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Halbleiter

4.5.2021

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Elektrischer Strom wird von verschiedenen Materialien unterschiedlich
gut oder gar nicht geleitet, man unterscheidet in Leiter und Nichtleit

Elektrischer Strom wird von verschiedenen Materialien unterschiedlich gut oder gar nicht geleitet, man unterscheidet in Leiter und Nichtleiter. Zusätzlich gibt es noch eine dritte Gruppe - die Halbleiter. Ihre elektrische Leitfähigkeit liegt bei Zimmertemperatur genau zwischen der von Metallen und Isolatoren (Nichtleiter). Leiter / Metalle: Silber, Kupfer, Aluminium Halbleiter: Germanium, Silicium, Galliumarsenid Nichtleiter/Isolatoren: Diamant, Nylon, Quarz, Glas V₁: Wir bestimmen die Strom Stärke eines a) Halbleiter bauteils und b) eines Metalls, während wir die Materialien in einem Wasserbad erwärmen. Beobachtung a) Mit steigender Temperatur steigt die Stromstärke, d.h der Widerstand sinut. Halbleiter bauteile bezitzen also einen negativen Temperatur koeffizienten, weshalb sie auch als NTC-Widerstand oder Heißleiter bezeichnet werden. Schaltzeichen b) Mit steigender Temperatur sluht die Stromstärke, dh der Widerstand steigt. Metalle besitzen also einen positiven Temperatur Koeffizienten, weshalb sie auch als PTC-Widerstand oder Kaltleiter bezeichnet werden. Schaltzeichen Vz: Wir bestimmen die Stromstärke eines Halbleiter bavelements, wobei dieses mit der Hand abgedunkelt wird, durch Tageslicht und mit einer Campe beleuchtet wird. Beobachtung: Mit zunehmender Helligkeit steigt die Stromstärke, d.n der Widerstand slnut. Ein derartiges Hallo leiter bauteil wird deshalb als Photowiderstand oder CDR (light dependent resistor) bezeichnet. Schaltzeichen: Anwendung im Alltag Heißleiter: V + Thermometer Wasch- und Geschirrspilautomaten Brandmelder Photowiderstand Dammerungsschaltungen Lichtschranken Geschwindigkeitsmessung HALBLEITER EIGENLEITUNG Beispiel: Silicium mit 4 Valenzelektronen in der äußersten Schale Ergebnis! •Durch Zufuhr von Energie (thermische Energie, Licht) werden Valenz- elektronen aus ihren Bindungen gelöst. Diese Paarbindungen bewirkt das Entstehen von Leitungselektronen und Löchern (Elektronen fehlstellung). Durch Rekombination verschwinden Elektronen und Löcher wieder, wobei...

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die Elektronen an den Löcherstellen als Valenzelelitronen. wieder in die Bindung eingebaut werden. Die Anzahl der Leitungselektronen und Löcher nimmt mit der Temperatur und der Intensität des eingestrahlten Lichtes zu, ist aber bei einer bestimmten Temperatur und Lichtintensität im Mittel Konstant. In einem Halbleiter erfolgt die Elektrizitätsleitung unter dem. Einfluss eines electrischen Feldes durch einen Elektronenstrom (n-Leitung) und einem Löcherstrom (p-Leitung). FREMDLEITUNG (Dotierung) Die Eigenleitung von Silicium lässt sich durch einen Trick" steigern: 'n-Dotierug Dotierung mit einem Element der 5. Haupt gruppe (z. B. Phosphor oder Arsen) Ein Außenelektron bleibt übrig" und steht für eine n-Leitung zur Verfügung. Phosphor wird als Dona for bezeichnet (lat. donare - Schenken) •P-Dotierung ·000 Dotieren mit einem Element der 3. Hauptgruppe (2.8. Bor, Aluminium, Gallium, Indium) 0:0: Ein Loch bleibt übrig" und steht für eine p-Leitung zur Verfügung Bor wird als Akzeptor bezeichnet (lat. accipere annehmen Unter der Dotierung versteht man den Einbau von Fremd atomen in einen reinen Halbleiter Kristall, um dessen Leitfähigkeit zu erhöhen. HALBLEITERDIODE Eine (Halbleiter-) Diode bestent im wesentlichen aus einem Kristall, in dem ein p-leitender Bereich (z.B. p-Silicium) und ein n-leitender Bereich (2.B. n-Silicium) aneinander grenzen. Man spricht deshalb von einem p-n-Übergang. Ⓒ O O O O .. O Ⓒ Wenn p-Silicium und n-Silicium einander berühren, setzt ein Diffusionsvorgang ein. Freie Elektronen aus der n-Schicht wandern durch die Grenzfläche in die p-Schicht und füllen dort die Löcher (Rekombination). Dadurch entsteht eine Schmale Zone um die Grenzfläche, in welcher keine Elektronen und Löcher mehr vorhanden sind, die Zone ist also nicht leitend. Man nennt sile Sperrschicht. Die Diode ist in Durchlassrichtung in den Stromkreis eingebaut d. ihre p-Schicht ist mit dem Pluspol und ihre n-Schicht ist mit dem Minuspol verbunden. Von der n-Schicht werden Elektronen in die Grenz. Schicht getrieben, auf derp- Seite wandern Elektronen zum Pluspol ab und es entstehen neue Löcher in der Grenz- Schicht. Die Grenzschicht wird immer Schma und ist bei einer bestimmten Schwellenspannung / Schleusenspannung verschwunden - Die Diode leitet. Schaltsymbol: KH+ 0+ to toto Die n-dotierte Seite der Sperrschicht ist jetzt positiv geladen, die p-dotierte Sperr- Schicht ist negativ. Von der n-Schicht können Somit keine Elektronen mehr in die p-Schicht springen. Die Sperrschicht wirkt wie ein hochonmiger Widerstand und ist durch eine angelegte Spannung steverbar. ® O Wenn die Diade in Sperrrichtung geschaltet ist, werden in der n-Schicht die freien Elektronen durch die angelegte Spannung von der Grenzfläche weggedrängt, in der p-Schicht rekombinieren die Elektronen mit Lochern, sodass die Löcher scheinbar zum Minuspol wandern. Die Sperrschicht wird breiter und es fließt kein Strom Schaltsymbol:+K Eine Halbleiterdiode stellt im Stromkreis einen Widerstand dar. Im folgenden Diagramm ist die Kennlinie einer Silicium- und einer Germanium diode, dh die Abhanigkeit des Dioden Stroms von der anliegenden Spannung, zu sehen. 80+ Ge 96 SchleuBenspanning: Ge: 0,3V Si: 0,6 V Anwendung: -Als Gleichrichter: Dioden konnen aufgrund ihrer Durch lassrichtung eine anliegende Wechselspannung in pulsierende Gleichspannung umwandeln Als Leucht diode (LED). Bei Anliegen einer Spannung wird Licht ausgesendet. Schaltsymbol: