6/2 Halbleiter Ganz wichtige Bauteile

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1 Elektronik 6/2 Seite 1 6/2 Halbleiter Ganz wichtige Bauteile Erforderlicher Wissensstand der Schüler Begriffe: Widerstand, Temperatur, elektrisches Feld, Ionen, Isolator Lernziele der Unterrichtssequenz Die Schüler sollen... den Leitungsmechanismus im Halbleiter begreifen, die Grundzüge des Bändermodells verstehen. Vernetzungsmöglichkeit mit anderen Fächern Chemie Physik unterrichten Unterrichtsmethode moderierter Unterricht Demonstrationsexperiment Hinweis auf benötigte Materialien Auf der beiliegenden CD-ROM finden Sie die Textvorlage Halbleitende Materialklassen, Wie leitet ein Halbleiter?, Warum leiten,verunreinigte Halbleiter besser? und Das Bändermodell. WEKA MEDIA GmbH & Co. KG Unterrichtsverlauf Einstiegsphase Die moderne Elektronik ist entscheidend durch Halbleiterbauelemente geprägt worden; integrierte Schaltkreise (z.b. in Taschenrechnern) werden heutzutage auf halbleitenden Siliciumscheibchen fabriziert. Zur Motivation der Klasse kann zunächst der Begriff Halbleiter zur Diskussion gestellt werden; ein Stoff erscheint bei Anlegen einer elektrischen Spannung ja entweder als Leiter oder als Isolator (Kopiervorlage 1). Der Name Halbleiter nimmt Bezug auf eine charakteristische Eigenschaft dieser Materialien, nämlich dass ihre elektrische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zunimmt (so genannte Heißleiter ).

2 6/2 Elektronik Seite 2 Dies soll anhand eines Versuchs demonstriert werden: Schülerexperiment 1 Versuch 1 Material je Gruppe Strommesser Spannungsquelle (4,5 V) Metallwiderstand Pt 100 Vorwiderstand 1 KΩ Ein mit einem Vorwiderstand in Serie geschalteter Metallwiderstand (z.b. Pt 100) wird mit einem Heißluftfön erwärmt. Der Widerstandswert (errechnet aus dem Ohm schen Gesetz: R = U/I) steigt dabei mit zunehmender Temperatur. Erarbeitungsphase 1 Unter Einbeziehung des Vorwissens, dass bei der Metallbindung freie Elektronen, d.h. Elektronen, die nicht an der Bindung beteiligt sind, als Träger des elektrischen Stroms zur Verfügung stehen, kann man folgende Erklärung erarbeiten: Durch ein anliegendes elektrisches Feld (i.e. die Spannungsquelle) erfahren die Elektronen eine Beschleunigung, es kommt zum Stromfluss. Dabei stoßen die Ladungsträger gelegentlich an die Metallionen und werden dabei abgebremst (Widerstand!). Je stärker die Wärmeschwingungen der Ionen sind (d.h. je höher die Temperatur des Widerstands ist), desto häufiger treten solche Zusammenstöße auf. Dies hat zur Folge, dass bei Metallen der Widerstand mit der Temperatur zunimmt.

3 Elektronik 6/2 Seite 3 Schülerexperiment 2 Versuch 2 Material je Gruppe Strommesser Spannungsquelle (4,5 V) Diode 1 N 4007 Führt man nun denselben Versuch mit einem Halbleiterwiderstand durch (z.b. Germaniumwiderstand), so beobachtet man Folgendes: Der Widerstand des Halbleiters sinkt mit zunehmender Temperatur. Da auch die Halbleiteratome Wärmeschwingungen ausführen, muss die Leitfähigkeit aufgrund einer Erhöhung der Anzahl freier Ladungsträger gestiegen sein. Dieser Effekt dominiert die elektrischen Eigenschaften eines Heißleiters (Kopiervorlage 2). Die Zunahme der Wärmeschwingungen ist demgegenüber vernachlässigbar; sie macht sich erst bei sehr hohen Temperaturen bemerkbar. Erarbeitungsphase 2 Es schließt sich eine Interpretation der Materialien an. WEKA MEDIA GmbH & Co. KG Physik unterrichten

4 6/2 Elektronik Seite 4 M1 Kopiervorlage 1 Spezifischer Widerstand fester Körper Leiter Halbleiter Isolatoren Kupferoxid Glas, Keramik Quecksilber Silizium Bernstein, Quarz Eisen Selen Glimmer Silber Germanium Hartgummi Spezifischer Widerstand in Ω -1 cm -1

5 Elektronik 6/2 M2 Seite 5 Kopiervorlage 2 WEKA MEDIA GmbH & Co. KG Physik unterrichten In guter Näherung gilt: R T = A e B/T mit R T : Widerstand des Heißleiters bei Temperatur T (in Kelvin) A: Materialkonstante der Dimension Ω B: B-Wert, Materialkonstante der Dimension Kelvin T: Temperatur (in Kelvin) Widerstands-Temperatur-Kennlinien (angegebener Parameter: B-Wert)

6 6/2 Elektronik Seite 6 M3 Kopiervorlage 3

7 Elektronik 6/2 M4 Seite 7 Kopiervorlage 4 Physik unterrichten WEKA MEDIA GmbH & Co. KG T = 0 K T = 0 K T > 0 K

8 6/2 Elektronik Seite 8 M5 Arbeitsblatt: Halbleiter Quiz 1. Ergänze: Germanium- bzw. Silicium-Atome besitzen jeweils Valenzelektronen, d.h. Elektronen in der äußeren Hülle. Im Halbleiterkristall wird die Bindung zweier Nachbaratome durch ein beiden Atomen gemeinsames bewirkt. Da es genauso viele nächste Nachbarn wie Valenzelektronen gibt ( pro Atom), werden die Valenzelektronen vollständig zum Brückenbau verwendet; daher ist ein Halbleiter bei tiefen Temperaturen ein elektrischer. Brechen diese Elektronenbrücken durch die Zufuhr von auf, so wird der Halbleiter elektrisch leitend. 2. Welche der beiden Materialien, deren Bandstrukturen unten dargestellt sind, stellt den besseren Isolator dar? A) B) Material A, Material B, weil es eine größere Energielücke zwischen Leitungs- und Valenzband besitzt, weil es das breitere Leitungsband besitzt schmälere Valenzband besitzt 3. Wodurch kann man die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöhen? Durch die Zufuhr von: Kälte Wärme elektromagnetische Strahlung 4. Ergänze: Ersetzt man einen geringen Bruchteil (ca. 0,001 %) der Atome eines Ge-Kristalls durch Fremdatome, die fünf Valenzelektronen besitzen (man bezeichnet dies als D ), so werden nur dieser Valenzelektronen zum Brückenbau verwendet. Die nicht an der Bindung beteiligten Elektronen stehen bei Zimmertemperatur als frei bewegliche zur Verfügung. Da diese negativ sind, spricht man hier von -Leitung.

9 Elektronik 6/2 M6 Seite 9 Lösung zum Arbeitsblatt: Halbleiter Quiz 1. Ergänze: Germanium- bzw. Silicium-Atome besitzen jeweils vier Valenzelektronen, d.h. Elektronen in der äußeren Hülle. Im Halbleiterkristall wird die Bindung zweier Nachbaratome durch ein beiden Atomen gemeinsames Elektronenpaar bewirkt. Da es genauso viele nächste Nachbarn wie Valenzelektronen gibt (vier pro Atom), werden die Valenzelektronen vollständig zum Brückenbau verwendet; daher ist ein Halbleiter bei tiefen Temperaturen ein elektrischer Isolator. Brechen diese Elektronenbrücken durch die Zufuhr von Energie auf, so wird der Halbleiter elektrisch leitend. 2. Welche der beiden Materialien, deren Bandstrukturen unten dargestellt sind, stellt den besseren Isolator dar? Physik unterrichten Material A, Material B, A) B) weil es eine größere Energielücke zwischen Leitungs- und Valenzband besitzt, weil es das breitere Leitungsband besitzt schmälere Valenzband besitzt WEKA MEDIA GmbH & Co. KG 3. Wodurch kann man die Leitfähigkeit eines Halbleiters erhöhen? Durch die Zufuhr von: Kälte Wärme elektromagnetische Strahlung 4. Ergänze: Ersetzt man einen geringen Bruchteil (ca. 0,001 %) der Atome eines Ge-Kristalls durch Fremdatome, die fünf Valenzelektronen besitzen (man bezeichnet dies als Dotieren ), so werden nur vier dieser Valenzelektronen zum Brückenbau verwendet. Die nicht an der Bindung beteiligten Elektronen stehen bei Zimmertemperatur als frei bewegliche Ladungsträger zur Verfügung. Da diese Ladungsträger negativ sind, spricht man hier von n-leitung.

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