Grundlagen der Elektronik

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1 Grundlagen der Elektronik Wiederholung: Elektrische Größen Die elektrische Stromstärke I in A gibt an,... wie viele Elektronen sich pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters bewegen. Die elektrische Spannung U in V gibt an,... wie stark die Elektronen bei ihrer gerichteten Bewegung vom Minuspol zum Pluspol angetrieben werden. Der ohmsche Widerstand R in Ω gibt an,... wie stark die Elektronen durch das Leitermaterial an der Bewegung gehindert werden. Modell: Wassermodell, Kugelmodell

2 Wiederholung: Leitungsvorgang in Metallen In Klasse 8 haben wir uns mit dem Leitungsvorgang in Metallen beschäftigt und die experimentellen Ergebnisse mit einem einfachen Modell in Einklang gebracht. 1. In Metallen sind die Außenelektronen der Atome nur sehr schwach an das Atom gebunden, so dass sie sich frei durch das Metallgitter bewegen können. (Schalenmodell, elektrostatische Anziehung) Diese frei beweglichen Elektronen sind für die elektrische Leitfähigkeit, die gute Wärmeleitung und den metallischen Glanz verantwortlich. Die freie Bewegung der Elektronen ist mit der von Gasen oder Flüssigkeiten modellhaft vergleichbar.

3 2. Wird an das Metall eine elektrische Spannung angelegt, so bewegen sich die frei beweglichen negativ geladenen Elektronen im Metallgitter vom Minus zum Pluspol der Spannungsquelle. Es fließt ein elektrischer Strom. Die Elektronen bewegen sich jedoch nicht ungehindert, denn sie müssen einen gewissen Widerstand überwinden. Für metallische Leiter gilt das Ohmsche Gesetz. I U, für T =konstant Der ohmsche Widerstand eines metallischen Leiters ist abhängig vom Material, der Länge und der stromdurchflossenen Querschnittfläche des Leiters. Daraus ergibt sich die Definition des ohmschen Widerstandes R (resist). R= U I mit 1 V A =1 Widerstandsgesetz R=ϱ l A ϱ spezifischer elektrischer Widerstand temperaturabhängige Stoffkonstante

4 3. Mit steigender Temperatur eines metallischen Leiters steigt auch sein ohmscher Widerstand an, da die frei beweglichen Elektronen durch die heftigere Bewegung der Atomrümpfe immer stärker an ihrer gerichteten Bewegung vom Minus zum Pluspol gehindert werden.

5 Damit haben wir ein einfaches aber doch recht gutes Modell des elektrischen Leitungsvorganges für einen Großteil der chemischen Elemente, denn diese sind überwiegend Metalle. Auch für die meisten Metalllegierungen kann dieses Modell sehr genaue Vorhersagen treffen. Die Frage ist nun, ob und in wie weit dieses Modell auch auf andere, nichtmetallische Stoffe (Nichtmetalle, Halbmetalle, chemische Verbindungen etc.) übertragbar ist, oder ob es Stoffe mit vollkommen anderen elektrischen Eigenschaften gibt.

6 Demoexperiment: Leitung in Gasen, Bleistiftmine, Thermistor Ergebnis: Luft, Kohlenstoff und der Thermistor (Halbmetall) zeigen ein ganz anderes Verhalten als Metalle. Die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur stark zu und nicht ab. Halbmetalle sind chemische Elemente, die in ihren elektrischen Eigenschaften zwischen den Metallen und Nichtmetallen liegen. Halbmetalle wie Bor, Germanium, Silizium, Arsen und Selen können Leitungseigenschaften wie Metalle, aber auch wie Nichtmetalle besitzen. Sie werden deshalb auch als Halbleiter bezeichnet. Karl Ferdinand Braun ( , deutscher Physiker und Nobelpreisträger, Erfinder der Bildröhre) entdeckte 1874 erstmals die Richtungsabhängigkeit des ohmschen Widerstandes in Halbleitern. Die Entdeckung dieses Effekts war die Geburtsstunde der modernen Halbleiterelektronik, wie wir sie heute nutzen.

7 Heute gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Halbleiterbauelemente, die in der Elektronik eingesetzt werden. Beispiele: Halbleiterdiode, Leuchtdiode, Transistor, Integrierte Schaltkreise, Computerprozessoren. Silizium ist heute der am häufigsten eingesetzte Halbleiter. In der Festkörperphysik ist man ständig auf der Suche nach neuen Halbleitermaterialien mit interessanten elektrischen Eigenschaften. So setzt man zunehmend auch verschiedene Verbindungen von Halbmetallen ein, wie z.b. Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumgalliumnitrid (InGaN) in Leuchtdioden, die bei Stromfluss farbiges Licht aussenden. Dioden Transistoren LED IC

8

9 In den folgenden Stunden werden wir uns mit den Leitungsvorgängen in Halbleitern beschäftigen und deren Besonderheiten untersuchen. Dabei werden wir von dem bereits gewonnenen Wissen aus Klasse 7 und 8 ausgehen.

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