Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Halbleiter. Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.

Transkript

1 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Halbleiter Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de

2 17. Halbleiter 1 von 26 Halbleiter moderne Technik, vielfältig angewendet Doris Walkowiak, Görlitz Fernseher, Computer, Handy, MP3-Player ohne diese Geräte können sich heute die meisten Menschen ihr Leben nicht mehr vorstellen. Der Trend geht zu immer kleineren und leistungsfähigeren Produkten. Dies wäre ohne die rasanten Fortschritte in der Halbleitertechnologie nicht denkbar. In diesem Beitrag beschäftigen sich Ihre Schüler mit deren Grundlagen. Das Material weckt durch einfache Anwendungen Interesse an der Elektronik. Smartphone Foto: D. Walkowiak Anschauliche Modelle für eine komplexe Technologie! Der Beitrag im Überblick Klasse: 9/10 Dauer: Ihr Plus: 7 Einzelstunden 2 Doppelstunden ü 3 Excel-Tabellen ü Schaltungen zum einfachen Nachbau Inhalt: Leitfähigkeit von Stoffen, Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit, Eigenleitung n- und p-leitung Dotieren von Halbleitern Halbleiterdioden und Transistoren Anwendungen von Halbleiterbauelementen in elektronischen Schaltungen

3 2 von Halbleiter Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Den technischen Fortschritt verstehen und mitgestalten Prägend für die Moderne ist die rasante Entwicklung des technischen Fortschritts. Benötigten die ersten Computer in den 1940er-Jahren noch ganze Etagen in großen Gebäuden für ihre Arbeit, kann heute bereits jedes Handy mehr leisten als diese Rechenanlagen. Daher ist es unter anderem die Aufgabe des Physikunterrichtes, die Schüler mit den Grundlagen der modernen Elektronik vertraut zu machen. Verdeutlichen Sie ihnen die Leistungsfähigkeit und die zukünftigen Herausforderungen dieses Gebietes. Es ist möglich und wünschenswert, Messwerte (z. B. Dioden- und Transistorkennlinien) auch unter Nutzung von Computern aufzunehmen und auszuwerten. Da dies aber stark vom Vorhandensein entsprechender Hard- und Software abhängt, gehen wir hier nicht darauf ein. Worum geht es? Die Schüler eignen sich grundlegendes Wissen über Halbleiterbauelemente an. Sie trainieren ihre Fertigkeit im Aufbau von Schaltungen. Sie lernen Modelle kennen, mit denen man die Leitfähigkeit in Metallen und Halbleitern erklärt. Außerdem gewinnen sie Einblick in die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der Elektronik. Der Bezug zu Geräten, mit denen sie täglich umgehen (Handy, MP3-Player, Computer, Fernseher ), weckt ihr Interesse an der Mitgestaltung des technischen Fortschritts. Dies ist ein wichtiger Schritt, um ihnen (auch den Mädchen) ein Studium der technischen Richtung nahezubringen und auf diesem Wege einen Beitrag zum dringend benötigten Nachwuchs an Ingenieuren (z. B. der Elektrotechnik) zu leisten. Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts Behandeln Sie die Materialien M 1 und M 2 in einer Unterrichtsstunde. Dabei geht es in erster Linie darum, den Schülern zu vermitteln, dass die Leitfähigkeit von Halbleitern stark von der Temperatur abhängt. In M 3 untersuchen sie die Leitfähigkeit dann experimentell und vergleichen die Temperaturabhängigkeit eines Halbleiterwiderstandes (Thermistors bzw. Thermal Resistors) mit anderen Bauelementen (Ohm schem Widerstand, Glühlampe). Auch die Materialien M 4 und M 5 bilden eine Einheit. Hier erarbeiten sich die Schüler, wie die Leitfähigkeit durch Dotieren verbessert werden kann (M 4), und erfahren, wie Halbleiterdioden funktionieren (M 5). In M 6 untersuchen sie die Eigenschaften einer Halbleiterdiode und bestätigen damit ihre Ergebnisse experimentell. Planen Sie je nachdem, wie fit Ihre Schüler im Experimentieren sind, für die Durchführung und Auswertung eine Doppelstunde ein. Ansonsten können die Schüler die Auswertung auch zu Hause erledigen. M 7 und M 8 beschreiben Lehrerversuche. Führen Sie den Schülern die beiden Varianten der Gleichrichterschaltung vor und lassen Sie sie die Versuche mithilfe der Arbeitsblätter auswerten. Dies lässt sich in einer Unterrichtsstunde realisieren. Behandeln Sie M 9 und M 10 unmittelbar nacheinander (in einer Doppelstunde), da diese Materialien inhaltlich zusammengehören. Hier geht es um das Grundprinzip des Transistors. M 11 stellt drei Möglichkeiten vor, Halbleiterbauelemente in einfachen elektronischen Schaltungen anzuwenden. Dafür ist jeweils eine Unterrichtsstunde vorgesehen. Die Schüler alle drei Experimente in einer Stunde in Gruppen durchführen zu lassen, ist nicht empfehlenswert, da dabei der Kontrollaufwand für die Schaltungen für Sie zu hoch ist.

4 17. Halbleiter 3 von 26 Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allgemeine physikalische Kompetenz Die Schüler Inhaltsbezogene Kompetenzen Anforderungsbereich F 1, F 2 E 3 kennen den Aufbau und den Leitungsmechanismus von Halbleitern (M 1, M 2), I F 1, F 2 E 1, E 3 kennen charakteristische Eigenschaften ausgewählter Halbleiterbauelemente (M 3), II F 4 F 4 E 7, E 8 sind in der Lage, aus diesen Eigenschaften Schlussfolgerungen für den Einsatz der Bauelemente zu ziehen, planen Experimente und führen sie durch (M 3, M 6, M 10, M 11), II, III II E 8, E 9 realisieren einfache Schaltungen und werten sie aus (M 3, M 6, M 10, M 11), III E 9, E 10 erkennen den funktionalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen, stellen diesen grafisch dar und interpretieren die Diagramme. II, III Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, finden Sie vorn im Heft hinter der Inhaltsübersicht. Mediothek Internet-Adressen Rund ums Silizium: Elektronik-Kompendium: LeiFi Physik: Applets zur Eigenleitung: Animation pn-übergang: Software Zum Erstellen von Schaltplänen: splan 7.0 ( Demoversion zum Testen erhältlich. Zur Schaltungssimulation: Crocodile Clips bzw. Yenka ( kostenlose Heimlizenz zum Testen erhältlich

5 4 von Halbleiter Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie M 1 Ab Warum heißen Halbleiter Halbleiter? M 2 Ab Von Platz zu Platz Eigenleitung M 3 SV Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit von Bauelementen r Ohm scher Widerstand (100 Ω) r Glühlampe (12 V) r Thermistor M 4 Ab Wir verschmutzen Halbleiter Dotieren M 5 Ab Durchlassen oder Sperren? Die Halbleiterdiode r Spannungsquelle (regelbar oder mit Potentiometer) r Spannungsmesser r Strommesser M 6 SV Weg frei? Eigenschaften von Dioden, Diodenkennlinie D: 35 min r Diode (Silizium/Germanium) r Widerstand (100 Ω) M 7 LV Abgeschnitten! Einweggleichrichtung D: 10 min r Diode r Widerstand (1 kω) r Spannungsquelle (regelbar) r Spannungsmesser r Strommesser r Wechselspannungsquelle bzw. Sinusgenerator r Oszilloskop M 8 LV Auf zwei Wegen zum Ziel Zweiweggleichrichtung D: 15 min r 4 Dioden r Widerstand (1 kω) M 9 Ab Der Transistor M 10 SV M 11 SV Experiment 1: Experiment 2: Experiment 3: Ein oder aus der Transistor als Schalter r Transistor (npn) r Widerstand (1,8 kω) r Taster r Schalter Anwendungen von Halbleiterbauelementen r Transistor (npn) r 2 Spannungsquellen (regelbar) r 2 Strommesser r Transistor (npn) r Widerstand (1,8 kw) r 2 Transistoren (npn) r Widerstände (2 1,8 kw; 5,1 kw; 47 kw) r Glas mit Leitungswasser r Wechselspannungsquelle bzw. Sinusgenerator r Oszilloskop r 2 Spannungsquellen r Widerstand (100 W) r Widerstand (1,8 kw) r Spannungsquelle r Fotowiderstand r Spannungsquelle r Elektroden (Nägel o. Ä.) r Kartoffel Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 18.

6 17. Halbleiter 5 von 26 M 1 Warum heißen Halbleiter Halbleiter? Leiten Halbleiter den Strom nur halb? Woher kommt diese Bezeichnung? Aufgaben 1. a) Welchen Fachbegriff für Nichtleiter kennst du? Nenne einige typische Beispiele für Nichtleiter. b) Welche Stoffe leiten den elektrischen Strom besonders gut? c) Begründe die unterschiedliche Leitfähigkeit von Leitern und Nichtleitern. 2. Erläutere den Aufbau von Metallen und die Leitungsvorgänge in diesen. Beschrifte dazu folgende Skizze und fülle den Lückentext aus. Wafer Foto: NASA Voraussetzungen: frei bewegliche ( ) Feld Verlauf: Die werden zum Pluspol hin beschleunigt. Dabei stoßen sie mit den zusammen. Elektrische Energie wird in und in Energie umgewandelt. 3. Welchen Einfluss hat die Temperatur auf die Leitfähigkeit von Metallen? Begründe. Und wie ist das bei Halbleitern? Merke: Leitfähigkeit in Halbleitern Die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern ist stark temperaturabhängig. Am absoluten Nullpunkt (0 K = 273,15 C) sind Halbleiter Isolatoren. Auch bei Zimmertemperatur leiten sie den Strom fast gar nicht. Um dies zu erklären, beschäftigen wir uns mit dem Aufbau von Halbleitern. 1 Wafer sind kreisrunde oder quadratische, circa 1 mm dicke Scheiben, die in der Mikroelektronik, Fotovoltaik und Mikrosystemtechnik eingesetzt werden. Diese Scheiben stellt man aus ein- oder polykristallinen (Halbleiter-) Rohlingen, sogenannten Ingots, her. Sie dienen in der Regel als Grundplatte für elektronische Bauelemente, unter anderem für integrierte Schaltkreise (IC, Chip ), mikromechanische Bauelemente oder photoelektrische Beschichtungen (vgl.

7 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Halbleiter Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de