Facharbeit Zum Thema Aufbau einer

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1 Facharbeit Zum Thema Aufbau einer Name: Anna Lukyanova Klasse: 12 c Fach: Physik/ Philosophie Lehrer: Herr Götzinger/ Herr Kapteina Datum:

2 Inhaltsverzeichnis 1) Einleitung 2) Was ist eine Diode 3) Durchbrüche einer Diode 4) Allgemeine Information über Leitfähigkeit von Metallen a) Halbleiter b) Nichtleiter c) Leiter 5) Selbstbau einer Diode 6) Ergebnisse 7) Auswertung 8) Nutzung im Bereich der Technik 9) Rolle einer Diode in der Technik 10) Literaturverzeichnis 2

3 Einleitung Die Elektronik dringt in immer weitere Bereiche unseres beruflichen und privaten Lebens vor. Heute müssen sich Angehörige sehr verschiedenartiger Berufe mit der Elektronik auseinandersetzen. Die Entwicklung in auf diesem Gebiet hat in den letzten 50 Jahren einen gewaltigen Aufschwung genommen, der sowohl die Breitenentwicklung als auch ein vertieftes Verständnis aller physikalischen Eigenschaften betrifft 1 Die Physik der Halbleiter ist ein Beispiel für das Ineinandergreifen reiner Forschung und technologischer Entwicklung. Dieses Zusammenwirken begünstigte die Entdeckung neuer Effekte, beispielsweise des Gunneffektes, oder die Entwicklung des Injektionslasers. 2 Heute ist die Halbleiterphysik ein weitgehend selbstständiger Zweig der Festkörperphysik. Aufgrund der beschriebenen großen Bedeutung der Halbleitertechnik habe ich mir das Thema Aufbau einer Halbleiterdiode für meine Facharbeit ausgewählt. Ich wollte nun selbst versuchen, ob es möglich ist eine Halbleiterdiode nachzubauen. Ich werde dabei auf verschiedne Dinge eingehen: Was ist Diode, wie definiert man Halbleiter, was sind Nichtleiter. Weiterhin werden in der Facharbeit auch allgemeine Information über Leitfähigkeit von Metallen behandelt. Bei der Vorbereitung meiner Facharbeit habe ich einige Bücher durchgelesen und vieles, was ich interessant fand in die Arbeit eingearbeitet. 1 D.A. Fraser, Halbleiter-Physik, R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1981, S Artikel in der wissenschaftlichen Zeitung Physik in unserem Leben, Scherz Verlag, Stuttgard, 1989, S. 28 3

4 Was ist eine Diode. Die Diode ist ein einfach aufgebautes Halbleiterelement mit zwei Anschlüssen. Sie werden mit Anode und Kathode bezeichnet. Eine Diode besteht aus n- und p- dotiertem Halbleitermaterial. Sie werden folgendermaßen angeordnet. 3 (Sieh. Abb. 1) Abb. 1 Aufbau einer Halbleiterdiode Man setzt also n- und p- dotiertes Halbleitermaterial in Kontakt, und schließt an die beiden Halbleiterschichten jeweils ein Kabel an. Im n-dotiertem Material befindet sich die ganze Menge negativ geladenen Stellen und im p-dotierten Material positiv geladenen. In diesem Fall heißt positiv geladene Stelle, wo ein negativ geladenes Elektron fehlt. Eine Materialkonstante ist die Anzahl der freien Elektronen und der Löcher. ( Die offene Bildung wird Loch genannt 4 Ein Loch ist aber ein fehlendes Elektron.) Diese Anzahl ändert sich auch nicht. Man kann daher nicht die freie Elektronen aus dem Material entfernen. Man kann durch Anlegen von elektrischen Feldern lediglich ihre Position im Material beeinflussen. Es wird die äußere Spannung angelegt. Die Diode sperrt genau in dem Moment, wenn die Spannung so an die Diode gelegt wird, dass das n-dotierte Material mit dem Positiven und das p- dotierte Material mit dem negativen Pol verbunden ist. Der Grund hierfür sind physikalische Gesetze. Wie bei einem Magneten stoßen sich gleiche Ladungen ab und unterschiedliche Ladungen ziehen sich an. Es sind zwei Möglichkeiten denkbar. Zunächst wird der positive Pol einer externen Spannungsquelle mit dem n-dotierten Halbleitermaterial verbunden. Die bereits erwähnten Anziehungskräfte bewirken, dass die Elektronen zum Pol wandern. Auf der anderen Seite (negativer Pol der externen Spannungsquelle) passiert umgekehrt genau der gleiche Vorgang. Die Löcher wandern zum negativen Pol. Die Mitte der 3 Konrad Kreher, Elektronen und Protonen in Halbleitern und Isolatoren, Akademie- Verlag, Berlin 1986, S Klaus Hesse, Halbleiter 1, Bibliographisches Institut Mannheim/ Wien/ Zürich 1974, S. 31 4

5 Diode ist praktisch ladungsfrei. Ohne frei bewegliche Ladung ist kein Stromfluss möglich. In dieser Richtung kann die Diode nicht von Strom durchflossen werden. (Sieh. Abb. 2) Abb. 2 Halbleiterdiode in Sperrrichtung 5 Polt man die Diode um, wirken ebenfalls Anziehungs- und Abstoßungskräfte. In diesem Fall wirkt durch die negative Spannung am n-dotierten Material eine Abstoßungsreaktion in Richtung Mitte. Die Elektronen werden in Richtung Mitte verdrängt. Dort kommen sie den positiven Löchern sehr nahe. Hier reicht den Elektronen dann nur wenig Energie (d.h. eine geringe Spannungsdifferenz) aus, um auf eine Lochposition zu springen und sie auszufüllen. Im p-dotierten Material vollzieht sich der gleiche Vorgang in umgekehrter Weise.Die positiven Löcher werden in Richtung Mitte abgedrängt. Dort verschwinden sie, da die Lochstellen mit den Elektronen aus der n-dotierten Seite aufgefüllt werden. (Sieh Abb. 3) Abb. 3 Halbleiterdiode in Flussrichtung 6 In der Sperrschicht verschwinden jeweils die Paare aus Elektronen und Loch. Somit können dann jeweils weitere Elektronen in das n-dotierte Material nachfließen. 5 Konrad Kreher, Elektronen und Photonen in Halbleitern und Isolatoren, Akademie- Verlag Berlin, 1986, S S. o., S

6 Auch sie werden sofort in Richtung Mitte gedrückt. Das Gleiche passiert auch auf der anderen Seite mit den Löchern. Die Vorstellung der fließenden Löcher ist nur ein Denkmodell. Löcher, die gedanklich in die eine Richtung fließen, bedeuten nichts anderes, als dass Elektronen in der entgegengesetzten Richtung fließen. Die Weiterleitung der Löcher findet allerdings nur im p-dotierten Material statt. Durch den metallischen Anschlussdraht können sie nicht fließen. Die Anzahl der Elektronen im n-dotierten und die Anzahl im p-dotierten Halbleitermaterial ist immer konstant. An der Verbindung des Drahtes mit dem p- dotierten Material fließt ein Elektron in Richtung der positiven Spannungsquelle. Es hinterlässt im Halbleitermaterial ein Loch, wenn ein Loch in der Näher der Sperrschicht verschwindet. Somit fließen Elektronen in das n-dotierte Material hinein. Aus dem p-dotierten Material fließen hingehen Elektronen exakt der gleichen Anzahl hinaus. Dies bedeutet, dass ein Stromfluss stattfindet und die Diode leitet. Durchbrüche einer Diode Die Diode darf nicht überlastet werden. Die vom Hersteller angegebene Stromstärke und Spannung dürfen nicht überschritten werden. Wird die höchstzulässige Sperrspannung überschritten, so kommt es zu Durchbrüchen. Man unterscheidet den Wärmedurchbruch und den Zenerdurchbruch. Der Zenerdurchbruch tritt vor allem bei stark dotierten Si-Dioden auf. Diese Dioden haben sehr große Feldstärken in der Sperrschicht. Von einer bestimmten Sperrspannung ab werden Elektronen aus ihren Kristallbindungen gelöst. Die Sperrschicht wird dadurch plötzlich leitfähig. Wenn es gelingt, die plötzliche Stromzunahme zu begrenzen, wird die Diode nicht zerstört. Der Wärmedurchbruch ist eine häufige Todesursache von Halbleiterdioden. Beim Wärmedurchbruch wird das Kristall unzulässig hoch erhitzt. Es wird dadurch zerstört. Eine Kristallzerstörung durch übermäßige Erhitzung ist auch im Durchlassbereich möglich. Steigt der Durchlassstrom wesentlich über seien höchstzulässigen Wert, so tritt eine übermäßige Kristallerwärmung ein. 6

7 Innerhalb des Kristalls wird die Sperrschicht am stärksten erwärmt. Die höchstzulässigen Temperaturen werden deshalb für die Sperrschicht angegeben. 7 Allgemeine Information über Leitfähigkeit von Metallen: In Festkörpern bilden Elektronen den Kit zwischen den Atomen. Diese Elektronen sind unterschiedlich fest an die Atome gebunden- je nach dem ob es sich dabei um Isaolatoren, Halbleiter oder Leiter handelt. a) HALBLEITER Allgemein sind Halbleiter Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit kleiner ist als die der Leiter, aber größer als die der Nichtleiter. Im engeren Sinne versteht man unter Halbleitern vor allem die Werkstoffe, die für die Herstellung bestimmter elektronischer Bauelemente verwendet werden. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer Halbleitertechnik. In der Halbleitertechnik hat Silizium zur Zeit die größte Bedeutung. Weitere technisch wichtige Halbleiterwerkstoffe sind Germanium, Selen, Galliumarsenid und Indiumantimonid. Diese Werkstoffe haben alle Kristallstruktur. Das bedeutet, die Atome sitzen auf bestimmten vorgegebenen Plätzen. Sie sind nach einem bestimmten Schema geordnet. Der Kristall hat einen bestimmten Aufbau. Halbleiter werden durch die Menge der Elektronen auf der äußeren Schale, der so genannten M-Schale, definiert. Die vier Elektronen der äußeren Schale werden Valenzektronen genannt. Die Valenzelektronen sind für die Bindung an die Nachbaratome verantwortlich. 8 b) NICHTLEITER Stoffe, in denen die Elektronen fest an die Atome gebunden sind, bezeichnet man auch als Isolatoren, Nichtleiter oder Dielektrika. Die Beispiele dafür sind Glas, Gummi und trockenes Holz. c) LEITER Leiter sind die Metalle, bei denen Elektronen an das Atom nicht fest gebunden sind, sonder frei gesetzt werden. Besonders Metalle wie z.b. Kupfer und Silber sind gute Leiter. 7 W. L. Bontsch-Brujewitsch, S.G. Kalaschnikow, Halbleiterphysik, Swesda, Monkaus 1970, siehe Kapitel : Halbleitereigenschaften und chemische Bindung. 8 N. K. Krawtschenko, Lehrbuch Physik 9. Klasse, Ridna Mowa, Kiew S

8 Selbstbau einer Diode Am Anfang habe ich versucht einer Diode mit Pyrit und einem Eisennagel herzustellen. Nach einigen ergebnislosen Versuchen wählte ich eine andere Methode, und zwar mit Kupfersulfid und Aluminium. Aus der Schulsammlung bekam ich vom Physiklehrer ein Kupferblech und etwas Schwefel. Mit Hilfe von Schmirgelpapier raute ich die Oberfläche des Kupferblechs auf. Das ist nötig damit die Reaktion zwischen Schwefel und Kupfer schneller verläuft. Danach kamen ca. 2g Schwefel und das geschmirgelte Kupferblech in das Reagenzglas. Anschließend wurde das Abb. 4 Herleitung von Kupfersulfid Reagenzglas über der Flamme erhitzt. Bei dieser Erhitzung ist das Kupferblech durchgeglüht. 9 (sieh Abb.4) Damit war ein Teil meiner zukünftigen Diode fertig. Als nächstes habe ich beim Hausmeister ein Stückchen Aluminium besorgt. 10 Ergebnisse Nun sollte ich nur überprüfen, ob meine Diode genau so gut funktioniert, wie eine herkömmliche Diode. Zum Test der Diode wurde eine U ss = ~16 V mit 50 Hz verwendet (Sinuswechselspannung). Dafür wurde eine Testschaltung gebaut, um die Gleichrichterwirkung gut erkennen zu können. Es wurde eine effektive Wechselspannung mit ca. 5 V mit einem Spannungsleiter angelegt. Die Diode sollte die Kurvenform verändern. Abb 5 Testschaltung 9 Vor der Durchführung diesen Versuches habe ich mich bei dem Biologielehrer erkundigt, ob die Dämpfe bei der Zusammenwirkung von Schwefel und Kupfer nicht giftig sind. Es hat sich rausgestellt, dass bei der Menge, die ich verwendet habe keine Probleme auftreten können. 10 Es muss nicht reines Aluminium sein. 8

9 Zunächst wurde eine herkömmliche Diode untersucht. Am Anfang war es nicht einfach die richtige Stelle für die Messung zu finden. Es gab immer mehrere Störungen. Ich musste einige Zeit probieren, bis das Ergebnis zufrieden stellend war. Wichtig für eine gute Messung war, dass die Spitze des Aluminiums das Kupferblech berührte. Abb. 6 9

10 Meine besten Ergebnisse sahen folgendermaßen aus. Auswertung Die Störungen sind natürlich immer noch zu sehen, aber an bestimmten Stellen kann man deutlich die Gleichrichterwirkung erkennen. Somit kann ich sagen, dass ich eine funktionierende Halbleiterdiode herstellen konnte. Nutzung im Bereich der Technik Eine Diode kann man in Durchlass-, Sperr-, oder Durchbruchbereich betrieben werden. Dioden werden sehr oft als Gleichrichterdioden verwendet. Das sind die, die überwiegend zur Gleichrichtung von Wechselspannungen eingesetzt werden. Sie werden normalerweise im Durchlass- und Sperrbereich betrieben. Es gibt auch einige Dioden, die zur Spannungsstabilität verwendet werden. Neben einer Vielzahl von "Spezialdioden", die hier nicht näher besprochen werden können, ist die "Kapazitätsdiode" zu nennen. Sie ist wichtig für die Frequenzabstimmung von Schwingkreisen. Die Funktionsweise ergibt sich aus ihrer besonders ausgeprägten Spannungsabhängigkeit der Sperrschichtkapazität. Abb. 7 Flächendiode 10

11 Abb. 8 Planerdiode 11 Rolle in der Technik Wenn über Halbleiter gesprochen wird, fällt zuerst das Silizium ein, welches auch die Basis für die Computertechnologie ist. Darüber hinaus ist auch der Verbindungshalbleiter Galliumarsenid von Bedeutung, der in der Optoelektronik eine wichtige Rolle spielt. Galliumnitrid revolutionierte in den letzten Jahren das Gebiet der Leuchtdioden- der LEDs (light emitting devices)- und der LASER-Dioden (light amplifikation by stimulated emmision of radiation). Im sichtbaren bis ultravioletten Spektralbereich. So sind bereits viele PKW-Rückleuchten und Verkehrsampeln mit solchen wartungsarmen und langlebigen LEDs bestückt. 12 Die Herstellung einer Diode war wirklich ein sehr wichtiges Ereignis des 19.. Jahrhunderts. Aus einer Diode haben sich Transistoren (zwei gegeneinander eingeschaltete Dioden) und integrierte Schaltkreise entwickelt. Ein Radio ist z.b. tragbar geworden. Wichtige Vorteile einer Diode sind geringer Materialverbrauch sowie langfristig ökonomische Produktion. 11 Klaus Beuth, Bauelemente, Elektronik 2, Vogel Buchgverlag, 1997, S

12 Literaturverzeichnis 1) Klaus Beuth, Bauelemente, Elektronik 2, Vogel Buchgverlag, ) D.A. Fraser, Halbleiter-Physik, R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1981, 3) Artikel in der wissenschaftlichen Zeitung Physik in unserem Leben, Scherz Verlag, Stuttgard, ) Konrad Kreher, Elektronen und Protonen in Halbleitern und Isolatoren, Akademie-Verlag, Berlin ) Klaus Hesse, Halbleiter 1, Bibliographisches Institut Mannheim/ Wien/ Zürich ) W. L. Bontsch-Brujewitsch, S.G. Kalaschnikow, Halbleiterphysik, Swesda, Monkaus ) N. K. Krawtschenko, Lehrbuch Physik 9. Klasse, Ridna Mowa, Kiew ) Herbert Pientka, Leitungsvorgänge in Metallen und Halbleitern, Vieweg, Braunschweig ) 10) 12