Didaktische FWU-DVD. Elektrizitätslehre Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren

Transkript

1 Didaktische FWU-DVD Elektrizitätslehre Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren

2 Zur Bedienung Mit den Pfeiltasten der Fernbedienung (DVD-Player) oder der Maus (Computer) können Sie Menüpunkte und Buttons ansteuern und mit der OK-Taste bzw. Mausklick starten. Um das Arbeitsmaterial zu sichten / auszudrucken, legen Sie die DVD in das Laufwerk Ihres Computers ein und öffnen den Ordner material. Die Datei Inhaltsverzeichnis öffnet die Startseite. Bezug zu Lehrplänen und Bildungsstandards Die Schülerinnen und Schüler kennen Halbleiter, ihre Eigenschaften und ihre Position im PSE; kennen den mikroskopischen Aufbau von Leiter, Halbleiter und Nichtleiter; kennen die Leitungsvorgänge im Halbleiter; kennen p- und n-dotierung; können einfache Schaltungen mit Dioden / Transistoren aufzeichnen und erklären; kennen den prinzipiellen Aufbau von MOSFETs; erkennen die Eigenschaften von Halbleitern auf der Basis der mikroskopischen Struktur der Materialien; erkennen die Leitungsvorgänge im Halbleiter und erkennen, dass es im Gegensatz zum metallischen Leiter grundsätzlich zwei Ladungsträgerarten (Elektronen und Löcher) gibt; erkennen den Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und Temperatur; erkennen den Einfluss der Steilheit der Kennlinie auf die Anwendungsgebiete der Transistoren; kennen die bei der Beschreibung des Aufbaus von Halbleitern wichtigen Fachbegriffe; können die Leitungsvorgänge bei Halbleitern mit und ohne Dotierung beschreiben; können einfache Kennlinien interpretieren und damit die Wirkungsweise eines Bauteils (Diode, Transistor) erklären; können die Arbeitsweise eines MOS- FETs erklären; können einfache Kennlinien interpretieren und damit zwischen der Verwendbarkeit eines Transistors als Schalter oder Verstärker unterscheiden; können ausgehend vom mikroskopischen Bild auf Anwendungsmöglichkeiten einer Substanz schließen. 2

3 Zum Inhalt Film Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren (26 min) In der Einführung werden die vielfältigen technischen Anwendungen der Mikroelektronik vorgestellt. Die Schülerinnen und Schüler sind mit den meisten der gezeigten Geräte und deren Bedienung vertraut, aber nicht mit der Arbeitsweise der Geräte selber, die im Folgenden erschlossen wird. Nachdem zunächst der Begriff des Halbleiters eingeführt ist, wird er nun gegenüber Leitern und Nichtleitern abgegrenzt. Anschließend erfolgt zum Verständnis der unterschiedlichen Leitfähigkeiten eine Beschreibung von Atomen und Kristallen im mikroskopischen Bild. Daraus lässt sich die Leitfähigkeit eines Siliziumkristalls erarbeiten. Erste Fachbegriffe (Loch, Paarbildung, Rekombination, Eigenleitung) werden eingeführt. Das Dotieren ergibt sich intuitiv aus der vorhergehenden Betrachtung. Die Diode als Kombination zweier verschieden dotierter Halbleiterschichten kann in dem bislang verwendeten Bild leicht auf ihr Verhalten untersucht werden, die Vorgänge werden 3

4 anschaulich dargestellt. Ergänzend wird die Kennlinie als Möglichkeit der technischen Charakterisierung eines Bauteils eingeführt und parallel zum mikroskopischen Bild erarbeitet. Es folgt eine Vorstellung der Diode und deren Verwendung in Schaltungen. Die Einführung des Transistors als Kombination aus zwei Dioden erlaubt einen einfachen Zugang auf der Basis des bisher Erlernten. Die Anwendung als Verstärker ermöglicht eine vertiefende Auseinandersetzung mit der Transistorkennlinie und die Anwendung als Schalter bahnt den Weg zur Verwendung in integrierten Schaltkreisen. Dabei wird die Notwendigkeit der Miniaturisierung schnell klar und der MOSFET als kleineres Bauteil mit dem Potenzial der Massenanordnung auf kleinstem Raum rundet diesen Einblick ab. Sequenzen Halbleiter im Alltag (0:50 min) Hier sieht man eine Vielfalt an modernen technischen Geräten, die als Gemeinsamkeit die Halbleitertechnologie haben. Viele gehören zur modernen Unterhaltungselektronik. Bilder von Laboren und Rein räumen, in denen die Fertigung auf modernstem Stand erfolgt, runden das Bild ab und wecken Interessen am Thema. Leitfähigkeit (1:00 min) Der Halbleiter wird hier in seinen Eigenschaften präzisiert. Es erfolgt die Betrachtung der Leitfähigkeit im Vergleich zu Leitern und Isolatoren, deren Verwendungsmöglichkeiten bereits aus einfachen Stromkreisen bekannt sind. 4

5 Leitungsvorgänge (5:00 min) Hier wird die besondere Eigenschaft der Halbleiter im mikroskopischen Bild besonders herausgearbeitet. Ausgehend vom Aufbau eines Atoms mit seiner Elektronenhülle und der unterschiedlich festen Bindung der Valenzelektronen erfolgt eine Beschreibung verschiedener Atome bei der chemischen Bindung, aber auch in Kristallen, also im Festkörpergitter. Hier sind die gute Leitfähigkeit der Metalle und die gute Isolationsfähigkeit von Ionenkristallen gut zu erkennen. Der Schritt zum Siliziumkristall ist leicht nachzuvollziehen. Hier wird auch die Position der Elementhalbleiter im PSE im Vergleich zu metallischen Leitern und nichtmetallischen Nichtleitern gezeigt. (Anmerkung: Auf Verbindungshalbleiter und halbleitende Polymere wird in dieser Produktion nicht eingegangen. Hier steht das prinzipielle Verständnis im Vordergrund, das sich am Elementhalbleiter am besten visualisieren lässt.) Die ungeordnete Teilchenbewegung und deren Zunahme mit steigender Temperatur führen zwangsläufig zur Paarbildung und der Eigenleitung des Siliziumkristalls. Die Vorgänge werden deutlich herausgearbeitet, auch die Tatsache, dass bei der Rekombination von Elektronen und Löchern Energie frei wird. Dieser Sachverhalt führt zu Notwendigkeit der Kühlung von Halbleiterbauteilen. Dotieren (2:40 min) Ist die Leitung mit Löchern und Elektronen bekannt, lässt sich sehr leicht die Frage anschließen, wie man denn die 5

6 Leitfähigkeit durch gezieltes zusätzliches Einbringen von Störstellen in Form von Löchern oder Elektronen beeinflussen kann. Das Prinzip der Methode wird beschrieben und im mikroskopischen Bild lässt sich auch dieser wichtige Schritt zur industriellen Nutzung der Halbleitertechnologie gut nachvollziehen. Die Fachbegriffe werden eingeführt und bilden die Basis für die anschließende Betrachtung einfacher Bauteile. Dioden (8:20 min) In vorigen Abschnitt wird das Potenzial der Dotierung erwähnt, das ein Maßschneidern von Halbleitermaterialien für bestimmte Zwecke ermöglicht. Die einfache Hintereinander-Anbringung von zwei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten führt zur Diode. Das Verhalten im spannungslosen Fall als auch beim Anlegen von Gleichspannungen unterschiedlicher Polung wird untersucht und führt zum einen zur Einführung der Kennlinie als Möglichkeit der Charakterisierung der technischen Daten eines Halbleiterbauteils und zum anderen zum Verständnis der Einsatzmöglichkeit als Gleichrichter. LEDs werden im Film zusammen mit Fotodioden und Solarzellen als besondere Ausformungen der Dioden vorgestellt. Die breite Palette an unterschiedlichen Versionen dieser einfachsten Kombination zweier unterschiedlich dotierter Halbleiterschichten, die zu LEDs verschiedenster Farben und gleichzeitig zu Solarzellen führt, vermittelt in eindrucksvoller Weise eine Übersicht von dem enormen Potenzial der Halbleitertechnologie. Transistoren (4:20 min) Aufbauend auf der Funktionsweise der Diode wird der Transistor als Hintereinanderschaltung zweier Dioden eingeführt. Am Beispiel eines npn-transistors wird erarbeitet, wie die Spannung im Basisstromkreis die Stromstärke aus der Emitter-Kollektor-Strecke beeinflusst. Dieser Zusammenhang wird in einer Transistorkennlinie festgehalten. Daraus resultieren die Verwendungsmöglichkeiten als Verstärker oder Schalter in Abhängigkeit von der Form der Kennlinie. Transistoren als Schalter sind der Schlüssel zum grundlegenden Aufbau aller Computer. MOSFETs (3:10 min) Heutige Speicherbausteine sind winzig und bestehen aus sehr vielen kleinsten Transistoren als Schaltern. Sie können so klein nicht als normale npn-transistoren hergestellt werden, wie sie in der vorigen Sequenz beschrieben wurden. 6

7 Das Kernstück der modernen Technologie ist unter anderem der MOSFET. Nachdem die Begriffe der Dotierung und der Leitung in Halbleitern durch mehrere Praxisbeispiele gefestigt sind, lässt sich auch ein MOSFET leicht verstehen. Die Sequenz endet mit einer Darstellung verschiedenster Anwendungen von Halbleitern. Transistor In dieser Grafik wird der Aufbau eines Transistors schematisch gezeigt. Zusätzlich kann man sich die Beschriftungen und Ladungen anzeigen lassen. So kann die Funktionsweise eines Transistors erarbeitet werden. Grafiken n-dotierung Fügt man ein 5-wertiges Atom in ein Siliziumgitter ein, spricht man von n- Dotierung. n steht für negativ. Hier wird eine solche n-dotierung grafisch gezeigt. Man sieht den Überschuss an Elektronen. p-dotierung Fügt man ein 3-wertiges Atom in ein Siliziumgitter ein, spricht man von p- Dotierung. p steht für positiv. Hier wird eine solche p-dotierung grafisch gezeigt. Man sieht den Mangel an Elektronen und die Entstehung eines positiven Lochs. MOSFET In dieser Grafik wird der Aufbau eines MOSFETs schematisch gezeigt. Zusätzlich kann man sich die Beschriftungen und Ladungen anzeigen lassen. So kann die Funktionsweise eines MOSFETs erarbeitet werden. Diode Mit dieser Grafik lassen sich der Aufbau einer Diode und ihre Funktionsweise erarbeiten. 7

8 Didaktische Hinweise Wir sind ständig von Produkten aus dem Sektor der Mikroelektronik umgeben. Sie zu verwenden ist einfach und bedarf nicht unbedingt der Kenntnisse über ihren Aufbau. Eine Betrachtung im Rahmen der Physik soll die Grundkenntnisse vermitteln, die helfen, die Grenzen und Möglichkeiten der Halbleiterbauteile besser einschätzen zu können. Der Begriff Mikroelektronik deutet dabei schon auf die wesentliche Schwierigkeit bei der Behandlung des Themas hin. Die Prozesse spielen sich auf mikroskopisch kleiner Ebene ab und sogar die Bauteile selbst sind oft nur unter dem Mikroskop zu sehen. Aus diesem Grund bieten sich die Animationen dieses Lehrfilms an, um die Vorgänge klar und ansprechend zu vermitteln. Der Film kann so den Unterricht mit Anschauungsmodellen einprägsam ergänzen und auch den theoretischen Hintergrund zu praktischen Übungen bilden, in denen die Bauteile Diode und Transistor in einfachen Schaltungen verwendet werden. Ein erster Einstieg in die Halbleiterphysik findet sich gegen Ende der Sekundarstufe I in den meisten Lehrplänen. So ist sichergestellt, dass alle Schülerinnen und Schüler zumindest über ein Basiswissen zu diesem im Alltag allgegenwärtigen Thema verfügen und einen Einblick in die Funktionsweise von Halbleiterbauelementen erhalten. Die tiefere theoretische Betrachtung findet sich nur noch vereinzelt in den Lehrplänen der Sekundarstufe II in manchen Bundesländern. Zum Basiswissen gehören die Abgrenzung der Halbleitereigenschaften von Leitern und Isolatoren sowie die Methode des Dotierens, wodurch die meisten technischen Anwendungen erst möglich werden. Ausgehend von der Wirkungsweise dieser Dotierung werden einfache Bauteile, in der Regel Diode und Transistor genauer betrachtet. Allein diese Bauteile bieten schon eine Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten. Die Betrachtung von MOSFETs mit der Möglichkeit, sie sehr klein zu fertigen, zeigt das Potenzial der Anwendungen im Computerbereich auf. 8

9 Arbeitsmaterial Als Arbeitsmaterial steht Ihnen ein umfangreiches Angebot an ergänzenden Materialien zur Verfügung (siehe Tabelle). Die Arbeitsblätter liegen sowohl als PDFals auch als Word-Dateien vor: Die PDF-Dateien können direkt am Computer ausgefüllt oder ausgedruckt werden. Die Word-Dateien können bearbeitet und so individuell an die Unterrichtssituation angepasst werden. Ordner Didaktische Hinweise Arbeitsblätter (mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen; z. T. differenziert) Infotexte Grafiken Filmkommentar Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben Materialien Hinweise zum Einsatz der Kurzfilme, der Grafiken und der ergänzenden Arbeitsmaterialien 1) Die Diode 2) Rund um den Transistor 3) Brückengleichrichter 4) Wissensquiz 5) Halbleiter-Rätsel 6.1) Das Bändermodell (für Einsteiger) 6.2) Das Bändermodell (für Könner) 6.3) Das Bändermodell (für Experten) 7) Bändermodell: Die Diode Schaltzeichen und Symbole Der Leitungsvorgang im Bändermodell Dotierung im Bändermodell pn-übergang im Bändermodell n-dotierung p-dotierung Diode Transistor MOSFET Filmkommentar als PDF-Dokument Übersicht über den Aufbau der DVD Informationen zu ergänzenden FWU-Medien Produktionsangaben zur DVD und zum Film 9

10 Elektrizitätslehre: Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren Programmstruktur Elektrizitätslehre Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren Programmstruktur Untermenü Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren Hauptmenü Elektrizitätslehre Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren Halbleiter im Alltag Leitfähigkeit Leitungsvorgänge Dotieren 0:50 min 1:00 min 5:00 min 2:40 min Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren 26 min Sequenzen Dioden Transistoren MOSFETs 8:20 min 4:20 min 3:10 min n-dotierung Grafik p-dotierung Diode Transistor MOSFET Arbeitsmaterial Grafik Grafik Grafik Grafik Arbeitsmaterial Didaktische Hinweise 7 Arbeitsblätter (z.t. mit verschiedenen Niveaus; mit Lösungen) 4 Infotexte 5 Grafiken Filmkommentar Programmstruktur Weitere Medien Produktionsangaben 10

11 Produktionsangaben Elektrizitätslehre: Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren (DVD) Produktion FWU Institut für Film und Bild, 2014 DVD-Authoring und Design TV Werk München im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2014 DVD-Konzept Dr. Maike Schuchmann Coverbild istock Kazakov Stock-Footage pond5.com 123rf.com Sound Sven Lütgen Marko Bachmann Sprecher Pascal Finkenauer Redaktion Dr. Maike Schuchmann Fachberatung Dr. Sylvia Becker Arbeitsmaterial Dr. Sylvia Becker Dr. Maike Schuchmann Pädagogische Referenten im FWU Dr. Maike Schuchmann Produktionsangaben zum Film Elektrizitätslehre: Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren Produktion Weglowinthedark. im Auftrag des FWU Institut für Film und Bild, 2014 Buch, Regie und Gestaltung Antonia Kühn Dominic Bünning Kamera & Fotos Carsten Dammann Nur Bildstellen/Medienzentren: öv zulässig 2014 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D Grünwald Telefon (089) Telefax (089) info@fwu.de vertrieb@fwu.de Internet 11

12 Didaktische FWU-DVD Elektrizitätslehre: Halbleiter Dioden, LEDs und Transistoren Computer, Lichtschranken, Rauchmelder und Fotovoltaikanlagen haben alle etwas gemeinsam: Sie basieren auf Effekten der Festkörperphysik. In dieser Produktion werden Halbleiter von Leitern und Nichtleitern abgegrenzt und Modelle der Beschreibung von elektrischer Leitung in diesen Materialien vorgestellt. Ergänzend werden einfache Bauteile wie Dioden, LEDs und Transistoren in ihrer Funktion und Verwendung beschrieben. Es stehen weiterhin Arbeitsblätter, didaktische Hinweise und weitere ergänzende Unterrichtsmaterialien zur Verfügung. Erscheinungsjahr: 2014 Laufzeit: 26 min Sequenzen: 7 Grafiken : 5 Sprache: Deutsch DVD-ROM-Teil: Arbeitsblätter: Unterrichtsmaterialien 7 (mit Lösungen, als PDFs zum Ausfüllen, z. T. differenziert) Infotexte: 4 Adressaten: Allgemeinbildende Schule (Klasse 9-13) Schlagwörter: Atom, Atombindung, Computer, Diode, Dotieren, Elektron, Feststoffphysik, Halbleiter, Isolator, Kennlinie, LED, Leiter, Leitfähigkeit, Leitung, Metall, MOSFET, Nichtleiter, Nichtmetall, Silizium, Technik, Technologie, Transistor, Valenz, Valenzelektron, Valenzhülle, Wertigkeit Systematik: Physik Chemie Festkörperphysik Technologie Physikalische Chemie FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz Grünwald Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) info@fwu.de Lehrprogramm gemäß 14 JuSchG GEMAFREI Bestell-Hotline: +49 (0) vertrieb@fwu.de