6/2 Halbleiter – Ganz wichtige Bauteile

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Elektronik
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Halbleiter – Ganz wichtige Bauteile
Erforderlicher
Wissensstand
der Schüler
Lernziele der
Unterrichtssequenz
Vernetzungsmöglichkeit mit
anderen Fächern
Physik unterrichten
Unterrichtsmethode
Begriffe: „Widerstand“, „Temperatur“, „elektrisches Feld“, „Ionen“,
„Isolator“
Die Schüler sollen ...
den Leitungsmechanismus im Halbleiter begreifen,
■ die Grundzüge des Bändermodells verstehen.
■
■
Chemie
■
moderierter Unterricht
Demonstrationsexperiment
■
Hinweis auf
benötigte Materialien
Auf der beiliegenden CD-ROM finden Sie die Textvorlage „Halbleitende Materialklassen“, „Wie leitet ein Halbleiter?“, „Warum leiten
,verunreinigte‘ Halbleiter besser?“ und „Das Bändermodell“.
Unterrichtsverlauf
Die moderne Elektronik ist entscheidend durch Halbleiterbauelemente geprägt worden; integrierte Schaltkreise (z.B. in Taschenrechnern) werden heutzutage auf halbleitenden Siliciumscheibchen fabriziert.
Zur Motivation der Klasse kann zunächst der Begriff „Halbleiter“
zur Diskussion gestellt werden; ein Stoff erscheint bei Anlegen einer elektrischen Spannung ja entweder als Leiter oder als Isolator
(Kopiervorlage 1).
Der Name „Halbleiter“ nimmt Bezug auf eine charakteristische Eigenschaft dieser Materialien, nämlich dass ihre elektrische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zunimmt (so genannte „Heißleiter“).
Einstiegsphase
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Dies soll anhand eines Versuchs demonstriert werden:
Schülerexperiment 1
Versuch 1 – Material je Gruppe
■ Strommesser
■ Spannungsquelle (4,5 V)
■ Metallwiderstand Pt 100
■ Vorwiderstand 1 KΩ
Ein mit einem Vorwiderstand in Serie geschalteter Metallwiderstand (z.B. Pt 100) wird mit einem Heißluftfön erwärmt.
⇒ Der Widerstandswert (errechnet aus dem Ohm’schen Gesetz:
R = U/I) steigt dabei mit zunehmender Temperatur.
Erarbeitungsphase 1
Unter Einbeziehung des Vorwissens, dass bei der Metallbindung
freie Elektronen, d.h. Elektronen, die nicht an der Bindung beteiligt sind, als Träger des elektrischen Stroms zur Verfügung stehen,
kann man folgende Erklärung erarbeiten:
Durch ein anliegendes elektrisches Feld (i.e. die Spannungsquelle)
erfahren die Elektronen eine Beschleunigung, es kommt zum
Stromfluss.
Dabei stoßen die Ladungsträger gelegentlich an die Metallionen
und werden dabei abgebremst (Widerstand!).
Je stärker die Wärmeschwingungen der Ionen sind (d.h. je höher
die Temperatur des Widerstands ist), desto häufiger treten solche
Zusammenstöße auf. Dies hat zur Folge, dass bei Metallen der Widerstand mit der Temperatur zunimmt.
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Schülerexperiment 2
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Versuch 2 – Material je Gruppe
■ Strommesser
■ Spannungsquelle (4,5 V)
■ Diode 1 N 4007
Führt man nun denselben Versuch mit einem Halbleiterwiderstand
durch (z.B. Germaniumwiderstand), so beobachtet man Folgendes:
⇒ Der Widerstand des Halbleiters sinkt mit zunehmender Temperatur.
Da auch die Halbleiteratome Wärmeschwingungen ausführen,
muss die Leitfähigkeit aufgrund einer Erhöhung der Anzahl freier
Ladungsträger gestiegen sein. Dieser Effekt dominiert die elektrischen Eigenschaften eines Heißleiters (Kopiervorlage 2). Die Zunahme der Wärmeschwingungen ist demgegenüber vernachlässigbar; sie macht sich erst bei sehr hohen Temperaturen bemerkbar.
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Erarbeitungsphase 2
Es schließt sich eine Interpretation der Materialien an.
Silber
Eisen
Quecksilber
Leiter
Hartgummi
Glimmer
Bernstein, Quarz
Glas, Keramik
Isolatoren
Spezifischer Widerstand in Ω-1 cm-1
Germanium
Selen
Silizium
Kupferoxid
Halbleiter
Spezifischer Widerstand fester Körper
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Elektronik
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Kopiervorlage 1
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B/T
(angegebener Parameter: B-Wert)
Widerstands-Temperatur-Kennlinien
T: Temperatur (in Kelvin)
B:„B-Wert“, Materialkonstante der Dimension Kelvin
A: Materialkonstante der Dimension Ω
RT: Widerstand des Heißleiters bei Temperatur T (in Kelvin)
mit
RT = A ⋅ e
In guter Näherung gilt:
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Kopiervorlage 3
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Kopiervorlage 4
T = 0°K
T = 0°K
T > 0°K
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Arbeitsblatt: Halbleiter Quiz
1. Ergänze:
Germanium- bzw. Silicium-Atome besitzen jeweils _____ Valenzelektronen, d.h. Elektronen in
der äußeren Hülle. Im Halbleiterkristall wird die Bindung zweier Nachbaratome durch ein beiden
Atomen gemeinsames ___________________ bewirkt. Da es genauso viele nächste Nachbarn
wie Valenzelektronen gibt (______ pro Atom), werden die Valenzelektronen vollständig zum Brückenbau verwendet; daher ist ein Halbleiter bei tiefen Temperaturen ein elektrischer
__________________________. Brechen diese „Elektronenbrücken“ durch die Zufuhr von
______________ auf, so wird der Halbleiter elektrisch leitend.
2. Welche der beiden Materialien, deren Bandstrukturen unten dargestellt sind, stellt den besseren
Isolator dar?
A)
B)
Material A,
Material B,
weil es eine größere Energielücke zwischen Leitungs- und Valenzband besitzt,
weil es das
Leitungsband besitzt
breitere
□ schmälere
Valenzband besitzt
3. Wodurch kann man die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöhen?
Durch die Zufuhr von:
Kälte
Wärme
elektromagnetische Strahlung
4. Ergänze:
Ersetzt man einen geringen Bruchteil (ca. 0,001 %) der Atome eines Ge-Kristalls durch Fremdatome, die fünf Valenzelektronen besitzen (man bezeichnet dies als „D______________“), so
werden nur _____ dieser Valenzelektronen zum „Brückenbau“ verwendet.
Die nicht an der Bindung beteiligten Elektronen stehen bei Zimmertemperatur als frei bewegliche
_______________________ zur Verfügung. Da diese _____________________ negativ sind,
spricht man hier von ___-Leitung.
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Lösung zum Arbeitsblatt: Halbleiter Quiz
1. Ergänze:
Germanium- bzw. Silicium-Atome besitzen jeweils vier Valenzelektronen, d.h. Elektronen in der
äußeren Hülle. Im Halbleiterkristall wird die Bindung zweier Nachbaratome durch ein beiden Atomen gemeinsames Elektronenpaar bewirkt. Da es genauso viele nächste Nachbarn wie Valenzelektronen gibt (vier pro Atom), werden die Valenzelektronen vollständig zum Brückenbau verwendet; daher ist ein Halbleiter bei tiefen Temperaturen ein elektrischer Isolator. Brechen diese
„Elektronenbrücken“ durch die Zufuhr von Energie auf, so wird der Halbleiter elektrisch leitend.
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2. Welche der beiden Materialien, deren Bandstrukturen unten dargestellt sind, stellt den besseren
Isolator dar?
A)
B)
Material A,
Material B,
weil es eine größere Energielücke zwischen Leitungs- und Valenzband besitzt,
weil es das
□ breitere Leitungsband besitzt
□ schmälere Valenzband besitzt
□
3. Wodurch kann man die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöhen?
Durch die Zufuhr von:
□ Kälte
Wärme
elektromagnetische Strahlung
4. Ergänze:
Ersetzt man einen geringen Bruchteil (ca. 0,001 %) der Atome eines Ge-Kristalls durch Fremdatome, die fünf Valenzelektronen besitzen (man bezeichnet dies als „D otieren“), so werden nur
vier dieser Valenzelektronen zum „Brückenbau“ verwendet.
Die nicht an der Bindung beteiligten Elektronen stehen bei Zimmertemperatur als frei bewegliche
Ladungsträger zur Verfügung. Da diese Ladungsträger negativ sind, spricht man hier von n-Leitung.
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