HalbleiterelektronikWichtiges Grundwissen für den

Lehramtsstudierenden der Haupt- und Realschule

Universität AugsburgDidaktik der Physik

1

Energieniveaus in kristallinen Festkörpern

2

Ene

rgie

Energetische Verteilung der 29 Elektronen

eines Kupferatoms aufverschiedene Teilschalen

Energiebänder

Energielücken

4p

3s

2p

2s

1s

4s

3d

3p

K

L

M

N

bohr

´sch

e Sc

hale

n

Energetische Verteilung eines mehratomigen Systemsvon 3 ∙ 29 = 87 Kupferatomen

Bändermodell für Nichtleiter und Metalle

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Das höchste besetzte Niveau befindetsich an der oberen Kante eines Bands;das nächsthöhere freie Niveau ist um eine vergleichsweise große Energielückedavon entfernt.

Nichtleiter Metall

Das höchste im Grundzustand besetzteNiveau befindet sich in der Mitte einesBands. Da innerhalb dieses Bandsweitere Niveaus unbesetzt sind, könnenElektronen in diesem Band ihre Niveausleicht wechseln und es kann ein Strom fließen.

gefüllte Niveaus = rot, leere Niveaus = grün

=> der Widerstand steigt mit der Temperatur

=> Strom fließt

Stromleitung im metallischen Leiter

Metalle mit guter Leitfähigkeit haben alle die gleichen Eigenschaftenhinsichtlich 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:

Je höher die Temperatur des Metalls, desto heftiger ist die thermischeEigenbewegung der Atome. Diese behindert die Diffusion in der Vorzugsrichtung:

4

=>

Kaltleiter (PTC-Widerstand) - Heißleiter (NTC-Widerstand)

5

T/°C

R/Ω

Alle Metalle sind .

Der Widerstand steigt(meist proportional)

zur Temperatur

Sinkt der Widerstand mit zunehmenderTemperatur, so sprechen wir von einemHeißleiter.

Heißleiter werden meist ausHalbleitermaterialien hergestellt.

υυ

Schaltzeichen:

Aber: Nicht alle Kaltleiter sind Metalle!

Kaltleiter

z. B.oder

T/°C

R/Ω

Anwendungsbeispiele

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NTC-Widerstand als BrandmelderPTC-Widerstand als Temperaturwächter

υ

υ

υ

Flüssigkeit, kälterals Umgebungsluft

υ

Relais

Hupe

Bändermodell für Halbleiter

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Leitungsband

Valenzband

Nichtleiter Halbleiter

Dotierte Halbleiter

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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 undStrukturänderungen im Kristall.

Man kann solche „Störstellen“ provozieren, indem man der Schmelze eine kleine Mengeeines anderen Stoffes beimischt.

Dies nennt man dotieren.

n-dotierte Halbleiter

9

(1) (2)

Die je ein Leitungselektrongebenden Fremdatome nennt man Donatoren.

EL ED

Leitungsband

Valenzband (3)

Das Energieniveau ED derLeitungselektronen liegtdicht unter dem Leitungsband. Þ Sie benötigen nur ganz wenig Energie um ins Leitungsband zu springen

Die Stromleitung in einem n-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch Elektronen.

p-dotierte Halbleiter

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(1)

EL

(2)

Die je ein Valenzelektronaufnehmenden Fremdatome nennt man Akzeptoren.

EA

Leitungsband

Valenzband (3)

Das Energieniveau EA desLeitungselektronen liegtdicht über dem Valenzband. Þ Die „freien Plätze“ der Akzeptoren sind für Elektronen aus dem Valenzband leicht erreichbar.

Die Stromleitung in einem p-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch „Löcherleitung“

pn-Übergang

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- - -

- - -

- - -

+ + +

+ + +

+ + +Löcher

freie Elektronenfest gebundene Atomrümpfe

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

p-dotiert n-dotiert

p n

Ladungsausgleich / Rekombination

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

vor Kontakt:

Kontakt:

nach Kontakt:

Diffusion von Löchern in die n-Schicht undvon Elektronen in die p-Schicht

Zwei elektrisch für sich neutrale Werkstoffe;einer p-dotiert, der andere n-dotiert

„Diffusionsstrom“

Ausbildung einer „Sperrschicht“; auch „Raumladungszone (RLZ)“ genannt

p n

Diode

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+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

+ -

+-

p n

p n

Durchlassrichtung der Diode

Sperrrichtung der Diode

Ein Halbleiterbauelement mit kombinierter pn-Leitung wird als Diode bezeichnet.

Ein pn-Übergang wirkt als Gleichrichter, er lässt den Strom nur in eine Richtung fließen.

Löcherfreie Elektronen

Schaltzeichen:

Anode Kathode

p-Gebiet n-Gebiet

Elektronenstrom:

techn. Stromrichtung:

freie Elektronen

Löcher

Diodenkennlinie

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Spe

rrbe

reic

h

Dur

chla

ssbe

reic

hSiliziumGermanium

Durchlassbereich:

Bei „kleiner“ Spannung sperrt dieDiode 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 Sperrschichtzu überwinden.

Sperrbereich: Bei Umpolung vergrößert sich die Sperrschicht.

Ab einer bestimmten Sperrspannung UR 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.

Bändermodell für eine Diode

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- - -

- - -

- - -

+ + +

+ + +

+ + +Löcher

freie Elektronenfest gebundene Atomrümpfe

p-dotiert n-dotiert

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

Rekombination

vor Kontakt:

Kontakt:

Leitungsband

Valenzband

+ + +

+ + +

+ + +

- - -

- - -

- - -

nach Kontakt:

RLZ

RLZ

Energieschwelle =Schwellspannung ∙ e

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Diodenschaltungen

U1 U2

I1 I2

Einweggleichrichtung:

I1

I2 U1

U2

Brückenschaltung:

U1

U1

U2

U2

(Vollgleichrichtung)

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Diodenschaltungen

U1 U2

I1 I2

Einweggleichrichter mit Kondensator:

I1

I2 U1

U2

Brückenschaltung mit Kondensator:

U1

U1

U2

U2

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Diodenschaltungen

S1

L2L1

S2

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p

Leuchtdioden

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Schaltzeichen:

Anode Kathode

n

+

-

Die in Durchlassrichtung angelegte Spannung bewirkt in der Sperrschicht Rekombinationen von Elektronen undLöchern. Dabei wird Energie in Form von Licht frei.

Leuchten mit gleicher Lichtleistung im Vergleich

Leistung Lebens- Stück- Kosten* dauer preis 1000 h 50000 h

Glüh- 75 W 1000 h 1 € 14,50 € 725 €lampe

Energie- 15 W 8000 h 10 € 12,70 € 205 €sparlampe Leucht- 3 W 50000 h 70 € 70,50 € 97 €diode

* bei 0,18 € je kWh

Lichtabhängige Halbleiterelemente

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Fotodioden: 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 einenTageslicht-Sperrfilter; sie sind z. B. in dunkel eingefärbtem Kunstharz vergossen.

Lichtabhängige Halbleiterelemente

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Fotowiderstand (LDR): Solarzelle:

Schaltzeichen: Schaltzeichen:

Leifi-Physik

Transistor

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p

n

n

C

B

E

C

B

E

10 kΩ+

-4,5 V

4V/0,04A

Transistor als Schalter

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10 kΩ

+

-4,5 V

4V/0,04A

LDR

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.

(Lichtschranke)

Transistor als Schalter

4,5V

10 kΩ

1 kΩ

LDR

Relais

230 V

Dämmerungsschalter: Sinkt die Umgebungshelligkeit, wird der LDR hochohmig.Dadurch liegt positives Potential an der Basis des Transistorsund das Relais schließt den Laststromkreis.

Steuerstromkreis Laststromkreis

-+

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Darlington-Schaltung

Transistor als Verstärker

IC = Kollektorstrom / Arbeitsstrom

IB = Basisstrom / Steuerstrom

12210 Elektronen

110 Elektronen

111 Elektronen

1 Elektron

Darlington-Schaltung

Berührungsschalter:

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