Wechselwirkung von Strahlung mit Materie
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Anwendung der np junction: Wichtige Halbleiterbauelemente Inhalt • • • • Photodiode Halbleiterzähler Leuchtdiode Peltier-Effekt Die Photodiode h U Photo Photoeffekt an der np Junction n leitend p leitend • Energiezufuhr erzeugt Ladungsträger, indem sie vom Valenz- ins Leitungsband gehoben werden („Innerer Photoeffekt“) • Die Ladungsträger werden von der Feldstärke an der np junction in die ihnen entsprechenden Bereiche gezogen Stromfluss an der Photodiode n leitend p leitend • Der Stromfluss der Photodiode entspricht dem Strom an der np junction in Sperr-Richtung • Anwendung: Solarzellen – Hochreines Si vermeidet Rekombination der Ladungsträger auf ihrem Weg zur Anode bzw. Kathode durch Kollision mit „Störstellen“ Versuch • Spannung an einer „Solarzelle“ bei Beleuchtung Halbleiterzähler h Verstärker Stromfluss im Halbleiterzähler + n leitend p leitend • Polung in Sperr-Richtung: Zunahme des Stroms in Sperrichtung (Abnahme des Widerstands) bei Ankunft eines Quants ─ Versuch • Halbleiterzähler Zusammenfassung Photodiode und Halbleiterzähler • Wird eine n-p junction mit sichtbarem Licht bestrahlt, dann erhöht sich die Anzahl der freien Ladungsträger, weil sie vom Valenz- ins Leitungsband gehoben werden – „Innerer Photoeffekt“ - im Gegensatz zum äußeren mit Elektronen Abgabe ins Vakuum • Das Feld in der Grenzschicht zieht Elektronen in das nleitende Gebiet, die Löcher in das p-leitende • Photostrom fließt in Sperr Richtung - das Element liefert eine der Intensität entsprechende Spannung • Halbleiterzähler: Bei Anschluss einer Spannung in SperrRichtung bewirkt der Photoeffekt eine Zunahme des Stroms (Abnahme des Widerstands) bei Ankunft eines Quants Versuch • Leuchtdiode Halbleiter als Leuchtdiode h Widerstand (~300 ) Leuchtdiode • Spannung liegt in Flussrichtung – Elektronen wandern in die p-Schicht und rekombinieren mit den Löchern • Bei manchen Halbleitern wird die dabei frei werdende Energie in Form von sichtbarem Licht abgestrahlt • Strombegrenzung durch einen Widerstand in Reihe Stromfluss in der Leuchtdiode n leitend ─ p leitend + • Die Leuchtdiode wird in Flussrichtung gepolt • Bei der Rekombination von Elektronen und Defekelektronen wird Energie frei, dabei entsteht in manchen Halbleitern sichtbares Licht Der Peltier-Effekt T1 T2 Peltier-Effekt im Halbleiter • Elektronen, die in einer Diode aus dem Leitungsband in Flussrichtung fließen, rekombinieren mit den energetisch tiefer liegenden Defektelektronen des Valenzbands: – Die Elektronen geben Energie an das Gitter ab, die Kontaktfläche erwärmt sich • In Sperrrichtung umgekehrt: Die Elektronen nehmen Energie aus dem mechanischen Schwingungsspektrum (den Phononen) auf, der Kontakt kühlt sich ab • Mit speziell dotierten Halbleitern (z. B. Selen dotiertes Wismut-Tellurid) werden Temperaturdifferenzen bis zu 50°C erreicht Versuch • Peltier Effekt Zusammenfassung Photodiode und PeltierEffekt • Stromfluss in Flussrichtung führt zur Rekombination der Ladungsträger in Nähe der np junction – Die dabei freiwerdende Energie erscheint als Wärme und in Photodioden als Licht – Die np junction erwärmt sich • Bei Stromfluss in Sperrichtung nehmen Elektronen Energie aus dem „Wärmebad der Gitterschwingungen“ auf, – np junction kühlt sich ab – Anwendung im Peltier-Element • Z. B. zur Kühlung in Kühltaschen für den Anschluss an die Steckdosen im Auto Stromfluss in der Leuchtdiode n leitend ─ p leitend + • Die Leuchtdiode wird in Flussrichtung gepolt • Bei der Rekombination von Elektronen und Defekelektronen wird Energie frei, dabei entsteht in manchen Halbleitern sichtbares Licht Aggregatzustand, Ladungsträger und Leitfähigkeit Gas Flüssig Elektronen Ionen Elektrolytische Leitung Spontaner Durchbuch, z. B. Blitz In Grenzen: Fest Elektronen Halbleiter Metall Nach Aktivierung: Ohmsche Leitung, U=R.I Isolator
