Anwendung der np junction: Wichtige Halbleiterbauelemente

Inhalt Photodiode, Solarzelle Halbleiterzähler Leuchtdiode Peltier-Effekt

Die Photodiode

Photoeffekt an der np Junction n leitend p 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

Stromfluss an der Photodiode n leitend p 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“

Stromfluss in der Solarzelle n leitend p leitend ─ + [V] [mA] 0,5 R 100 Ohmscher Widerstand

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

Technische Daten zu einem Solarmodul Fläche 1,60 m hoch, 0,80 m breit Leistung 215 W Zellenwirkungsgrad max. 18,7 % Max. Peak-Spannung 42,1 V Max. Peak-Strom 5,09 A Ausführung: „Sanyo HIT 215“ Die Investition für 1 Watt Solarleistung beträgt derzeit etwa 4,60 €

Strom-Spannungs Charakteristik

Versuch Spannung an einer „Solarzelle“ bei Beleuchtung

Halbleiterzähler Verstärker

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

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

Versuch Leuchtdiode

Halbleiter als Leuchtdiode Widerstand (~300 )

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

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

Der Peltier-Effekt

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

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

Stromfluss im Peltier Element zur Abkühlung n leitend p leitend + ─ + 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

Stromfluss im Peltier Element zur Erwärmung n leitend p leitend + ─ 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

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

Versuch Peltier Effekt

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

finis n leitend p leitend + ─