6/2 Halbleiter – Ganz wichtige Bauteile
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Elektronik 6/2 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 WEKA MEDIA GmbH & Co. KG 6/2 Seite 1 6/2 Seite 2 Elektronik 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. Elektronik Schülerexperiment 2 6/2 Seite 3 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. WEKA MEDIA GmbH & Co. KG Physik unterrichten 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 6/2 Seite 4 Elektronik M1 Kopiervorlage 1 WEKA MEDIA GmbH & Co. KG 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: Physik unterrichten Elektronik M2 6/2 Seite 5 Kopiervorlage 2 6/2 Seite 6 Kopiervorlage 3 Elektronik M3 Elektronik M4 6/2 Seite 7 WEKA MEDIA GmbH & Co. KG Physik unterrichten Kopiervorlage 4 T = 0°K T = 0°K T > 0°K 6/2 Seite 8 Elektronik M5 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. Elektronik M6 6/2 Seite 9 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. WEKA MEDIA GmbH & Co. KG Physik unterrichten 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. 6/2 Seite 10 Elektronik
