Leiter, Isolator und Halbleiter Kapitel 1.2.1 Fragen TB101 bis TB112 und TC501 bis TC505 aus Kapitel 1.3.5 Michael Funke – DL4EAX

Elektrischer Leiter

Elektrischer Leiter Ein elektrischer Leiter ist ein Material, welches eine hohe Dichte frei beweglicher Ladungsträger und daher eine gute elektrische Leitfähigkeit hat. Dadurch ist dieses zum Transport geladener Teilchen geeignet. Diesen Transport nennt man elektrischen Strom.

Elektrischer Leiter Die Elektronen auf der äußeren Schale sind wegen des größeren Kernabstandes weniger fest an den Atomkern gebunden und können sich loslösen. Sie nennt man Valenzelektronen. Hier als Beispiel ein Kupferatom mit 29 Elektronen. Nach dem Atommodell von Nils Bohr verteilen sich die Elektronen bei 4 Schalen wie folgt: 1. Schale:  2 Elektronen 2. Schale:  8 Elektronen 3. Schale: 18 Elektronen 4. Schale: 32 Elektronen Bei Kupfer verbleibt für die 4. Schale ein Atom. Bildquelle: CC BY-SA 2.0 uk https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=715335

Elektrischer Leiter Gebräuchliche metallische Leiter in der Reihenfolge ihrer Leitfähigkeit: Bildquelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Electron_shell_diagrams_(German)

Elektrischer Leiter In Metallen sind die Atom-kerne in Form eines Raum-gitters strukturiert und fest an ihren Gitterplatz gebunden. Da sie dicht aneinander gedrängt sind (wie Äpfel in einer Kiste), kann ein Valenz-elektron so nah an ein be nachbartes Atom gelangen, dass sich das Elektron zwi-schen den einzelnen Atom-kernen immer wieder kurz-zeitig frei bewegen kann. Nun kommt es dabei immer wieder zu Kollisionen zwischen den nicht beweglichen Elektronen, das macht dann den elektrischen Widerstand aus. Bildquelle: Carmen Weber – DM4EAX

Elektrischer Leiter Da die Elektronen bei höherer Temperatur mehr schwingen, kommt es öfter zu Kollisionen unter ihnen. Je wärmer ein metallische Leiter wird, desto höher wird also sein Widerstand. Das nennt man auch einen positiven Temperaturkoeffizienten. Temperatur steigt -> Widerstand steigt.

Der Leitwert ist der Kehrwert ( 1 𝑥 ) des spezifischen Widerstandes. Elektrischer Leiter Der spezifische Widerstand eines Drahtes entspricht dem Widerstand des Drahtes bei einer Länge von 1m (1.000mm) und einem Querschnitt von 1mm2. Der Querschnitt beschreibt eine Fläche. 𝜌= Ω ∙𝑚𝑚2 𝑚 𝑏𝑒𝑖 20°𝐶 Der Leitwert ist der Kehrwert ( 1 𝑥 ) des spezifischen Widerstandes. Werkstoff Leitwert Spezifischer Widerstand Kupfer 56 0,0178 Aluminium 33 0,030 Eisen 5,8 0,17

Elektrischer Leiter Daraus ergibt sich folgende Formel zur Berechnung des Widerstandes: 𝑅= 𝜌∙𝑙 𝐴𝐷𝑟 𝐴𝐷𝑟= 𝑑2∙𝜋 4 =𝑟2 ∙ 𝜋 Die Querschnittsfläche (A) können wir aus dem Durchmesser (d) oder dem Radius (r) berechnen.

Elektrischer Leiter Beispiel: Welchen Widerstand hat ein Kupferdraht, wenn der verwendete Draht eine Länge von 2,5m und einen Durchmesser von 1,8mm hat? 𝐴𝐷𝑟= 𝑑2∙𝜋 4 = 1,82 𝑚𝑚2∙𝜋 4 =2,54 𝑚𝑚2 𝑊𝑖𝑟 𝑒𝑟𝑖𝑛𝑛𝑒𝑟𝑛 𝑢𝑛𝑠: 𝜌=0,0178 Ω ∙ 𝑚𝑚2 𝑚 𝑅= 𝜌 ∙ 𝑙 𝐴𝐷𝑟 = 0,0178 Ω ∙ 𝑚𝑚2 ∙ 1.8 𝑚 2,54 𝑚𝑚2 ∙ 𝑚 =0,032 Ω

Nichtleiter

Nichtleiter Nichtleiter, auch „Isolatoren“ oder „Dielektrikum“ genannt, bestehen, wie Leiter, aus Elektronen und Atomkernen. Im Gegensatz zu den Metallen sind die Elektronen an einen bestimmten Atomkern gebunden, es gibt keine freien Elektronen (Valenzelektronen). Nichtleiter finden unter Anderem Anwendung um Leiter vor Berührung zu schützen. Bildquelle: Von Santeri Viinamäki, CC BY-SA 4.0 https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=49023544

Polyvinylchlorid (PVC) Nichtleiter Eine kleine Auswahl Polyvinylchlorid (PVC) Epoxid Polyethylen (PE) Polystyrol (PS) Pertinax Teflon

Halbleiter

Werkstoffe Die Halbleiter Silizium und Germanium haben vier Elektronen auf der äußeren Schale und leiten nur, wenn man sie erwärmt. Aus diesen Werkstoffen werden Dioden hergestellt, wobei sich heute die Nutzung von Germanium auf die Hochfrequenztechnik beschränkt. Bildquellen: Enricoros in der Wikipedia auf Englisch - Gemeinfrei https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3520523 Gibe (selfmade) - German Wikipedia, CC BY-SA 3.0 https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=324099

Dotierung Eine Dotierung (lateinisch: dotare = "aus-statten") bezeichnet in der Halbleiter-technik das Einbringen von Fremdato-men in das Grundmaterial. Die bei diesem Vorgang eingebrachte Menge ist dabei sehr klein. Im Vergleich zum Trägermaterial liegt sie zwischen 0,1 und 100ppm (parts per million).

N-Dotierung Bei der N-Dotierung (N für die freie negative Ladung) werden fünfwertige Elemente (z.B. Phosphor) in das Siliziumgitter einge-bracht und ersetzen vierwertige Silizium-Atome. Bildquelle: Markus A. Hennig; SVG-Umsetzung: Cepheiden - Datei:Silizium-p-Dotiert.png, CC BY-SA 3.0 https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10515060

P-Dotierung Bei der P-Dotierung (P für die freibewegliche positive Lücke, auch Loch genannt) werden dreiwertige Elemente (z.B. Alumi-nium) in das Siliziumgitter eingebracht und ersetzen vierwertige Silizium-Atome. Bildquelle: Markus A. Hennig; SVG-Umsetzung: Cepheiden - Datei:Silizium-p-Dotiert.png, GFDL https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10515059

PN-Übergang im Gleichgewicht Wird P- und N-dotiertes Material zusammengefügt, wandern die freien Elektronen vom N-Material in die Lücken des P-Materials (Rekombination). Dadurch entsteht eine Zone ohne freie Elektronen. Sie wird Raumladungszone oder auch Sperrschicht genannt. Bildquelle: Ffsepp - http://de.wikipedia.org/w/index.php?t itle=Bild:Pn_Uebergang.svg&filetimestamp=20061127003202, CC BY-SA 1.0 https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4744540

PN-Übergang unter Spannung Durchgang Legt man eine Spannung in Durch-lassrichtung an (+ am p-Kristall und − am n-Kristall), wird das elektrische Feld der Sperrschicht ab der Durch-lassspannung neutralisiert. Anders ausgedrückt: Elektronen wandern von N nach P, und heben die Sperrschicht auf. Damit ist ein Stromfluß von P nach N möglich. Bildquelle: Jaan513 - Eigenes Werk des ursprünglichen Hochladers Copyrighted free use https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=34695062

PN-Übergang unter Spannung Durchgang Die Höhe der Spannung die die Diode leitend macht ist abhängig vom Halbleitermaterial. Man nennt sie Durchlassspannung oder auch Schwellspannung und sie beträgt bei: Germanium zwischen 0,2 und 0,4 Volt und bei Silizium zwischen 0,5 und 0,8 Volt. Die Durchlassspannung sinkt bei steigender Temperatur. Bildquelle: Jaan513 - Eigenes Werk des ursprünglichen Hochladers Copyrighted free use https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=34695062

PN-Übergang unter Spannung Sperrung Durch Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung (+ am n-Kristall und − am p-Kristall) wird das elektrische Feld der Sperrschicht verstärkt und die Ausdehnung der Sperrschicht vergrößert. Elektronen und Löcher werden von der Sperrschicht weggezogen. Es fließt nur ein sehr geringer Strom, außer die Durchbruchspannung (50 bis 1.000 Volt) wird überschritten. Man könnte auch sagen dass der Übergang einen hohen Widerstand hat. Bildquelle: Jaan513 - Eigenes Werk des ursprünglichen Hochladers Copyrighted free use https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=34695019

Gibt es Fragen zu Leitern? Bildquelle: Von Zipacna1 - Eigenes Werk, CC BY 3.0 https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4922455

Initiales Autorenteam: Michael Funke - DL4EAX Carmen Weber - DM4EAX Willi Kiesow – DG2EAF Änderungen durch: Hier bitte Ihren Namen eintragen, wenn Sie Änderungen vorgenommen haben. Sie dürfen: Teilen: Das Material in jedwedem Format oder Medium vervielfältigen und weiterverbreiten. Bearbeiten: Das Material verändern und darauf aufbauen. Unter folgenden Bedingungen: Namensnennung: Sie müssen angemessene Urheber- und Rechteangaben machen, einen Link zur Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden. Diese Angaben dürfen in jeder angemessenen Art und Weise gemacht werden, allerdings nicht so, dass der Eindruck entsteht, der Lizenzgeber unterstütze gerade Sie oder Ihre Nutzung besonders. Nicht kommerziell: Sie dürfen das Material nicht für kommerzielle Zwecke nutzen. Weitergabe unter gleichen Bedingungen: Wenn Sie das Material verändern oder anderweitig direkt darauf aufbauen, dürfen Sie Ihre Beiträge nur unter derselben Lizenz wie das Original verbreiten. Der Lizenzgeber kann diese Freiheiten nicht widerrufen solange Sie sich an die Lizenzbedingungen halten. Details: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/