2.12 Halbleiterlektronik
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Halbleiterelektronik Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Universität Augsburg Didaktik der Physik 1 Energieniveaus in kristallinen Festkörpern 4p N 4s 3d 3p Energie M Energiebänder 3s Energielücken 2p L 2s bohr´sche Schalen K 1s Energetische Verteilung Energetische Verteilung eines der 29 Elektronen mehratomigen Systems eines Kupferatoms auf von 3 ∙ 29 = 87 Kupferatomen verschiedene Teilschalen 2 Bändermodell für Nichtleiter und Metalle Nichtleiter Metall Das höchste besetzte Niveau befindet sich an der oberen Kante eines Bands; das nächsthöhere freie Niveau ist um eine vergleichsweise große Energielücke davon entfernt. Das höchste im Grundzustand besetzte Niveau befindet sich in der Mitte eines Bands. Da innerhalb dieses Bands weitere Niveaus unbesetzt sind, können Elektronen in diesem Band ihre Niveaus leicht wechseln und es kann ein Strom fließen. gefüllte Niveaus = rot, leere Niveaus = grün 3 Stromleitung im metallischen Leiter Metalle mit guter Leitfähigkeit haben alle die gleichen Eigenschaften hinsichtlich ihrer Elektronen: Ein oder zwei Valenzelektronen lösen sich leicht vom Atom und diffundieren durch das Kristallgitter. Wird Spannung angelegt, so erhält die Diffusion eine Vorzugsrichtung: => Strom fließt Je höher die Temperatur des Metalls, desto heftiger ist die thermische Eigenbewegung der Atome. Diese behindert die Diffusion in der Vorzugsrichtung: => der Widerstand steigt mit der Temperatur 4 Kaltleiter (PTC-Widerstand) - Heißleiter (NTC-Widerstand) Schaltzeichen: υ υ R/Ω R/Ω z. B. oder T/°C Der Widerstand steigt (meist proportional) zur Temperatur Alle Metalle sind => Kaltleiter . Aber: Nicht alle Kaltleiter sind Metalle! T/°C Sinkt der Widerstand mit zunehmender Temperatur, so sprechen wir von einem Heißleiter. Heißleiter werden meist aus Halbleitermaterialien hergestellt. 5 Anwendungsbeispiele PTC-Widerstand als Temperaturwächter NTC-Widerstand als Brandmelder υ Hupe Relais υ υ υ Flüssigkeit, kälter als Umgebungsluft 6 Bändermodell für Halbleiter Leitungsband Valenzband Nichtleiter Halbleiter 7 Dotierte Halbleiter Der Halbleiterkristall ist aus einer regelmäßigen Folge von „Einheitszellen“ aufgebaut. Diese erhält man, indem man den Kristall aus seiner Schmelze „zieht“. Manchmal entstehen dabei Versetzungen und Strukturänderungen im Kristall. Man kann solche „Störstellen“ provozieren, indem man der Schmelze eine kleine Menge eines anderen Stoffes beimischt. Dies nennt man dotieren. 8 n-dotierte Halbleiter Leitungsband EL (1) ED (2) Valenzband Die je ein Leitungselektron gebenden Fremdatome nennt man Donatoren. (3) Das Energieniveau ED der Leitungselektronen liegt dicht unter dem Leitungsband. Sie benötigen nur ganz wenig Energie um ins Leitungsband zu springen Die Stromleitung in einem n-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch Elektronen. 9 p-dotierte Halbleiter Leitungsband EA EL (1) (2) Valenzband Die je ein Valenzelektron aufnehmenden Fremdatome nennt man Akzeptoren. (3) Das Energieniveau EA des Leitungselektronen liegt dicht über dem Valenzband. Die „freien Plätze“ der Akzeptoren sind für Elektronen aus dem Valenzband leicht erreichbar. Die Stromleitung in einem p-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch „Löcherleitung“ 10 pn-Übergang p-dotiert vor Kontakt: Zwei elektrisch für sich neutrale Werkstoffe; einer p-dotiert, der andere n-dotiert n-dotiert - - - + + + - - - + + + - - - + + + Löcher fest gebundene Atomrümpfe freie Elektronen p Kontakt: Diffusion von Löchern in die n-Schicht und von Elektronen in die p-Schicht „Diffusionsstrom“ n - - - + + + - - - + + + - - - + + + Ladungsausgleich / Rekombination nach Kontakt: Ausbildung einer „Sperrschicht“; auch „Raumladungszone (RLZ)“ genannt p - - - + + + - - - + + + - - - + + + n 11 Diode Ein Halbleiterbauelement mit kombinierter pn-Leitung wird als Diode bezeichnet. p n + Löcher - - - + + + - - - + + + - - - + + + Elektronenstrom: techn. Stromrichtung: Durchlassrichtung der Diode freie Elektronen Schaltzeichen: p Löcher n - - - + + + - - - + + + + - - - + + + freie Elektronen Anode Kathode p-Gebiet n-Gebiet Sperrrichtung der Diode Ein pn-Übergang wirkt als Gleichrichter, er lässt den Strom nur in eine Richtung fließen. 12 Diodenkennlinie Sperrbereich Silizium Germanium Durchlassbereich Durchlassbereich: Bei „kleiner“ Spannung sperrt die Diode den Strom wergen der Ladungsträgerarmut in der RLZ. Ab einem (bautypischen) Schwellenwert beginnt die Diode zu Leiten, da die Ladungsträger nun genug Energie besitzen um die Sperrschicht zu überwinden. Sperrbereich: Bei Umpolung vergrößert sich die Sperrschicht. Ab einer bestimmten Sperrspannung UR werden die Elektronen aus ihren Kristallbindungen gelöst. Es kommt zum sog. Zenerdurchbruch. Dabei steigt der Strom schlagartig an. Wird dieser Strom nicht begrenzt, dann zerstört er die Diode. 13 Bändermodell für eine Diode vor Kontakt: p-dotiert n-dotiert - - - + + + - - - + + + - - - + + + Leitungsband Löcher freie Elektronen fest gebundene Atomrümpfe Kontakt: - - - + + + - - - + + + - - - + + + Valenzband Rekombination nach Kontakt: - - - + + + - - - + RLZ + + + - - + + Energieschwelle = Schwellspannung ∙ e RLZ Link zum Java-Applet 14 Diodenschaltungen Einweggleichrichtung: I1 I2 U2 U1 U1 U2 Brückenschaltung: (Vollgleichrichtung) U1 I1 U1 I2 U2 U2 15 Diodenschaltungen Einweggleichrichter mit Kondensator: I1 I2 U2 U1 U1 U2 Brückenschaltung mit Kondensator: I1 U1 U1 I2 U2 U2 16 Diodenschaltungen S1 S2 L1 L2 17 Leuchtdioden Schaltzeichen: Leuchten mit gleicher Lichtleistung im Vergleich Leistung Glühlampe Energiesparlampe Leuchtdiode 75 W Lebensdauer 1000 h Stückpreis 1€ Kosten* 1000 h 50000 h 14,50 € 725 € 15 W 8000 h 10 € 12,70 € 205 € 3W 50000 h 70 € 70,50 € 97 € Anode Kathode * bei 0,18 € je kWh p + n - Die in Durchlassrichtung angelegte Spannung bewirkt in der Sperrschicht Rekombinationen von Elektronen und Löchern. Dabei wird Energie in Form von Licht frei. 18 Lichtabhängige Halbleiterelemente Fotodioden: Schaltzeichen: Anode Kathode Die Gehäuse von Fotodioden besitzen ein transparentes Fenster oder bestehen komplett aus transparentem Kunststoff. Fotodioden zum Empfang infraroter Signale (z. B. Fernbedienung) besitzen einen Tageslicht-Sperrfilter; sie sind z. B. in dunkel eingefärbtem Kunstharz vergossen. 19 Lichtabhängige Halbleiterelemente Fotowiderstand (LDR): Schaltzeichen: Solarzelle: Schaltzeichen: Leifi-Physik 20 Transistor C C n B p B n E E 4V/0,04A + 4,5 V 10 kΩ - 21 Transistor als Schalter (Lichtschranke) 4V/0,04A LDR + 4,5 V 10 kΩ Trifft Licht auf den LDR, so sinkt dessen Widerstand, es fällt an ihm eine geringere Spannung als vorher ab. Da die Gesamtspannung am Spannungsteiler gleich bleibt, muss nun am Potentiometer eine höhere Spannung als vor der Beleuchtung abfallen. Somit hat aber auch die Spannung zwischen Basis und Emitter zugenommen. Die Basis-Emitter-Diode wird leitend und es tritt der Transistor-Effekt ein. 22 Transistor als Schalter Steuerstromkreis Laststromkreis 10 kΩ Relais 4,5V 230 V 1 kΩ + LDR Dämmerungsschalter: Sinkt die Umgebungshelligkeit, wird der LDR hochohmig. Dadurch liegt positives Potential an der Basis des Transistors und das Relais schließt den Laststromkreis. 23 Transistor als Verstärker Darlington-Schaltung Berührungsschalter: 110 Elektronen 12210 Elektronen 1 Elektron 111 Elektronen IB = Basisstrom / Steuerstrom IC = Kollektorstrom / Arbeitsstrom 24
