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Anwendung der np junction: Wichtige Halbleiterbauelemente.

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Präsentation zum Thema: "Anwendung der np junction: Wichtige Halbleiterbauelemente."—  Präsentation transkript:

1 Anwendung der np junction: Wichtige Halbleiterbauelemente

2 Inhalt Photodiode, Solarzelle Halbleiterzähler Leuchtdiode Peltier-Effekt

3 Die Photodiode

4 Photoeffekt an der np Junction n leitendp leitend Energiezufuhr, hier W =h· f [J], 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

5 Stromfluss an der Photodiode n leitendp 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

6 n leitendp leitend + Stromfluss in der Solarzelle ,5 [mA] [V] R Ohmscher Widerstand

7 Technische Daten zu einem Solarmodul Die Investition für 1 Watt Solarleistung beträgt derzeit 4,60 Fläche 1,30 m hoch, 0,32 m breit

8 Technische Daten zu einem Solarmodul Die Investition für 1 Watt Solarleistung beträgt derzeit etwa 4,60 Fläche 1,60 m hoch, 0,80 m breit Leistung215W Zellenwirkungsgrad max.18,7% Max. Peak-Spannung42,1V Max. Peak-Strom5,09A Ausführung: Sanyo HIT 215

9 Strom-Spannungs Charakteristik

10 Versuch Spannung an einer Solarzelle bei Beleuchtung

11 Halbleiterzähler Verstärker

12 Stromfluss im Halbleiterzähler n leitendp leitend Polung in Sperr-Richtung: Zunahme des Stroms in Sperrichtung (Abnahme des Widerstands) bei Ankunft eines Quants + [mA]

13 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 n- leitende 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 Sperr- Richtung bewirkt der Photoeffekt eine Zunahme des Stroms (Abnahme des Widerstands) bei Ankunft eines Quants

14 Versuch Leuchtdiode

15 Halbleiter als Leuchtdiode Widerstand (~300 )

16 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

17 n leitendp leitend Stromfluss in der Leuchtdiode + Die Leuchtdiode wird in Flussrichtung gepolt Bei der Rekombination von Elektronen und Defekelektronen wird Energie frei, dabei entsteht in manchen Halbleitern sichtbares Licht [mA]

18 Der Peltier-Effekt

19 n leitendp leitend Stromfluss im Peltier Element zur Abkühlung Das Gitter schwingt aufgrund der Temperatur Bewegung seiner Bausteine (Phononen) Zur Abkühlung wird das Peltier Element in Sperr-Richtung gepolt

20 n leitendp leitend Stromfluss im Peltier Element zur Abkühlung Das Gitter schwingt aufgrund der Temperaturbewegung seiner Bausteine (Phononen) Zur Abkühlung wird das Peltier Element in Sperr-Richtung gepolt

21 In der breiten, Ladungsträger armen Schicht um die np-junction entstehen die für den Strom erforderlichen Ladungsträger: Elektronen werden vom Gitter getrennt, sie nehmen dabei Energie aus dem mechanischen Schwingungsspektrum der Phononen auf, der Kontakt kühlt sich ab n leitendp leitend + Stromfluss im Peltier Element zur Abkühlung +

22 n leitendp leitend Stromfluss im Peltier Element zur Erwärmung + Das Peltier Element wird in Flussrichtung gepolt Bei der Rekombination von Elektronen und Defekelektronen wird Energie frei und an die Phononen des Gitters abgeben: die Kontaktstelle erwärmt sich

23 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

24 Versuch Peltier Effekt

25 Zusammenfassung Photodiode und Peltier- Effekt 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

26 n leitendp leitend finis +


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