Die Beweglichkeit von Elektronen ist größer als die Beweglichkeit

22
Die Beweglichkeit von Elektronen ist größer als die Beweglichkeit von Löchern!
Die Bewegungsrichtung unter Einfluß eines elektrischen Feldes von Löchern
und Elektronen ist entgegengesetzt.
Die Eigenleitfähigkeit von Halbleitern kann durch Energiezufuhr (Wärme,
Strahlung) stark vergrößert werden. Anwendungen findet man in Thermistoren
und Fotowiderständen.
Halbleiter sind strenggenommen Heißleiter und haben einen negativen
Temperaturkoeffizienten.
Bisher wurde nur die Eigenleitfähigkeit besprochen. Sie setzt extreme Reinheitsgrade voraus.
Auf 1010 Atome eines reinen Halbleiters darf dann nur ein Fremdatom enthalten sein.
Bild 1.6 zeigt schematisch das Kristallgitter von reinem Silizium und dessen geringe Eigenleitfähigkeit.
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Energiezufuhr befreit Elektron und erzeugt positives Loch
Bild 1.6
Eigenleitung in reinem Siliziumkristall
Siegismund, Werkstoffkunde: Vogel Buchverlag: ISBN 3-8023-1767-x
23
Wird ein extrem reiner Halbleiter gezielt verunreinigt, dann spricht man von
Dotieren. Wenn das Grundmaterial 4wertiges Silizium ist und die Dotierung erfolgt mit einem 5wertigen Stoff, dann hat das 5. Elektron eine schwache Bindung.
Es läßt sich leicht lösen.
Legierungen, die Elektronen spenden, heißen Donatoren.
Andererseits kann gezielt mit 3wertigen Dotierungen das 4wertige Silizium verunreinigt werden. Dann fehlt immer ein Elektron im Verbund. An dieser Stelle würde ein freies Elektron akzeptiert werden.
Legierungen, die Elektronen einfangen wollen, heißen Akzeptoren.
Auf diese Art und Weise werden Halbleiter mit n- und p-Leitung hergestellt.
Bild 1.7 zeigt schematisch das Kristallgitter von dotiertem Silizium und dessen
Störstellenleitfähigkeit.
Im Unterschied zu Metallen ist die Ladungsträgerkonzentration geringer, aber
die Beweglichkeit größer. Außerdem ist die Beweglichkeit von Elektronen größer
als die Beweglichkeit von Löchern.
Neben den Halbleitern aus einem Element werden auch Verbindungshalbleiter
aus zwei Elementen (3- und 5wertig) hergestellt. Eine bekannte Kombination ist
Galliumarsenid, deren Elektronenbeweglichkeit sehr hoch ist. Galliumarsenidtransistoren werden in Eingangsstufen von Satellitenempfangsanlagen eingesetzt.
Die hohe Beweglichkeit der Ladungsträger ist Voraussetzung für die Verarbeitung
hoher Frequenzen.
Werden p- und n-Halbleiter miteinander kontaktiert, dann entsteht der pnÜbergang. Die Diffusionskraft läßt Elektronen aus dem n-Halbleiter in den pHalbleiter wandern, und Löcher aus dem p-Halbleiter wandern in den n-Halbleiter. Die Diffusionskraft, die prinzipiell Konzentrationsunterschiede ausgleicht,
bewirkt Grenzübertritte, die aber gleichzeitig ein inneres Spannungsfeld aufbauen, weil die Raumladung im Grenzbereich gestört ist. Der Diffusionsstrom wird
beendet, wenn die elektrische Anziehungskraft der Diffusionskraft gleich groß
entgegenwirkt.
Im pn-Übergang entsteht ohne äußere Einwirkung eine Raumladungszone, die
Ursache für die Schwellspannung von Halbleiterdioden ist. Außerhalb der Raumladungszone befinden sich nach wie vor die beweglichen Löcher und die beweglichen Elektronen in der ursprünglichen Konzentration.
Siegismund, Werkstoffkunde: Vogel Buchverlag: ISBN 3-8023-1767-x
47
Magnetische Modulatoren heißen auch Transduktoren.
1.4
Fragen
Grundlagenfragen (gelten für alle Gewerke): Kennzeichnung G
Fragen für Maschinenbauer: Kennzeichnung Ma
Fragen für Elektrotechniker: Kennzeichnung E
Fragen für Informationstechniker: Kennzeichnung I
G1.
G2.
G3.
E4.
G5.
G6.
G7.
G8.
G9.
G10.
I11.
G12.
I13.
G14.
G15.
G16.
G17.
G18.
G19.
G20.
Was verstehen Sie unter kristallinen und amorphen Werkstoffen?
Worin unterscheidet sich die Herstellung von Legierungen und Sinterwerkstoffen?
Haben Metalle einen negativen oder positiven Temperaturkoeffizienten
im Widerstandsverhalten?
Mit welchem Faktor ändert sich etwa der Widerstand einer Glühlampe,
wenn sie erst kalt ist, dann mit Nennleistung glüht?
Wodurch wird die elektrische Leitfähigkeit von reinen Metallen gemindert?
Zählen Sie drei Metalle hoher elektrischer Leitfähigkeit auf!
Haben Metalle eine gute oder eine schlechte Wärmeleitfähigkeit?
Nennen Sie eine Anwendung des thermoelektrischen Effektes!
Warum muß in Phasenprüfern die Glimmlampe in Reihe mit einem Widerstand betrieben werden?
Wie ist Stromfluß im Vakuum möglich?
Welche drei Grundfarben werden in Farbbildröhren verwendet?
Was verstehen Sie unter Dissoziation von Flüssigkeiten und Schmelzen?
Was verstehen Sie unter p- und n-Leitung in Halbleitern?
Eine Diode soll leitfähig gesteuert werden. Muß für diesen Fall die Katode positiveres oder negativeres Potential gegenüber der Anode haben?
Welche Forderungen müssen allgemein an elektrische Isolierstoffe gestellt werden?
Erklären Sie die Begriffe ferroelektrisch, piezoelektrisch und pyroelektrisch!
Nehmen die Verluste in Isolatorwerkstoffen zu oder ab, wenn die Frequenz steigt?
Ist die Durchschlagsfestigkeit von Isolatorwerkstoffen ein konstanter
Wert?
Beschreiben Sie die Wirkung von Mikrowellen auf Nahrungsmittel!
Nimmt die Durchbruchfeldstärke von Luft zu oder ab, wenn der Druck
erhöht wird?
Siegismund, Werkstoffkunde: Vogel Buchverlag: ISBN 3-8023-1767-x
129
11
Lösungen zu allen Fragen
zu Kapitel 1
1. Kristalline Werkstoffe haben eine periodisch-räumliche Atomfolge. Amorphe Werkstoffe sind räumlich gestaltlos, z.B. Glas.
2. Legierungen entstehen aus der Schmelze zweier oder mehrerer Werkstoffe,
Sinterwerkstoffe dagegen werden unterhalb des Schmelzpunktes zusammengepreßt.
3. positiv
4. Im glühenden Zustand verzehnfacht sich der Widerstand.
5. Erhöhung der Temperatur, mechanische Verformung, Verunreinigungen
6. Silber, Kupfer, Aluminium, Gold
7. gute Wärmeleitfähigkeit
8. Sicherung von Gasbrennern
9. Im gezündeten Zustand ist die Glimmstrecke niederohmig, und der Strom
steigt unkontrolliert an.
10. Elektronen müssen in das Vakuum geschossen werden.
11. Rot, Grün, Blau
12. Aufspaltung des Werkstoffes in Ionen
13. P-Leitung ist Löcherleitung, n-Leitung erfolgt mit Elektronen.
14. Katode muß ein negativeres Potential haben.
15. hoher Durchgangswiderstand, hohe Durchschlagsfestigkeit, hoher Oberflächenwiderstand, geringe Verluste bei Wechselspannungen
16. Ferroelektrisch sind Stoffe mit hoher Permittivität ε und nichtlinearem Verhalten im elektrischen Feld; piezoelektrisch sind Stoffe, die unter mechanischer Belastung Spannung erzeugen und umgekehrt mit angelegter Spannung
sich bewegen; pyroelektrisch sind Stoffe, die bei Temperaturwechsel Oberflächenladungen erzeugen.
17. Verluste nehmen zu.
18. nein; abhängig von der Dicke, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Alterung
19. Wasser im Nahrungsmittel wird mit seiner Resonanzfrequenz 2,45 GHz polarisiert.
20. nimmt zu
21. SF6 absorbiert Elektronen und erstickt somit einen entstehenden Lichtbogen.
22. Die ferromagnetischen Eigenschaften gehen verloren.
23. Restmagnetismus nach einer Aufmagnetisierung
24. magnetische Feldstärke, um den Restmagnetismus zu beseitigen
Siegismund, Werkstoffkunde: Vogel Buchverlag: ISBN 3-8023-1767-x