Elektrizitätsleitung
in Halbleitern |
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Der Halbleiter |
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Dotierung von Halbleitern - Fremdleitung |
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Der pn-Übergang - Die Halbleiterdiode |
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Der Transistor |
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Integrierte Bausteine - Mikroelektronik |
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Im Idealzustand eines Halbleiters sind alle äusseren Elektronen (Valenzelektronen) durch eine Paarbildung gebunden. | ![]() |
Die besonderen el. Eigenschaften des Germaniums und der anderen Halbleiter beruhen auf der Tatsache, dass in ihnen durch Zufuhr von Energie in Form von Wärme (thermische Anregung) und Licht (optische Anregung) gebundene Valenzelektronen aus ihren Bindungen zwischen den Atomen herausgelöst und so Leitungselektronen und Löcher (Defektelektronen) als bewegliche Ladungsträger erzeugt werden. | ![]() |
Eigenleitung in einem Halbleiter
In einem reinen Halbleiter kommt der el. Strom durch die gerichtete Bewegung seiner Leitungselektronen (Elektronenstrom, n-Leitung) und die scheinbare, entgegengesetzt gerichtete Bewegung seiner Löcher (Löcherstrom, p-Leitung) zustande. Diese Art der Elektrizitätsleitung in einem Halbleiter nennt man Eigenleitung. |
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a) | Kaltleiter - PTC-Widerstand (positive temperatur coefficient) | |
Ihr Widerstand sinkt mit abnehmender Temperatur. Sie dienen als Sensoren in Maschinen zum Schutz vor Überhitzung. | ![]() |
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b) | Heißleiter - NTC-Widerstand (negative temperatur coefficient) | |
Ihr Widerstand sinkt mit zunehmender Temperatur. Sie dienen zur Messung der Temperatur in elektronischen Thermometern, zur Regelung der Temperatur in Geräten oder als Brandmelder. | ![]() |
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c) | Fotowiderstände - LDR-Widerstand (light dependent resistor) | |
Ihr Widerstandswert sinkt mit zunehmender Lichtstärke. Sie dienen als Belichtungsmesser in Fotoapparaten. | ![]() |
n-Halbleiter:
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p-Halbleiter:
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3.1 Die Halbleiterdiode als Schaltelement
Eine Halbleiterdiode, ein Glühlämpchen und ein Strommessgerät werden zunächst wie in Abb. a) und dann wie in Abb. b) geschaltet.
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Liegt die n-dotierte Seite am Pluspol, so wandern Elektronen und Löcher wegen des el. Feldes jeweils nach aussen. Die Übergangszone verbreitet sich, es fließt nur ein geringer Strom. Liegt die n-dotierte Seite am Minuspol, so wandern die Majoritätsträger in die Übergangszone. Der pn-Übergang wird dadurch leitend.
Der pn-Übergang hat Ventilwirkung. Er sperrt den Stromdurchgang, wenn der Minuspol der Spannungsquelle am p-Leiter liegt, er ist leitend (stromdurchlässig), wenn der Pluspol am p-Leiter liegt. |
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3.2 Kennlinie einer Halbleiterdiode
Versuch:
Wir untersuchen die Abhängigkeit des Diodenstroms von der angelegten Spannung. |
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Kennlinie der Diode:
Die Stromstärke steigt ab einer bestimmten Spannung U, der Schleusenspannung steil an. Bei einer Umpolung ist die Stromstärke verschwindend klein (Sperrbereich). |
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Anwendung der Halbleiterdiode:
Als Gleichrichter in Computern |
Doppelweggleichrichtung:
LED: light emitting diode
Die Solarzelle funktioniert also wie eine umgekehrte Diode, die unter dem Einfluss von Licht el. Strom abgibt, statt an eine Spannung angeschlossen zu sein und diese gleichzurichten.
In Solarzellen wird Lichtenergie in elektrische Enegie umgewandelt. Ihr Wirkungsgrad (Verhältnis zwischen der genutzten el. Energie und der einfallenden Strahlungsenergie) beträgt je nach Qualität, 11% - ca. 16%.
Versuch:
Gemessen wird der Kollektorstrom IC bei konstanter Kollektorspannung UCE in Abhängigkeit vom Basisstrom IB.
Im untersuchten Bereich ist die Änderung des Kollektorstroms zur Änderung des Basisstroms direkt proportional.
Versuch:
Schließt man den Steuerstromkreis (Basisstromkreis), so leuchtet die Lampe im Arbeitsstromkreis (Kollektorstromkreis). |
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Der Transistor wirkt beim Schließen bzw. Öffnen des Steuerstromkreises als Ein- bzw. Ausschalter für ein elektrisches Gerät im Arbeitsstromkreis. Statt eines mechanischen Schalters im Steuerstromkreis wird oft eine Fotodiode (el. Widerstand nimmt mit der Helligkeit ab) verwendet.
Transistoren finden in der Elektronik fast überall Anwendung. Durch ihre winzigen Abmessungen, ihre lautlose, wartungs- und verzögerungsfreie Arbeitsweise haben sie die Elektronik revolutioniert.
Fasst man mehrere solche Schaltungen zusammen, bei denen zahlreiche Bauelemente gleichzeitig auf einem gemeinsamen Halbleiterplättchen untergebracht sind, das nur wenige Millimeter groß ist, so bezeichnet man dieses Bauteil als integrierte Schaltung (engl. Integrated Circuit, Kurzzeichen IC). Bei ihnen wird eine komplette Baustufe (etwa ein Verstärker) ohne jede Lötstelle auf einer Trägerplatte angeordnet. Die Schaltung wird im Hochvakuum aufgedampft. Auf die Trägerplatte gelegte Masken mit Aussparungen verhindern, dass das Material an unerwünschte Stellen gelangt.
Prozessoren in Computern enthalten neben Schaltungen noch Speicherzellen und eine Ein- und Ausgabe-Einheit, alles auf kleinstem Raum verteilt.
Erstellt von Peter Hausladen, RS-Vöhringen (eMail: Peter.Hausladen@T-Online.de) |
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