Ein
geringer Teil von ihnen rekombiniert
mit den Löchern der Basis, der größte
Teil gelangt aber durch die dünne
Basisschicht durch und durchdringt
auch die Sperrschicht zwischen Basis
und Kollektor.
→ Damit fließt ein Kollektorstrom, der Transistor ist leitend geworden.
Das heißt also, mit einem kleinen Basisstrom lässt sich der
Kollektorstrom (groß) steuern.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
24
Transistor
K
B
-
- - - - -
+ + + +
- - - - - - - - - - - - E
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
n
p
n
25
V1: Prinzip des Transistors
+7V
C
10K
B
+
0
Zwischen B und C
E
2 - 3V
• Versuch 1: Prinzip des
Transistors
• Liegt nur zwischen Emitter und
Kollektor eine Spannung an,
so ist ein pn-Übergang immer
in Sperrrichtung. Welcher ???
• Legen wir nun eine
Hilfsspannung zwischen Basis
und Emitter an,
ein kleiner Basisstrom der
fließt………………………..,
leitend macht.
den Transistor ………..
• Mit einem kleinen Basisstrom
kann also der Transistor
gesteuert werden.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
26
:
V2:Spannungsteilerschaltung:
10K
1k
10K
• Da es nicht sehr sinnvoll wäre
zwei verschiedene
Spannungsquellen zu verwenden
(eine für den Basis - Emitterkreis,
eine für den Emitter Kollektorkreis, verwendet man
eine so genannte
Spannungsteilerschaltung.
– Regle den Regelwiderstand auf 0
Ohm! ---> Zwischen Basis und
Emitter liegt eine Spannung von
sperrt
0 Volt. ---> Der Transistor ……..
Regle den Regelwiderstand auf
10 kOhm! ---> Zwischen Basis
und Emitter liegt etwa eine
3,5 V
Spannung von ………..
ist leitend geworden.
– Der Transistor …………………,
was man
am Leuchten der Lampe erkennt.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
27
V3: Stolperdraht
10K
1k
Stolperdraht
• Wird an Stelle des
regelbaren Widerstandes
vom vorigen Versuch ein
Draht geschaltet, ist die
Spannung zwischen
Basis und Emitter ……
0 V.
sperrt.
Transistor …………..
• Zieht man den Draht
heraus, liegt eine Spannung
…………………………..
an.
Es fließt ein Basisstrom,
die Basis über den 10
weil………………………
………………………
KOhm Widerstand mit
…………………...
dem Pluspol
verbunden ist.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
28
V 4: Automatische Beleuchtung
10K
1k
LDR
• Statt des regelbaren
Widerstandes von Versuch
2 wird ein LDR (Light
Dependend Resistor)
zwischen Basis und
Emitter geschaltet.
• Wird er belichtet, nimmt der
ab
Widerstand ………..,
die
Spannung zwischen Basis
und Emitter………...
sinkt.
Transistor …………..
sperrt.
• Wird abgedunkelt, wird der
Transistor …………,
leitend die
Lampe …………..
leuchtet.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
29
V 5: Transistor als Verstärker
• Der Basisstrom wird
durch das Mikrophon im
Rhythmus der
Schallschwingungen
verändert.
• Diese Änderungen
übertragen sich auf den
viel stärkeren
Kollektorstrom.
• Lautsprecher gibt
Sprache, Musik usw.
wieder.
Vgl. Buch Seite 35
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
30
12.2.3 Die Solarzelle
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
31
Wirkungsweise der Solarzelle
Kontakte
n-Leiter
p-Leiter
Kontakt
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
32
Wirkungsweise der Solarzelle
Kontakt
e
n-Leiter
p-Leiter
Kontakt
• Wird die Solarzelle
belichtet, so bilden sich
infolge des inneren
photoelektrischen
Effekts, neue freie
Ladungsträgerpaare.
• Die Elektronen wandern
wegen des anliegenden
Feldes, in die n-Schicht,
die Löcher in die pSchicht.
• Die n-Schicht wird so
zum Minus-Pol,
die p-Schicht zum
Plus-Pol
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
33
Ausbeute bei Solarzellen
• Die Silizium-Solarzelle liefert ca. 0,5V
• Wirkungsgrad für polykristalline Zellen ca. 12%
• Für eine Leistung von 1kW benötigt man
ca. 10 m²
• Solarkonstante: 1,36kW/m² . (Überlege: ca.
1kw/m² . 0,1 . 10 m² = 1 kW)
• Das ergibt im Jahr ca. 1000kWh.
• amorphe Silizium-Solarzellen haben einen
Wirkungsgrad von ca. 7%. Sie werden für
Taschenrechner usw. eingesetzt.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
34
Die Solarzelle
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
35
Beispiele
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
36
Beispiele
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
37
12.3 Elektromagnetische Schwingungen
Versuch:
Der LC-Schwingkreis
6V
C
L
Kondensator wird aufgeladen, dann wird Schwingkreis geschlossen.
Am Oszillograph wird eine gedämpfte Schwingung beobachtet.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
38
LC-Schwingkreis
elektrische Energie
magnetische Energie
magnetische Energie
elektrische Energie
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
39
LC-Schwingkreis
Der Kondensator entlädt sich über die Spule. In der Spule wird ein
Magnetfeld aufgebaut. Ist der Kondensator entladen, bricht das
Magnetfeld zusammen, wodurch eine Induktionsspannung induziert wird.
 Induktionsstrom fließt (Lenzsche Regel) in derselben Richtung weiter
und lädt den Kondensator entgegengesetzt auf. usw.
Aufgrund des Ohmschen Widerstandes der Leitungen nimmt die
Schwingungsamplitude ab.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
40
Die Schwingung, die ein LC-Schwingkreis ausführt, ist gedämpft und
kommt infolge der Verluste an den Leitungswiderständen zum Stillstand.
Abhilfe: Rückkopplung
Baue mit den
Schülerübungsgeräten die
folgende Rückkopplungs10k
schaltung nach!
800W / 1600W
1000µF
Der Schwingkreis besteht
(1µF)
aus dem Kondensator und
(0,1µF)
der Spule mit 1600
10k
Windungen. Eine zweite
Kopfhörer
Spule mit 800 Windungen ist
BD135
induktiv an die Schwingkreisspule gekoppelt.
Sie hat die Aufgabe, die Basis eines Transistors anzusteuern und so im
Takt des Schwingkreises den Transistor im richtigen Augenblick leitend
zu machen, um die durch ohmsche Verluste "verlorene" Energie nachzuliefern. Der veränderliche Widerstand (10k) dient zur Einstellung des
Arbeitspunktes des Transistors.
Kap.12 Übertragung und
41
+
Verarbeitung von Daten
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
42
+
10k
800W / 1600W
10k
1000µF
(1µF)
(0,1µF)
Kopfhörer
BD135
-
Versuch 1: Verwende den Kondensator 1000µF und schalte ein
Voltmeter mit 0-Punkt in der Mitte parallel zum Schwingkreis.
Ergebnis:
Versuch 2: Entferne das Voltmeter von vorhin und verwende den 1µFKondensator. Stecke einen Kopfhörer in die dafür vorgesehene
Buchse. Verschiebe das Joch des Eisenkerns!
Ergebnis:
Kap.12 Übertragung und
43
Verarbeitung von Daten
12.3.1 Rundfunk
Amplitudenmodulation:
NF-Signale im Tonbereich können als elektromagnetische Welle nicht
abgestrahlt werden. Daher benötigen wir ein HF-Signal als Trägerwelle
mit konstanter Amplitude.
Das NF-Signal wird der Trägerwelle überlagert.
Dieses wird nicht addiert, sondern moduliert.
Dabei gibt es Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation und
Phasenmodulation.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
44
Amplitudenmodulation: Die Amplitude der Trägerschwingung
wird im Rhythmus der NF verändert.
Amplitudenmodulation wird bei LW, MW und KW angewendet.
Sie ist störanfälliger und hat nicht so eine gute
Übertragungsqualität wie die Frequenzmodulation.
Frequenzmodulation: Hier wird die Frequenz der
Trägerschwingung mit der NF moduliert.
Anwendung bei UKW
Die so erzeugten modulierten Schwingungen werden verstärkt und
über eine Antenne abgestrahlt. Sie sendet elektromagnetische
Wellen aus.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
45
Radiosender
Tonschwingungen
HF-Schwingungen
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
AM-HF-Schwingungen
46
Empfänger
Modulierter
HF-Strom
Modulierter
pusierender
Gleichstrom
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
Tonfrequenz
verstärkt
47
Radiosender und Empfänger
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
48
12.3.2 Das Fernsehen
Fernsehkamera und Bildschirm arbeiten mit Elektronen.
Kathodenstrahlröhre:
Versuch:
Schattenkreuzröhre:
Hochspannung von ca. 8kV anlegen.
Am Schirm ist der Schatten des Kreuzes sichtbar.
Die Röhre ist ausgepumpt. Die Kathode (-) sendet Elektronen aus, die
von der Anode (+ ) angezogen werden. Die Ausbreitungsrichtung ist
geradlinig. Daher der Schatten.
Die Elektronen selbst sind nicht sichtbar. Die Glaswand ist als
Leuchtschirm ausgebildet. D. h., wenn Elektronen auftreffen sendet
der Schirm sichtbares Licht aus.
Wir nähern einen Magneten:  Der Elektronenstrahl (auch
Kathodenstrahl) wird abgelenkt.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
49
Die Braunsche Röhre
1
2
3
4
5
6
Glaskolben ist evakuiert. Aus einer Glühkathode (1) treten
Elektronen aus, die sich geradlinig ausbreiten. Sie werden
zwischen Kathode und Ringanode (3) beschleunigt.
Mit dem Wehneltzylinder (2) lässt sich die Helligkeit einstellen.
Nach der Ringanode wird der Elektronenstrahl durch zwei Paare
von Abklenkplatten (4), (5) abgelenkt.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
50
1
2
3
4
5
6
Horizontale Platten (5): Sägezahnspannung
Vertikale Platten (4): die zu messende Spannung.
Braunsche Röhren werden beim Oszillographen, beim Fernseher
und bei Monitoren eingesetzt.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
51
Fernseher
Elektronenstrahl
magnetisches
Ablenksystem
Leuchtschirm
Beim Fernseher haben wir ein Ablenksystem mit Spulen. (Zeilentrafo)
1 Bild besteht aus 625 Zeilen und 800 Spalten und wird in 1/25
Sekunde aufgebaut. Durch die rasche Bildfolge kommt es zur
Bewegung.
Beim Farbfernseher haben wir drei Elektronen-strahlen für die 3
additiven Grundfarben RGB.
Jeder Bildpunkt besteht eigentlich aus 3 Punkten (Lochmaske) für die
3 Grundfarben.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
52
Bildentstehung
1. Halbbild
horizontaler
Strahlrücksprung
2. Halbbild
vertikaler
Strahlrücksprung
Gesamtbild
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
53
12.3.3 Mikrophon und Lautsprecher
Der dynamische Lautsprecher
Eine Tauchspule befindet sich im
Feld eines Dauermagneten.
Der tonfrequente Wechselstrom
erzeugt in der Spule ein
wechselndes Magnetfeld.
Dadurch kommt es zu einer
Bewegung der Spule. Die an der
Spule befestigte Membran bewegt
sich im Rhythmus des
wechselnden Magnetfeldes.
Dabei werden Schallwellen
erzeugt.
Motorprinzip
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
54
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
55
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
56
Das Tauchspulenmikrophon
(auch dynamisches Mikrofon)
Generatorprinzip
Es ist ähnlich wie der dynamische Lautsprecher aufgebaut.
Durch den Schall wird die Membran in Schwingungen versetzt.
Mit ihr bewegt sich die Spule, die sich in einem Magnetfeld eines
Permanentmagneten befindet. Dadurch wird eine Wechselspannung
im Rhythmus des Schalls erzeugt.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
57
Andere Mikrofone:
Kohlekörnermikrophon (bei Telephon). Durch
Zusammenpressen der Kohle ändert sich der Widerstand 
Spannungsänderung 
Elektretmikrofon: Wie Kondensator aufgebaut. Eine feste Platte
und eine bewegliche Membran. An die Platten wird eine
Spannung angelegt.
Durch den Schall bewegt sich die Membran Änderung der
Kapazität des Kondensators  Änderung der Spanung. Diese
Änderung kann an einem Widerstand abgenommen werden.
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
58
12.4 Informationsspeicherung, Mikroelektronik,
Computer
Lies B. S. 43 – 46
12.4.1 Speicherung
Unterschied Analog – Digital
Speichermedien:
12.4.2 Mikroelektronik:
IC
Chip
Mikroprozessor
12.4.3 Computer
Wichtigste drei Bestandteilgruppen:
Prozessor
Speicher
Ein-/Ausgabeeinheit
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
59
Spektrum elektromagnetischer Wellen
Kap.12 Übertragung und
Verarbeitung von Daten
60