Prüfung Physik - mrs
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Leitungsvorgänge in Halbleitern 1. Leiter – Nichtleiter – Halbleiter Leiter: Viele bewegliche Elektronen Nichtleiter: keine bewegliche Elektronen Halbleiter: wenige bewegliche Elektronen a) Heißleiter (NTC – Widerstand: negative temperature coefficient) Schaltsymbol: R Ergebnis: Leitet bei höheren Temperaturen besser als bei niedrigen (Widerstand nimmt ab - Leitfähigkeit zu) Anwendung: Brandmelder, Temperaturfühler b) Kaltleiter (PTC – Widerstand: positive temperature coefficient) Schaltsymbol: R Ergebnis: Leitet bei Zimmertemperatur besser als bei höherer Temperatur (Widerstand nimmt zu – Leitf. ab) Anwendung: Überhitzungsschutz bei Maschinen, Fühler für Flüssigkeitsstände c) Fotowiderstand (LDR – Widerstand: light dependent resistor) Schaltsymbol: Ergebnis: Leitet bei Beleuchtung besser (Widerstand nimmt ab – Leitfähigkeit zu) Anwendungen: - Lichtschranke (Rolltreppe, Aufzugtüre, Handschutz bei laufenden Maschinen) - Belichtungsmesser Fotoapparat - Dämmerschalter über Relais Bsp: Steuerung der Straßenbeleuchtung oder Lichtschranke Relais 220 V 60W 0-10 V d) Leuchtdiode (LED – Widerstand: light emitting diode) Schaltsymbol: p n Anwendungen: - Sehr energieeffiziente Leuchtmittel 582615141 Zur Verfügung gestellt von Herrn Bolland! Vielen Dank! 2. Deutung der Eigenleitung Häufigstes Material für Halbleiter: Silicium 28 14 Si oder Germanium 72 32 Ge Das Leitungsverhalten unterscheidet sich deutlich von dem der Metalle: - Die Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur stark zu, d.h. der Widerstand nimmt ab. Bei sehr tiefen Temperaturen sind sie praktisch Isolatoren. - Ihre elektrische Leitfähigkeit nimmt bei Belichtung um mehrere Zehnerpotenzen zu. Leitfähigkeit von Halbleitern - Eigenleitung (am Beisp. v. Silizium) Jedes Siliziumatom hat 4 Elektronen auf der „Außenschale“ ( Valenzelektronen ). Diese sind jedoch fest gebunden (stabile „8er-Schale mit Nachbarelektronen) keine freien Leitungselektronen (bei –273°C) Isolator - - Elektronenpaarbildung Valenzelektronen Si - - Si - - - - Si - - Si - - - - - - - Si - - - Si - - - Energiezufuhr (Wärme,Licht) einige Elektronen werden aus ihrer Bindung „freigeschüttelt“ Leitungselektronen jedes Leitungselektron hinterlässt ein positiv geladenes „Loch“ Defektelektron (siehe Buchner Abb. 96.3) Elektronen und Löcher bilden sich gleichzeitig ( Paarbildung ) Leitungselektronen und Löcher können rekombinieren Spannung anlegen Leitungselektronen driften zum Pluspol Elektronenstrom oder n-Leitung Defektelektronen driften scheinbar zum Minuspol Löcherstrom oder p-Leitung (siehe Buchner Abb. 97.1) Elektronenstrom und Löcherstrom ergeben die Eigenleitung im Halbleiter Dotieren von Halbleitern Zur Verbesserung der Leitfähigkeit werden der Si-Schmelze „Fremdatome“ zugesetzt. Diese werden beim Erstarren in das Kristallgitter mit eingebaut. ( Dotieren ) 1. Methode: Dotieren eines Halbleiterkristalls mit 5 – wertigen Atomen (z.B. Phosphor od. Arsen als Störstelle hat 5 Valenzelektronen) Anzahl der Leitungselektronen wird größer, da das 5. Elektron nicht für eine Elektronenpaarbildung gebraucht wird und nur schwach gebunden ist. Es wird durch Zufuhr von nur wenig Energie freigesetzt. kaum unbesetzte Löcher n - Halbleiter Fremdatome, die Leitungselektronen liefern heißen Donatoren. 2. Methode: Dotieren eines Halbleiterkristalls mit 3 – wertigen Atomen (z.B. Aluminium, Bor, Gallium, Indium) Anzahl der Löcher wird größer, diese nehmen Elektronen von benachbarten Löchern auf es entstehen neue Löcher 582615141 Zur Verfügung gestellt von Herrn Bolland! Vielen Dank! kaum freie Elektronen p - Halbleiter Fremdatome, wie Indium heißen Akzeptoren. Obwohl auf mehr als 1 Mio. Si-Atome nur 1 As-Atom bzw. 1 In-Atom trifft, ist diese Störstellenleitung mehr als 100 mal stärker als die Eigenleitung. Die Halbleiterdiode Fügt man einen p – Halbleiter und einen n – Halbleiter aneinander, so erhält man eine Halbleiterdiode. Leitungselektronen des n-Halbleiters diffundieren (=wandern) infolge der thermischen Bewegung zum pHalbleiter. In der Grenzschicht des pn-Übergangs rekombinieren die Leitungselektronen des n-Halbleiters mit den Löchern des p-Halbleiters. Es entsteht ein Bereich, in dem fast keine beweglichen Ladungsträger mehr vorhanden sind (Grenz- oder Verarmungszone). Schaltzeichen: p-Schicht n-Schicht Anwendungen der Halbleiterdiode a) + p (siehe Buchner Abb. 100.3.) n Aufgrund des äußeren elektr. Feldes wandern Ladungsträger in die Verarmungszone der pn-Übergang wird leitend die Sperrschicht ist verschwunden und die Diode hat nur noch einen sehr geringen Widerstand die Halbleiterdiode ist in Durchlassrichtung geschaltet. b) - + p (siehe Buchner Abb. 100.2.) n Ladungsträger wandern von der Verarmungszone weg Grenzschicht ohne bewegliche Ladungsträger wird breiter der Widerstand des pn-Übergangs wird vergrößert die Halbleiterdiode sperrt den Stromdurchgang Sperrrichtung I in mA Kennlinie einer Halbleiterdiode R = 100 A V + - Messungen: U in V -2 I in mA Durchlassbereich -1 0 1 2 3 Sperrbereich -3 -2 Ergebnis: Die Stromstärke steigt ab einer Spannung von 0,3 V (Schleusenspannung steil an. Oberhalb der Schleusenspannung beginnt der Durchlassbereich der Diode unterhalb befindet sich die Diode im Sperrbereich (A- Bereich). 582615141 Zur Verfügung gestellt von Herrn Bolland! Vielen Dank! -1 0 1 2 3 0,3 V (Schleusenspannung) U in V Technische Anwendung Halbleiterdiode als Gleichrichter in Computern, Taschenrechnern, Netzteilen von Walkmans, als Kapazitätsdioden in der Nachrichtenünertragung, als Zehnerdioden in der Spannungsstabilisierung, als Leuchtdioden (LED = light emmiting diods) in Anzeigen und als Fotodioden Gleichrichterschaltungen (Dioden im Wechselstromkreis) I a) Einweggleichrichtung Schaltskizze: 1 k 6V ~ Oszilloskop t b) Doppelweggleichrichtung (Brückengleichrichter – Graetz-Schaltung) I Schaltskizze: 1 k a) ohne b) mit Kondensator (10 F) 12V ~ t Das I/t-Diagramm zeigt einen pulsierenden Gleichstrom. zu b) Schaltet man einen Kondensator geeigneter Kapazität parallel zum Ausgang des Brückengleichrichters, so erhält man einen geglätteten Gleichstrom. Solarzellen sind ebenfalls Dioden: Aufbau und Funktion siehe Kapitel „Energieversorgung – Solarenergie“. 582615141 Zur Verfügung gestellt von Herrn Bolland! Vielen Dank!
