VORANSICHT I/D. Halbleiter moderne Technik, vielfältig angewendet. Anschauliche Modelle für eine komplexe Technologie! Der Beitrag im Überblick

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1 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. Klasse: 9/10 Dauer: Ihr Plus: 7 Einzelstunden 2 Doppelstunden ü 3 Excel-Tabellen ü Schaltungen zum einfachen Nachbau ü Schnipsel für die Lückentexte auf CD-ROM 25 Smartphone Anschauliche Modelle für eine komplexe Technologie! Der Beitrag im Überblick Inhalt: Leitfähigkeit von Stoffen, Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit, Eigenleitung n- und p-leitung Dotieren von Halbleitern Halbleiterdioden und Transistoren Anwendungen von Halbleiterbauelementen in elektronischen Schaltungen Foto: D. Walkowiak

2 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.

3 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 D: 30 min 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 Glühlampe (3,5 V) 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) r Wechselspannungsquelle bzw. Sinusgenerator r Oszilloskop M 9 Ab Der Transistor M 10 SV M 11 SV D: 30 min Experiment 1: D: 30 min Experiment 2: D: 30 min Experiment 3: D: 30 min 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 Glühlampe (3,5 V) r Widerstand (1,8 kω) r 2 Transistoren (npn) r Glühlampe (3,5 V) r Widerstände (2 1,8 kω; 5,1 kω; 47 kω) r Glas mit Leitungswasser r 2 Spannungsquellen r Glühlampe (3,5 V) r Widerstand (100 Ω) r Widerstand (1,8 kω) 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.

4 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. Voraussetzungen: frei bewegliche ( ) Feld Verlauf: Die werden zum Pluspol hin beschleunigt. Dabei stoßen sie mit den Wafer Elektrische Energie wird in und in Energie umgewandelt. zusammen. Foto: NASA 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.

5 6 von Halbleiter M 2 Von Platz zu Platz Eigenleitung Wir schauen uns den Aufbau von Halbleitern am Beispiel des Siliziums an. Silizium besitzt eine Kristallstruktur ähnlich der eines Diamanten. Jedes Atom hat 4 Außenelektronen, welche mit den benachbarten Atomen stabile Elektronenpaarbindungen eingehen. Bei Zimmertemperatur können sich nur einige wenige Elektronen durch thermische Schwingungen aus ihrer Bindung lösen und stehen als freie Ladungsträger zur Verfügung. Dabei bleibt ein Loch (Defektelektron) zurück. Dies kann ein neues Elektron aufnehmen (Rekombination). Legt man eine Spannung an, bewegen sich die negativ geladenen Elektronen zum Pluspol und die positiv geladenen Löcher (scheinbar) zum Minuspol. Das ist so ähnlich wie in der Schule, wenn alle einen Platz weiterrücken. Dann wandern die Personen in die eine Richtung und der freie Platz in die andere. Die Leitfähigkeit von Halbleitern kann man verbessern, indem man ihnen Energie zuführt. Dadurch können mehr Elektronen aus der Bindung gelöst werden und stehen so wie die Löcher, die sie hinterlassen als freie Ladungsträger zur Verfügung. Aufgaben 1. In welcher Form kann diese Energiezufuhr erfolgen? 2. Erläutere, was ein Thermistor und ein Fotowiderstand ist und in welcher Form hier Energie zugeführt wird. Tipp Thermistor steht für thermal restistor.

6 8 von Halbleiter M 4 Wir verschmutzen Halbleiter Dotieren Ihr wisst, dass man die Leitfähigkeit von Halbleitern durch Energiezufuhr, z. B. in Form von Wärme, verbessern kann. Aber es gibt noch eine weitere Möglichkeit, die Anzahl der Ladungsträger zu erhöhen das gezielte Verunreinigen (Dotieren). Dazu bringt man z. B. in das 4-wertige Silizium 3- oder 5-wertige Fremdatome hinein. Was erreicht man dadurch? Lisa überlegt Aufgabe Vervollständige die folgende Tabelle. n-leitend (negative Ladungsträger) p-leitend (positive Ladungsträger) Das Silizium wird mit einem -wertigen Stoff dotiert, z. B.. Dadurch steht ein zusätzliches Außenelektron als Ladungsträger zur Verfügung. Beim Anlegen einer Spannung bewegen sich diese frei beweglichen gerichtet zum. Das Silizium wird mit einem -wertigen Stoff dotiert, z. B.. Dadurch fehlt ein Außenelektron und es entsteht ein zusätzlicher Ladungsträger ( ). Beim Anlegen einer Spannung werden diese von besetzt und es kommt zu einer gerichteten Bewegung der Löcher zum. Für Experten Informiere dich im Internet über die Herstellung von Siliziumkristallen und die Technik des Dotierens. Tipp Elektronen negative Ladungsträger; Löcher positive Ladungsträger

7 17. Halbleiter 9 von 26 M 5 Durchlassen oder Sperren? Die Halbleiterdiode Was passiert, wenn man ein n- und ein p-leitendes Material zusammenbringt? Richtig es entsteht ein pn-übergang. Aber was passiert da genau? Im Bereich des pn-überganges kommt es zur Rekombination von Elektronen, d. h., die Löcher werden mit Elektronen aufgefüllt. Es entsteht eine ladungsträgerarme Schicht (Raumladungszone). Und was passiert, wenn man eine äußere elektrische Spannung anlegt? Aufgabe Erläutere folgende Darstellungen. Durchlassrichtung an p-leiter, an n-leiter Sperrrichtung an p-leiter, an n-leiter Das Bauelement, das diese Eigenschaften nutzt, heißt Diode. Die Diode kann in Durchlass- oder in Sperrrichtung geschaltet werden. Durchlassrichtung: Sperrrichtung: Verschiedene Dioden Foto: D. Walkowiak

8 17. Halbleiter 13 von 26 M 9 Der Transistor Die ersten Computer waren riesige Anlagen mit Röhren, Relais, Magnetbandspeichern etc. Der Computer Z3 von Konrad Zuse (1941) war z. B. aus 2000 Relais aufgebaut. Einer der ersten Großrechner ENIAC (1946) arbeitete mit Elektronenröhren, welche allerdings sehr störanfällig waren. Mit der Erfindung des Transistors 1947 begann das Zeitalter der Digitaltechnik. Welche Aufgaben hat ein Transistor und wie funktioniert er? Aufbau Wirkungsweise des npn-transistors Aufgabe Vervollständige folgenden Text. Zwischen zwei n-leitenden Schichten liegt eine dünne p-leitende Schicht. Verschiedene Transistoren Foto: D. Walkowiak Bei einer Spannung U BE > 0,7 V ist der erste pn-übergang in richtung geschaltet. Da die sehr dünn ist, fließt nur ein geringer Teil der über die ab (è I B ). Die meisten und den zweiten in bewegen sich weiter, durchqueren die richtung geschaltenen pn-übergang. Sie werden vom angezogen (è I C ).

9 17. Halbleiter 15 von 26 M 11 Anwendungen von Halbleiterbauelementen 1. Transistor als Verstärker Untersuche die Abhängigkeit der Kollektorstromstärke I C von der Basisstromstärke I B. Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 30 min Materialien r Transistor (npn) r 2 Spannungsquellen (regelbar) r Widerstand (100 Ω) r 2 Strommesser r Widerstand (1,8 kω) Versuchsaufbau 1,8 k Ω Versuchsdurchführung 100 Ω 1. Baue die Schaltung auf und lasse sie von deiner Lehrkraft kontrollieren. 2. Trage die Werte für I B und I C übersichtlich in eine Tabelle ein. Auswertung 1. Stelle die Abhängigkeit des Kollektorstroms I C vom Basisstrom I B in einem Diagramm dar. 2. Interpretiere das Diagramm. 3. Berechne für den linearen Bereich den Quotienten I C /I B. Welche Bedeutung hat der so erhaltene Wert? 4. Welche wichtige Anwendungsmöglichkeit von Transistoren ergibt sich daraus?

10 16 von Halbleiter 2. Dunkelschaltung Untersuche die Wirkungsweise einer Dunkelschaltung. Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 30 min Materialien r Transistor (npn) r Glühlampe (3,5 V) r Widerstand (1,8 kω) r Spannungsquelle r Fotowiderstand Versuchsaufbau Ω Ω Fotowiderstand Versuchsdurchführung 1. Baue die Schaltung auf und lasse sie von deiner Lehrkraft kontrollieren. 2. Beleuchte den Fotowiderstand mit einer Taschenlampe. Beobachte die Glühlampe. 3. Verändere den Abstand zwischen der Taschenlampe und dem Fotowiderstand. Beobachte die Glühlampe. Auswertung 1. Beschreibe und erkläre deine Beobachtungen. 2. Wo werden Dunkelschaltungen eingesetzt?

11 17. Halbleiter 17 von Feuchtigkeitsschalter Untersuche die Wirkungsweise eines Feuchtigkeitsschalters. Schülerversuch Vorbereitung: 10 min Durchführung: 30 min Materialien r 2 Transistoren (npn) r Glühlampe (3,5 V) r Widerstände (2 1,8 kω; 5,1 kω; 47 kω) r Glas mit Leitungswasser r Spannungsquelle r Elektroden (Nägel o. Ä.) r Kartoffel Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Achte bei allen Versuchen darauf, dass sich die Elektroden nicht berühren. 1. Baue die Schaltung auf und lasse sie von deiner Lehrkraft kontrollieren. 2. Tauche die beiden Elektroden in das Glas mit Wasser ein und beobachte die Lampe. 3. Nimm die Elektroden nacheinander wieder aus dem Wasser. 4. Stecke die beiden Elektroden in die Kartoffel und beobachte die Lampe. Auswertung 1. Beschreibe und erkläre deine Beobachtungen. 2. Nenne Anwendungsbeispiele.

12 18 von Halbleiter Erläuterungen und Lösungen M 1 Warum heißen Halbleiter Halbleiter? Führen Sie als Einstieg einfache Experimente durch, mit denen Sie die Leitfähigkeit verschiedener Stoffe demonstrieren. Zur Anzeige setzen Sie ein Strommessgerät oder eine Glühlampe ein. Nutzen Sie alltägliche Gegenstände, z. B. Metall- und Plastikbesteck oder verschiedene Stifte (auch eine Bleistiftmine, die den Strom leitet). Führen Sie auch die unterschiedliche Leitfähigkeit von Wasser vor, indem Sie destilliertes Leitungs- und Salzwasser einander gegenüberstellen. Gehen Sie dabei auch auf die Gefahren des elektrischen Stromes ein (Fön in der Badewanne o. Ä.). Recht eindrucksvoll ist es, wenn Sie ein elektrisches Gerät (Niederspannung!), z. B. ein kleines batteriebetriebenes Radio oder ein altes Handy, in destilliertem Wasser versenken, um zu zeigen, dass es dort (so gut wie) keine freien Ladungsträger gibt. Das Gerät sollte also auch weiterhin funktionieren. Falls Sie auf das Gerät verzichten können, geben Sie anschließend reichlich Salz in das Wasser. Lösungen 1. a) Nichtleiter bezeichnet man auch als Isolatoren. Beispiele: Kunststoffe, Keramik, Diamant, Glas (trockene Gase, Holz, destilliertes Wasser) b) Beispiele: Metalle, Grafit, Salzlösungen c) Leiter besitzen frei bewegliche Ladungsträger (z. B. Elektronen oder Ionen). Bei Isolatoren sind diese fest gebunden. 2. positive Metallionen (im Gitter regelmäßig angeordnet, schwingen am Platz) frei bewegliche Elektronen Voraussetzungen: frei bewegliche Ladungsträger (Elektronen) elektrisches Feld Verlauf: Die Elektronen werden zum Pluspol hin beschleunigt. Dabei stoßen sie mit den positiven Metallionen zusammen. Elektrische Energie wird in kinetische und in thermische Energie umgewandelt. 3. Je höher die Temperatur eines Metalls ist, desto geringer ist seine Leitfähigkeit. Begründung: Bei höherer Temperatur schwingen die positiven Metallionen stärker an ihrem Platz hin und her. Deshalb werden die Elektronen auf ihrem Weg zum Pluspol stärker behindert. Der elektrische Widerstand steigt und die Leitfähigkeit nimmt ab.