Halbleiterelektronik

Wichtiges Grundwissen für den Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule

Universität Augsburg Didaktik der Physik 1

L K N M

Energieniveaus in kristallinen Festkörpern

4p 4s 3d 3p 3s 2p 2s 1s Energetische Verteilung der 29 Elektronen eines Kupferatoms auf verschiedene Teilschalen Energetische Verteilung eines mehratomigen Systems von 3 ∙ 29 = 87 Kupferatomen

Energiebänder

Energielücken 2

Bändermodell für Nichtleiter und Metalle

Nichtleiter Metall 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

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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.

Wird Spannung angelegt, so erhält die Diffusion eine Vorzugsrichtung: => Strom fließt Je höher die Temperatur des Metalls, desto heftiger ist die thermische Eigenbewegung der Atome. Diese behindert die Diffusion in der Vorzugsrichtung: => der Widerstand steigt mit der Temperatur 4

Kaltleiter

(PTC-Widerstand) Schaltzeichen: υ R/Ω z. B.

oder

Heißleiter

( NTC-Widerstand) R/Ω υ T/°C Der Widerstand steigt (meist proportional) zur Temperatur Alle Metalle sind

Kaltleiter .

Aber:

Nicht alle Kaltleiter sind Metalle!

T/°C Sinkt der Widerstand mit zunehmender Temperatur, so sprechen wir von einem

Heißleiter

.

Heißleiter werden meist aus

Halbleitermaterialien

hergestellt.

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Anwendungsbeispiele

PTC-Widerstand als Temperaturwächter NTC-Widerstand als Brandmelder Relais υ υ υ Hupe υ Flüssigkeit, kälter als Umgebungsluft 6

Bändermodell für Halbleiter

Leitungsband Valenzband Nichtleiter Halbleiter 7

Dotierte Halbleiter

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.

Man kann solche

„Störstellen“

provozieren, indem man der Schmelze eine kleine Menge eines anderen Stoffes beimischt.

Dies nennt man

dotieren

.

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n-dotierte Halbleiter

Leitungsband (1) (2) Die je ein Leitungselektron gebenden Fremdatome nennt man

Donatoren.

E L Valenzband (3) Das Energieniveau E D der Leitungselektronen liegt dicht unter dem Leitungsband.  Sie benötigen nur ganz wenig Energie um ins Leitungsband zu springen E D Die Stromleitung in einem n-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch Elektronen.

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p-dotierte Halbleiter

Leitungsband E A E L (1) (2) Valenzband (3) Die je ein Valenzelektron aufnehmenden Fremdatome nennt man

Akzeptoren.

Das Energieniveau E A des Leitungselektronen liegt dicht über dem Valenzband.  Die „freien Plätze“ der Akzeptoren sind für Elektronen aus dem Valenzband leicht erreichbar. Die Stromleitung in einem p-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch „Löcherleitung“ 10

pn-Übergang

p-dotiert n-dotiert vor Kontakt: + + + Zwei elektrisch für sich neutrale Werkstoffe; einer p-dotiert, der andere n-dotiert + + + + + + Löcher fest gebundene Atomrümpfe freie Elektronen p n Kontakt: Diffusion von Löchern in die n-Schicht und von Elektronen in die p-Schicht „Diffusionsstrom“ + + + + + + + + + Ladungsausgleich / Rekombination nach Kontakt: Ausbildung einer „Sperrschicht“; auch „Raumladungszone (RLZ)“ genannt p + + + + + + n + + + 11

Diode

Ein Halbleiterbauelement mit kombinierter pn-Leitung wird als

Diode

bezeichnet.

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

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Silizium Germanium

Diodenkennlinie

Durchlassbereich: Bei „kleiner“ Spannung sperrt die Diode den Strom wergen 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.

Sperrbereich: Bei Umpolung vergrößert sich die Sperrschicht.

Ab einer bestimmten Sperrspannung U R 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.

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vor Kontakt: p-dotiert -

Bändermodell für eine Diode

+ n-dotiert + + Leitungsband + + + + Löcher fest gebundene Atomrümpfe + + freie Elektronen Valenzband Kontakt: nach Kontakt: + + + Rekombination + + + + + + + RLZ + + + + + + + + Link zum Java-Applet RLZ Energieschwelle = Schwellspannung ∙ e 14

Diodenschaltungen

Einweggleichrichtung:

U 1 I 1 U 1 U 2 I 2 U 2

Brückenschaltung: (Vollgleichrichtung)

U 1 U 1 I 1 I 2 U 2 U 2

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Diodenschaltungen

U 1

Einweggleichrichter mit Kondensator:

I 1 U 1 U 2 I 2 U 2 U 1

Brückenschaltung mit Kondensator:

I 1 U 1 I 2 U 2 U 2

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Diodenschaltungen

S 1 S 2 L 1 L 2 17

Leuchtdioden

Leuchten mit gleicher Lichtleistung im Vergleich

Glüh lampe Energie sparlampe Leucht diode Leistung 75 W Lebens dauer 1000 h 15 W 3 W 8000 h 50000 h Stück preis 1 € Kosten* 1000 h 50000 h 14,50 € 725 € Anode Kathode 10 € 70 € 12,70 € 70,50 € 205 € 97 € Schaltzeichen: * bei 0,18 € je kWh p n + Die in Durchlassrichtung angelegte Spannung bewirkt in der Sperrschicht Rekombinationen von Elektronen und Löchern. Dabei wird Energie in Form von Licht frei.

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Fotodioden:

Lichtabhängige Halbleiterelemente

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.

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Lichtabhängige Halbleiterelemente

Fotowiderstand (LDR): Solarzelle: Schaltzeichen: Schaltzeichen: Leifi-Physik 20

B C n p n E B C E

Transistor

+ 4,5 V 4V/0,04A 10 kΩ 21

+ 4,5 V -

Transistor als Schalter

(Lichtschranke) LDR 4V/0,04A 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.

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10 kΩ

Transistor als Schalter

Steuerstromkreis Laststromkreis Relais 4,5V 1 kΩ + LDR 230 V Dämmerungsschalter: Sinkt die Umgebungshelligkeit, wird der LDR hochohmig.

Dadurch liegt positives Potential an der Basis des Transistors und das Relais schließt den Laststromkreis.

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Transistor als Verstärker

Berührungsschalter: 110 Elektronen 1 Elektron 111 Elektronen I B = Basisstrom / Steuerstrom I C = Kollektorstrom / Arbeitsstrom 12210 Elektronen 24