Halbleiterelektronik Foto: Christian Weiss

Energieniveaus in Gasen Beugungsspektrum von Quecksilberdampf: Hochdruck Niederdruck 700 600 500 400 nm Einzelne Energieniveaus in freien Atomen (Niederdruck-Spektrum) verbreitern, wenn die Atome auf einen geringeren Raum zusammengedrückt werden (Hochdruck-Spektrum). 2

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

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

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. => Strom fließt Wird Spannung angelegt, so erhält die Diffusion eine Vorzugsrichtung: Animationen: © science Joy Wagon => der Widerstand steigt mit der Temperatur Je höher die Temperatur des Metalls, desto heftiger ist die thermische Eigenbewegung der Atome. Diese behindert die Diffusion in der Vorzugsrichtung:

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

Anwendungsbeispiele PTC-Widerstand als Temperaturwächter NTC-Widerstand als Brandmelder υ Hupe Relais υ υ Flüssigkeit, kälter als Umgebungsluft υ Lampe brennt

Bändermodell für Halbleiter Leitungsband Valenzband Nichtleiter Halbleiter

Dotierte Halbleiter Dies nennt man dotieren. 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. Bilder: Halliday, Resnick, Walker (2003): Physik. Weinheim: WILEY-VCH GmbH & Co.KGaA S. 1240 Man kann solche „Störstellen“ provozieren, indem man der Schmelze eine kleine Menge eines anderen Stoffes beimischt. Dies nennt man dotieren.

n-dotierte Halbleiter (1) EL ED Leitungsband Valenzband (3) Das Energieniveau ED der Leitungselektronen liegt dicht unter dem Leitungsband. Sie benötigen nur ganz wenig Energie um ins Leitungsband zu springen (2) Die je ein Leitungselektron gebenden Fremdatome nennt man Donatoren. Die Stromleitung in einem n-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch Elektronen.

p-dotierte Halbleiter (1) EA Leitungsband Valenzband (3) Das Energieniveau EA des Leitungselektronen liegt dicht über dem Valenzband. Die „freien Plätze“ der Akzeptoren sind für Elektronen aus dem Valenzband leicht erreichbar. EL (2) Die je ein Valenzelektron aufnehmenden Fremdatome nennt man Akzeptoren. Die Stromleitung in einem p-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch „Löcherleitung“

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

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

Diodenkennlinie Durchlassbereich: Bei „kleiner“ Spannung sperrt die I (mA) Bei „kleiner“ Spannung sperrt die Diode den Strom wegen 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. U (V) Sperrbereich: Bei Umpolung vergrößert sich die Sperrschicht. Ab einer bestimmten Sperrspannung UR 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.

Bändermodell für eine Diode vor Kontakt: - + Löcher freie Elektronen fest gebundene Atomrümpfe p-dotiert n-dotiert Leitungsband Valenzband Kontakt: + - Link zum Applet: http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/pnformation/ Rekombination RLZ + - nach Kontakt: RLZ Energieschwelle = Schwellspannung ∙ e

Diodenschaltungen Einweggleichrichtung: Brückenschaltung: I1 I2 U2 U1 (Vollgleichrichtung) I1 U2 U1 U1 I2 U2

Diodenschaltungen Einweggleichrichter mit Kondensator: Brückenschaltung mit Kondensator: I1 I2 U1 U2 U1 U2

Leuchtdioden Schaltzeichen: Anode Kathode Leuchten mit gleicher Lichtleistung im Vergleich Leistung Lebens- Stück- Kosten*   dauer preis 1000 h 50000 h Glüh- 75 W 1 € 14,50 € 725 € lampe Energie- 15 W 8000 h 10 € 12,70 € 205 € sparlampe Leucht- 3 W 70 € 70,50 € 97 € diode * bei 0,18 € je kWh Das Bild rechts: “ LEDs in verschiedenen Gehäusen“ stammt aus wikipedia und wurde unter folgender Lizenz veröffentlicht: Creative Commons Attribution ShareAlike 2.0 ; Fotograf: afrank99 restliche Fotos: lizenzfrei aus www.wikipedia.de + Die in Durchlassrichtung angelegte Spannung bewirkt in der Sperrschicht die Rekombinationen von Elektronen und Löchern. Dabei wird Energie in Form von Licht frei. p n -

Lichtabhängige Halbleiterelemente 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.

Solarzelle - + RLZ + - RLZ Solarzelle: Cornelsen, Natur und Technik, Physik 10/I, Realschule Bayern, 2007, S. 85 URL“leifi-link“: http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph10/umwelt-technik/16solarzelle/funktion.htm Fotowiderstand: Lizenzfrei aus www.wikipedia.de + - RLZ Stromfluß von Elektronen aus metallischer Trägerplatte über p-Schicht in n-Schicht, wobei die Lichtenergie die RLZ aufrecht erhält !

Transistor (npn) n p n C C n B B p E E + - 4,5 V 10 kΩ 4V/0,04A Das Bild unten:„Fluss von Elektronen und Löchern im NPN-Transistor“wurde unter den Bedingungen der „Creative Commons Namensnennung-Weitergabe unter gleichen Bedingungen“-Lizenz, in den Versionen 1.0, 2.0, 2.5 und 3.0 veröffentlicht. Urheber: KaiMartin, Cepheiden + - 4,5 V 4V/0,04A 10 kΩ

Transistor als Schalter (Lichtschranke) + - 4,5 V 4V/0,04A LDR 10 kΩ 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.

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

Transistor als Verstärker Darlington-Schaltung Darlington-Schaltung Berührungsschalter: 110 Elektronen 12210 Elektronen Berührungsschalter: http://www.elexs.de/ 1 Elektron 111 Elektronen IB = Basisstrom / Steuerstrom IC = Kollektorstrom / Arbeitsstrom 24