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
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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
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 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).
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-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“.
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