Thema: Halbleiter


Wiederholungen

Um das Thema "Halbleiter" zu verstehen, ist es nötig, dass elektrische Größen und Schaltungen bereits verstanden worden sind. Deshalb sollten die folgenden Aufgaben mit etwas Erinnerungsvermögen an die achte Klasse lösbar sein und auf das neue Thema vorbereiten.

Aufgaben

Aufgabe 1

Beschreibe, was man jeweils unter den folgenden elektrischen Größen versteht, und nenne jeweils das Formelsymbol (Buchstabe) und die Einheit.

a) Stromstärke
b) Spannung
c) Widerstand


Aufgabe 2

Warum leiten manche Stoffe elektrischen Strom (z.B. Eisen oder Kupfer) und andere nicht (z.B. Glas oder Gummi)? Und wie bezeichnet man Stoffe die leiten? Wie bezeichnet man Stoffe die nicht leiten?


Aufgabe 3

Anders als viele glauben, bewegen sich Elektronen in elektrischen Leitern sehr langsam. Ein Elektron benötigt ca. 10 Stunden, um sich in einem Kabel einen Meter weit zu bewegen. Eine Lampe leuchtet aber quasi sofort, wenn man den Lichtschalter drückt. Woran liegt das?


Aufgabe 4

Die entscheidensten Formeln sind hier U = RI und P = UI (Uri und Pui).

a) Berechne die Spannung, die an einem Bauteil mit einem Widerstand von 10 Ohm anliegt, durch das ein Strom von 300 mA fließt.
b) Berechne den Widerstand eines Bauteils, durch das ein Strom von 160 mA fließt, wenn eine Spannung von 8 V anliegt.
c) Berechne die Leistung des Bauteils aus b).


Aufgabe 5

Im linken Schaltbild ist eine Reihenschaltung und im rechten Schaltbild eine Parallelschaltung dargestellt.

a) Gib eine möglichst anschauliche Begründung für die folgenden Formeln an.
- In einer Reihenschaltung gilt: IQuelle = ILampe 1 = ILampe 2
- In einer Parallelschaltung gilt: IQuelle = ILampe 1 + ILampe 2
b) Begründe damit, warum Stromstärken in Reihe und Spannungen parallel gemessen werden.


Aufgabe 6

Gib an, wie groß die Stormstärke I3 in folgendem Schaltbild sein muss.


Aufgabe 7

Der Widerstand einer Glühlampe soll in Abhängigkeit von der anliegenden Spannung ermittelt werden.

a) Baue eine Schaltung auf, bei der die Stromstärke durch eine Glühlampe gemessen werden kann.
b) Übertrage folgende Tabelle in dein Heft, stelle die jeweilige Spannung ein und notiere dann die gemessene Stromstärke dazu.

U in V 0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0
I in A
R in Ohm

c) Berechne jeweils den Widerstand und notiere ihn in der Tabelle.
d) Zeichne die U-I-Kennlinie in ein Diagramm.
e) Zeichne die U-R-Kennlinie in ein (anderes) Diagramm.

Multimeter verwenden

- Stromstärke wird in Reihe und Spannung parallel gemessen.
- Der Ausgang ist immer COM.
- Der Eingang muss entsprechend der zu messenden Größe gewählt werden (V, mA, A, ...).
- Dann wird am Rad die zu messende Größe eingestellt.
(Bei Stromstärke meistens mA und bei Spannung meistens V ⎓)


Halbleiter

Leiter besitzen freie Elektronen, die als Ladungen im Stromkreis fließen können.
Isolatoren besitzen keine freien Elektronen.
In Halbleitern können durch Energiezugabe Valenzelektronen herausgelöst werden, die dann fließen können.

Fotowiderstand LDR (Light depending resistor): Herauslösen von Elektronen durch Licht (z.B. in einer Digitalkamera).

Heißleiter NTC (Negative temperature coefficient): Herauslösen von Elektronen durch Wärme (z.B. in einem digitalen Termometer).


Bändermodell eines Halbleiters

-> Halbleiter sind Isolatoren, die durch Energiezufuhr zu Leitern werden. Valenzelektronen gelangen dabei aus ihren Bindungen und steigen ins Leitungsband auf. Das heißt, sie sind dann frei und können als Strom fließen.


n- und p-Dotierung

Ausschnitt des Periodensystems



n-Dotierung (negative Punkte)



p-Dotierung (positive Punkte)

Aufgaben zur Dotierung

a) Was versteht man unter der Dotierung eines Halbleiters? Beschreibe.

b) Welche Dotierung liegt vor, wenn Silizium mit fünfwertigem Arsen dotiert wird? Skizziere auch eine Teilchen-Darstellung eines solchen Halbleiters.

c) Welche Dotierung liegt vor, wenn Silizium mit dreiwertigem Indium dotiert wird? Skizziere auch eine Teilchen-Darstellung eines solchen Halbleiters.

d) Mit welchen Elementen kann ein Germanium-Halbleiter n- und mit welchen p-dotiert werden? (Hinweis: Die Periode (Zeile) sollte maximal um 1 abweichen.)

e) Erläutere, warum bei gleicher Temperatur der elektrische Widerstand dotierter Halbleiter deutlich kleiner ist, als der reiner Halbleiter.

Lösungen

a) Man versteht darunter das Einbringen von anderen Atomen in einen Halbleiter-Kristall.
Es gibt die n-Dotierung, bei der es nach dem Ersetzen eines anderen Atoms ein nicht fest-gebundenes Elektron gibt, wodurch es leichter ins Leitungsband gelangt. Was zu einem sinkenden Widerstand führt.
Bei der p-Dotierung befinden sich nach dem Ersetzen eines anderen Atoms positive Löcher, über welche Elektronen fließen können, wodurch auch der Widerstand sinkt.

b) Da es ein Valenzelektron mehr besitzt, ist es n-dotiert. (Darstellung siehe oben)

c) Da es ein Valenzelektron weniger besitzt, ist es p-dotiert. (Darstellung siehe oben)

d) n-Dotierung mit einem Valenzelektron mehr: P, As, Sb
p-Dotierung mit einem Valenzelektron weniger: Al, Ga, In

e) Bei einer n-Dotierung ist das fünfte Elektron (z.B. bei Phosphor) nicht so fest gebunden und kann somit leichter ins Leitungsband gelangen und der Widerstand sinkt.
Bei einer p-Dotierung sind im Valenzband positive Löcher, über die die Elektronen fließen können und der Widerstand sinkt.
Wenn ein Halbleiter keine Dotierung hat, entstehen auch die genannten Möglichkeiten nicht und der Widerstand bleibt gleich hoch.


Leuchtdioden

Alle Dioden benötigen eine gewisse Energie (Eintrittsspannung), um die Sperrzone im pn-Übergang zu schließen und dann Strom leiten zu können. Dies kann nur in Durchlassrichtung gelingen. Bei der darauffolgenden Rekombination von Elektronen und Löchern wird die freiwerdende Energie in Licht umgewandelt. Die Farbe des Lichts hängt von der Menge dieser Energie ab.



Aufgaben

Aufgabe 1: Eine Leuchtdiode sendet nur bei Betrieb in Durchlassrichtung Licht aus. Begründe.

Aufgabe 2: Beschreibe, was eine Diode mit einem Fahrradventil gemeinsam hat.

Aufgabe 3: Welche Lampe (L1, L2) leuchtet jeweils bei den Schalterpositionen A, B und C?

Aufgabe 4: Erkläre, dass ab einer bestimmten Spannung an einer Leuchtdiode die Stromstärke plötzlich steigt.

Lösungen

Lösung zu 1: Weil eine Rekombination von Elektronen und Löchern stattfindet. Wenn die Leuchtdiode in Sperrrichtung wäre, würde die Sperrzone größer werden. Somit wäre eine Rekombination nicht möglich. (Rekombination = Licht aussenden beim Zusammentreffen)

Lösung zu 2: Eine Diode lässt Strom nur in eine Richtung fließen (Durchlassrichtung). Das Fahrradventil hat auch eine Durchlassrichtung und lässt Luft nur in einer Richtung fließen.

Lösung zu 3: A: keine, B: L2, C: L2

Lösung zu 4: Die Sperrzone verringert sich so weit, bis eine Rekombination von Plus und Minus stattfindet. Dies geschieht, wenn von außen genug Spannung anliegt. Ab dann beginnt ein Strom zu fließen.