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Halbleiterelektronik Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Universität Augsburg Didaktik der Physik 1.

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1 Halbleiterelektronik Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule Universität Augsburg Didaktik der Physik 1

2 Energieniveaus in kristallinen Festkörpern 2 Energie Energetische Verteilung der 29 Elektronen eines Kupferatoms auf verschiedene Teilschalen Energiebänder Energielücken 4p 3s 2p 2s 1s 4s 3d 3p K L M N bohr´sche Schalen Energetische Verteilung eines mehratomigen Systems von 3 29 = 87 Kupferatomen

3 Bändermodell für Nichtleiter und Metalle 3 Das höchste besetzte Niveau befindet sich an der oberen Kante eines Bands; das nächsthöhere freie Niveau ist um eine vergleichsweise große Energielücke davon entfernt. Nichtleiter Metall 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

4 => der Widerstand steigt mit der Temperatur => Strom fließt 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: Je höher die Temperatur des Metalls, desto heftiger ist die thermische Eigenbewegung der Atome. Diese behindert die Diffusion in der Vorzugsrichtung: 4

5 => Kaltleiter (PTC-Widerstand) - Heißleiter ( NTC-Widerstand) 5 T/°C R/ Alle Metalle sind. Der Widerstand steigt (meist proportional) zur Temperatur Sinkt der Widerstand mit zunehmender Temperatur, so sprechen wir von einem Heißleiter. Heißleiter werden meist aus Halbleitermaterialien hergestellt. υυ Schaltzeichen: Aber: Nicht alle Kaltleiter sind Metalle! Kaltleiter z. B. oder T/°C R/

6 Anwendungsbeispiele 6 NTC-Widerstand als BrandmelderPTC-Widerstand als Temperaturwächter υυυ Flüssigkeit, kälter als Umgebungsluft υ Relais Hupe

7 Bändermodell für Halbleiter 7 Leitungsband Valenzband NichtleiterHalbleiter

8 Dotierte Halbleiter 8 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.

9 n-dotierte Halbleiter 9 (1) (2) Die je ein Leitungselektron gebenden Fremdatome nennt man Donatoren. ELEL EDED Leitungsband Valenzband (3) Das Energieniveau E D 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.

10 p-dotierte Halbleiter 10 (1) ELEL (2) Die je ein Valenzelektron aufnehmenden Fremdatome nennt man Akzeptoren. EAEA Leitungsband Valenzband (3) Das Energieniveau E A 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

11 pn-Übergang Löcher freie Elektronen fest gebundene Atomrümpfe p-dotiertn-dotiert pn Ladungsausgleich / Rekombination vor Kontakt: Kontakt: nach Kontakt: Diffusion von Löchern in die n-Schicht und von Elektronen in die p-Schicht Zwei elektrisch für sich neutrale Werkstoffe; einer p-dotiert, der andere n-dotiert Diffusionsstrom Ausbildung einer Sperrschicht; auch Raumladungszone (RLZ) genannt pn

12 Diode pn pn Durchlassrichtung der Diode Sperrrichtung der Diode Ein Halbleiterbauelement mit kombinierter pn-Leitung wird als Diode bezeichnet. Ein pn-Übergang wirkt als Gleichrichter, er lässt den Strom nur in eine Richtung fließen. Löcher freie Elektronen Schaltzeichen: Anode Kathode p-Gebiet n-Gebiet Elektronenstrom: techn. Stromrichtung: freie Elektronen Löcher

13 Diodenkennlinie 13 Sperrbereich Durchlassbereich Silizium Germanium 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 U R 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.

14 Bändermodell für eine Diode Löcher freie Elektronen fest gebundene Atomrümpfe p-dotiertn-dotiert Rekombination vor Kontakt: Kontakt: Leitungsband Valenzband nach Kontakt: RLZ Energieschwelle = Schwellspannung e Link zum Java-Applet

15 Diodenschaltungen U 1 U 2 I 1 I 2 Einweggleichrichtung: I 1 I 2 U 1 U 2 Brückenschaltung: U 1 U 2 (Vollgleichrichtung) 15

16 Diodenschaltungen U 1 U 2 I 1 I 2 Einweggleichrichter mit Kondensator: I 1 I 2 U 1 U 2 Brückenschaltung mit Kondensator: U 1 U 2 16

17 Diodenschaltungen S1S1 L2L2 L1L1 S2S2 17

18 p Leuchtdioden 18 Schaltzeichen: Anode Kathode n + - Die in Durchlassrichtung angelegte Spannung bewirkt in der Sperrschicht Rekombinationen von Elektronen und Löchern. Dabei wird Energie in Form von Licht frei. Leuchten mit gleicher Lichtleistung im Vergleich LeistungLebens-Stück- Kosten* dauerpreis1000 h50000 h Glüh-75 W1000 h1 14, lampe Energie-15 W8000 h10 12, sparlampe Leucht-3 W50000 h70 70,50 97 diode * bei 0,18 je kWh

19 Lichtabhängige Halbleiterelemente 19 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.

20 Lichtabhängige Halbleiterelemente 20 Fotowiderstand (LDR):Solarzelle: Schaltzeichen: Leifi-Physik

21 Transistor 21 p n n C B E C B E 10 k + - 4,5 V 4V/0,04A

22 Transistor als Schalter k + - 4,5 V 4V/0,04A LDR 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. (Lichtschranke)

23 Transistor als Schalter 4,5V 10 k 1 k LDR Relais 230 V Dämmerungsschalter: Sinkt die Umgebungshelligkeit, wird der LDR hochohmig. Dadurch liegt positives Potential an der Basis des Transistors und das Relais schließt den Laststromkreis. Steuerstromkreis Laststromkreis

24 Darlington-Schaltung Transistor als Verstärker I C = Kollektorstrom / Arbeitsstrom I B = Basisstrom / Steuerstrom Elektronen 110 Elektronen 111 Elektronen 1 Elektron Darlington-Schaltung Berührungsschalter: 24


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