16 Festkörper Physik für E-Techniker. 16 Festkörper

Ähnliche Dokumente
Festkörper. Festkörper

15. Vom Atom zum Festkörper

Grundlagen der Rechnertechnologie Sommersemester Vorlesung Dr.-Ing. Wolfgang Heenes

An welche Stichwörter von der letzten Vorlesung können Sie sich noch erinnern?

1.17eV exp eV exp Halbleiter

2. Der Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstands α. Die SI-Einheit K -1 ρ = ρ

Die kovalente Bindung

Halbleiter. Das Herz unserer multimedialen Welt. Bastian Inselmann - LK Physik

1 Leitfähigkeit in Festkörpern

Hier: Beschränkung auf die elektrische Eigenschaften

TRANSISTORKENNLINIEN 1 (TRA 1) DANIEL DOLINSKY UND JOHANNES VRANA

Grundlagen zum Versuch Aufbau einer Messkette für den Nachweis kleinster Ladungsmengen

Die chemische Bindung

Atom-, Molekül- und Festkörperphysik

Leiter, Halbleiter, Isolatoren

Grundlagen der Rechnerarchitektur

Freie Elektronen bilden ein Elektronengas. Feste positive Aluminiumionen. Abb. 1.1: Metallbindung: Feste Atomrümpfe und freie Valenzelektronen

Die Potentialbarriere. Bardeen - Shockley - Brattain (Bell Labs.)

4. Dioden Der pn-übergang

Elektrizitätslehre 3.

= e kt. 2. Halbleiter-Bauelemente. 2.1 Reine und dotierte Halbleiter 2.2 der pn-übergang 2.3 Die Diode 2.4 Schaltungen mit Dioden

12. Vorlesung. Logix Schaltungsanalyse Elektrische Schaltelemente Logikschaltungen Diode Transistor Multiplexer Aufbau Schaltungsrealisierung

Halbleiter, Dioden. wyrs, Halbleiter, 1

FAKULTÄT FÜR ELEKTROTECHNIK UND INFORMATIONSTECHNIK

Mikroprozessor - und Chiptechnologie

Halbleiter und Nanostrukturen - Fragen zum Bipolartransistor, Praktikum, Prof. Förster

UniversitätQ Osnabrück Fachbereich Physik Dr. W. Bodenberger

11. Elektronen im Festkörper

Grundlagen der Datenverarbeitung

Transistorkennlinien 1 (TRA 1)

Medizinische Biophysik

8. Halbleiter-Bauelemente


14. November Silizium-Solarzelle. Gruppe 36. Simon Honc Christian Hütter

Halbleitergrundlagen

Grundtypen der Bindung. Grundtypen chemischer Bindung. Oktettregel. A.8.1. Atombindung

11. Elektronen im Festkörper

Festkörperelektronik 2008 Übungsblatt 5

Chemische Bindungen Atombindung

Welche Zustände sind denn eigentlich besetzt?

3. Halbleiter und Elektronik

Abb. 1 Solarzellen PHOTOVOLTAIK. Stefan Hartmann

Elektrische Leistung und Joulesche Wärme

Werkstoffe der Elektrotechnik im Studiengang Elektrotechnik

Einführung in die Physik II für Studierende der Naturwissenschaften und Zahnheilkunde. Sommersemester 2007

Elektrizitätsleitung in Halbleitern

Elektronische Bauelemente

Transistorkennlinien 1 (TRA 1) Gruppe 8

Halbleiter und Transistoren - Prinzip und Funktionsweise

Norbert Koch. Polymer gegen Silizium: Wer wird in der Elektronik gewinnen?

h-bestimmung mit LEDs

Medizinische Biophysik

Physik der Halbleiterbauelemente

Transistorgrundschaltungen

Struktur von Festkörpern

Spezifischer Widerstand fester Körper. Leiter Halbleiter Isolatoren. Kupferoxid

Originaldokument enthält an dieser Stelle eine Grafik! Original document contains a graphic at this position!

Anorganische Chemie III

Detektoren in der Kern- und Teilchenphysik Szintillationsdetektoren Ionisationsdetektoren Halbleiterdetektoren

2.4 Metallische Bindung und Metallkristalle. Unterteilung in Metalle, Halbmetalle, Nicht metalle. Li Be B C N O F. Na Mg Al Si P S Cl

PeP Physik erfahren im Forschungs-Praktikum. Das Spektrum Spektrometrie Kontinuumstrahler Das Bohrsche Atommodell Linienstrahler Halbleiterelemente

Leistungsbauelemente

22. Chemische Bindungen

Festkörperelektronik 2008 Übungsblatt 6

Gleichstromtechnik. Vorlesung 3: Ladung und elektrischer Strom. Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Manfred Strohrmann

E 2 Temperaturabhängigkeit elektrischer Widerstände

6/2 Halbleiter Ganz wichtige Bauteile

Moderne Physik: Elemente der Festkörperphysik Wintersemester 2010/11 Übungsblatt 5 für den

5. Halbleiter und P-N-Übergang

Die Potentialbarriere. Bardeen - Shockley - Brattain (Bell Labs.)

Analoge und digitale Signale

Physikalisches Praktikum II Bachelor Physikalische Technik: Lasertechnik Prof. Dr. H.-Ch. Mertins, MSc. M. Gilbert

Einfaches Halbleitermodell

6. Die Chemische Bindung

Atom-, Molekül- und Festkörperphysik

- + E A. N m. Wasser. Oberflächenspannung, oder spezifische Oberflächenenergie ( ): Stoff (J/m 2 )* c) Oberflächenspannung

Dioden und Transistorkennlinien

-Dioden- -Strom- und Spannungsmessung bei einer Halbleiterdiode-

Physik 4: Skalen und Strukturen

( ) ( ) ( ) Beginnend mit der größten Wellenlänge λ1= L sind auf Abb hierzu Beispiele gegeben.

Modul: Allgemeine Chemie

Strom und Spannungsmessung, Addition von Widerständen, Kirchhoffsche Regeln, Halbleiter, p-n-übergang, Dioden, fotovoltaischer Effekt

Atomaufbau. Elektronen e (-) Atomhülle

1. Neutronen zur Untersuchung von Festkoerpern

Elektrische Eigenschaften von Festkörpern

Medizinische Biophysik

Versuch 26: Kennlinien von Glühlampen, Z-Diode und Transistor

Funktionswerkstoffe. supraleitend. Halbleiter. Elektronische Eigenschaften - Einleitung

Inhalt der Vorlesung B2

HÖHERE PHYSIK SKRIPTUM VORLESUNGBLATT XI

Technische Grundlagen der Informatik

3 Halbleiter : pn-übergang, Solarzelle, Leuchtdiode. 3.1 Allgemeines F 3.1

Leistungsbauelemente

Physik 4: Skalen und Strukturen

Transkript:

16 Festkörper 16.1 Arten der Festkörper 16.2 Kristalle 16.3 Bindungskräfte im Festkörper 16.3.1 Van der Waals-Bindung 16.3.2 Ionenbindung 16.3.3 Atombindung 16.3.4 Metallbindung 16.4 Vom Atom zum Festkörper 16.5 Nichtleiter (Isolatoren) 16.6 Metalle (Leiter) 16.7 Halbleiter 16.8 Transistoren

16.1 Arten der Festkörper Einteilung der Materie in drei Aggregatszustände: fest, flüssig, gasförmig Unterscheidung Festkörper behält seine Form Nachteil: Ungenaue Abgrenzung Beispiel: Ist Butter Festkörper oder Flüssigkeit Besser: Betrachte Aggregatszustände mikroskopisch Für Abstand d der einzelnen Atome gilt: d Festkörper << d Flüssigkeit << d Gas Man findet: (Ideale) Gase: Keine Wechselwirkung Flüssigkeit: E pot ca.= E kin Atome haben Nahordnung Festkörper: E pot >> E kin Atome sind (nahezu) ortsfest

Man unterscheidet: Amorphe Festkörper - Flüssigkeit kühlt schnell ab - Innere Energie schnell entzogen - Keine Ordnung neuer Strukturen - Momentaufnahme einer Flüssigkeit Eigenschaften - Kein scharfer Schmelzpunkt - Atomanordnung unregelmäßig - Phys. Eigenschaften isotrop Kristalline Festkörper - Flüssigkeit kühlt langsam ab - Innere Energie langsam entzogen - Ordnung zu regelmäßigen Strukturen (Kristall) - Wechselwirkung ist maximal (Fernordnung) Eigenschaften - Scharfer Schmelzpunkt - Atomanordnung regelmäßig - Phys. Eigenschaften (i.a.) anisotrop

16.2 Kristalle Dreidimensionale Strukturen (Elementarzellen) wiederholen sich in einem Festkörper (Gitter) Beispiele Art des Leiters Spez. Widerstand σ Temperaturkoeffizient α Ladungsträger -dichte Metall Kupfer (Cu) 2 x 10-8 Ω m 4 x 10 3 K -1 9 x 10 28 m -3 a = (1/s)(ds/dT) Halbleiter Silizium (Si) 3 x 10-3 Ω m -70 x 10 3 K -1 1 x 10 16 m -3

16.3 Bindungskräfte im Festkörper Ursache: Elektromagnetische Wechselwirkung aber: Makroskopisch unterschiedliche Formen Bindungsenergie ist Energie zur Abtrennung neutraler Atome bei 0 K Beispiel: Zur Abtrennung eines Silberatoms E = 2,97 ev

Beispiel: - Zwei identische Atome im Grundzustand - Weit voneinander entfernt Keine WW zwischen Atomen - Atome nähern sich an WW zwischen Atomen Frage: Art der WW? Zunächst Zunahme der Anziehungskäfte WW-Energie negativ Falls Atomabstand wenige Atomradien Abstoßungskräfte - Abstoßung der Kerne - Pauli Prinzip Falls Anziehung = Abstoßung E pot = minimal bei r 0

16.3.1 Van der Waals-Bindung Schwache Bindung Ursache für Bildung von Edelgaskristallen Frage: Woher elektrische Kraft? Es gilt: Elektronenhüllen der Edelgasatome kugelsymmetrisch Atome nach außen neutral Es wirken keine elektrischen Kräfte Edelgase können keine Festkörper bilden Sie tun s aber doch Erklärung: Bei T > 0 K bewegen sich Atomhüllen Asymmetrie der Ladungsverteilung Bildung eines schwachen Dipols Feld influenziert in benachbarten Atomen Dipolmoment Dipole richten sich so aus, dass sie sich gegenseitig anziehen Kräfte sehr klein, z.b. Bindungsenergie Krypton-Gitter 7,6 x 10-3 ev

16.3.2 Ionenbindung Zusammenhalt aus positiv und negativ geladnen Ionen Gerne: Elemente der 1. und 7. Hauptgruppe Beispiel: Natriumchlorid aus Na + Cl - Ionen

16.3.3 Atombindung (kovalente oder homöopolare Bindung) Prinzip: Gemeinsame Nutzung von Elektronen der Bindungspartner Beispiel: H:H = H 2 2 e - verbinden sich zu e - - Paar Beispiel: Kohlenstoff 1s 2 2s 2 2p 2 2-wertig Aber: Hybridisierung 2s 2p-Elektronen 4-wertig Ähnlich: Silizium, Germanium

16.3.4 Metallbindung Zusammenhalt des Gitters - elektrostatische WW zwischen Ionen freien Elektronen - homöopolare oder van der Waals Kräfte zwischen den Ionen (selten) Energiebänder Aufenthaltswahrscheinlichkeit jedes Bindungs- Elektrons auf gesamte Kristall verteilt WW der e - der N Atome wechselwirkt mit Entsprechenden Zuständen aller Atome Es kommt zur N-fachen Aufspaltung der Energiewerte Es bildet sich Band von eng benachbarten Energieniveaus Doris Samm Der Atomkern FH Aachen

16.4 Vom Atom zum Festkörper Im Atom Elektronen in Energieniveaus Beispiel Silber (Ag): 29 e - verteilen sich auf 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 Annäherung zwei Ag-Atome Ag-Atome bilden ein einzelnes zweiatomiges System Für 2 x 29 e - = 58 e - gilt Pauliprinzip 58 Quantenzustände Jedes Energieniveau der Einzelatome spaltet in zwei Niveaus auf Bei Festkörper ca. 10 24 Atome Eng beieinanderliegende Energieniveaus = Energiebänder

16.5 Nichtleiter (Isolator) Freie Niveaus Energielücke groß Höchste besetzte Niveau = obere Kante des Bandes Elektrischer Strom, falls E kin wächst = Wechseln in höheres Niveau - Höchste besetze Band ist voll - Pauli-Prinzip verhindert WW von e - in bereits besetze Niveaus Nichtleiter Beispiel: Diamant E L = 5,6 ev = 140fache der mittleren thermischen Energie (ζ = 20 o C) guter Isolator

16.6 Metalle (Leiter) T = 0 K Höchste besetzte Niveau = Mitte des Bandes Höchste besetzte Niveau = Fermi Niveau (T = 0 K) Höchste besetzte Energie = Fermi-Energie E F Elektrischer Strom, falls E kin wächst = Wechseln in höheres Niveau - Höchste besetze Band ist halb voll - Wechsel in höheres Niveau leicht möglich Leiter Beispiel: Kupfer E F = 7,0 ev, v F = 1,6 x 10 6 m/s = Fermigeschwindigkeit (bei T = 0 K!)

Leitfähigkeit T > 0 K Temperatur kaum Einfluss auf Elektronenverteilung im Energieband Nur Elektronen nahe der Fermi-Energie können durch thermische Energie in höhere Niveaus angeregt werden Beispiel: T = 1000 K mittlere (thermische) Energie = kt = 0,086 ev = zu klein Zahl der Quantenzustände (bestimmt elektrische Leitfähigkeit) Zustandsdichte = Zahl der Zustände pro Volumen und Energieintervall N(E) = 8 x 2 1/2 π m 3/2 E 1/2 h 3

Besetzungswahrscheinlichkeit T = 0 K Niveaus mit Energie < Fermi-Energie = besetzt P(E) = 1 Niveaus mit Energie > Fermi-Energie = unbesetzt P(E) = 0 T > 0 K P (E) = (Berechnung mit Fermi-Dirac-Statistik) 1 e (E E F ) / kt + 1 Für E = E F gilt P(E) = 0,5 Die Fermi-Energie eines Materials ist die Energie des Quantenzustands dessen Besetzungswahrscheinlichkeit gleich 0,5 ist.

Zahl der besetzten Zustände Für Dichte N 0 (E) der besetzten Zustände gilt N 0 (E) = N(E) P(E) Beispiel Kupfer

16.7 Halbleiter Bänderstruktur eines Halbleiters = Bänderstruktur eines Nichtleiters Aber E L (Isolator) >> E L (Halbleiter) Beispiel: E L(Silizium) E L(Diamant) = 1,1 ev (Halbleiter) = 5,5 ev (Isolator) T > 0 K (bei Halbleiter) e - = _ ins Leitungsband Im Valenzband bilden sich Löcher + _ + Beide tragen zur elektrischen Leitung bei!

Intrinsischer Halbleiter = reiner Halbleiter n = p n = Dichte p = Dichte _ + 2-dimensionales Si-Gitter Jedes Si-Atom kovalente Bindung mir 4 nächsten Nachbarn Extrinsische Halbleiter = Dotierte Halbleiter n >> p = n-dotiert p >> n = p-dotiert Phosphor (P) = Donator (von Elektronen) Bohr (B) = Akzeptor (von Elektronen 4-wertiges Si-Atom durch 5-wertiges P-Atom ersetzt 4-wertiges Si-Atom durch 3-wertiges B-Atom ersetzt

n-dotiert Donator- Niveaus Minoritätsladungsträger Majoritätsladungsträger Energieniveaus Donatorelektronen gibt Elektronen ab p-dotiert Akzeptor- Niveaus Majoritätsladungsträger Minoritätsladungsträger Energieniveaus Akzeptorelektronen nimmt Elektronen auf

n-dotiert Donator- Niveaus gibt Elektronen ab Majoritätsladungsträger Energieniveaus Donatorelektronen Minoritätsladungsträger

p-dotiert Akzeptor- Niveaus nimmt Elektronen auf Majoritätsladungsträger Minoritätsladungsträger Energieniveaus Akzeptorelektronen

pn-übergang (ohne äußere Spannung) Majoritätsladungsträger _ + I Diff Diffusionsstrom Raumladungszone = Sperrschicht = frei von beweglichen Ladungsträgern Kontaktspannung

pn-übergang (ohne äußere Spannung) Minoritätsladungsträger Resultat _ + I Feld I ges = 0

pn-übergang Positive Pol der Batterie mit p Durchlassrichtung (mit äußerer Spannung) p-seite wird noch positiver n-seite wird noch negativer Diffusionsstrom nimmt zu Es fließt Strom I D Negative Pol der Batterie mit p Sperrichtung Der Diffusionstrom nimmt ab Die Raumladungszone wird größer Der Widerstand wird größer

Ohne äußere Spannung Mit äußerer Spannung E E

pn-übergang als Halbleiter-Gleichrichter p-dotiertes Ende Durchlassrichtung Sperrichtung

Lumineszenzdiode (LED) (light emittiting diode) _ + dem n-dotierten Material zugeführt dem p-dotierten Material zugeführt Bei Rekombination von Elektron mit Loch Freisetzung von Energie (Licht) Sperrzone Photodiode / Solarzelle Einfallendes Licht Licht trifft auf pn-übergang Elektron Loch-Paare werden getrennt Es fließt ein Strom I R p n

16.8 Transistor Transistor: elektronisches Bauelement zum Schalten und Verstärken elektrischer Signale Anwendung in: Nachrichtentechnik, Leistungselektronik, Computersystemen Integrierte Schaltkreise Typen von Transistoren z.b.: Bipolartransistor und Feldeffekttransistor Bipolartransistor Sowohl negative als auch positive Ladungsträger tragen zum Ladungstransport bei Man unterscheidet Aufbau nach Dotierungsfolge pnp (positiv-negativ-positiv) bzw. npn (negativ-positiv-negativ) Transistor

Bipolartransistor wird durch elektrischen Strom angesteuert. Die Anschlüsse heißen B C E B: Basis E: Emitter C: Kollektor B C E Pfeilrichtung ist immer in Richtung der n-dotierung. Pfeil gibt Stromrichtung an Transistoren für unterschiedliche Polaritäten der Spannungen. Emitter sehr viel stärker dotiert als Kollektor und Basis

Prinzip am Beispiel pnp Transistor Emitter Basis Kollektor p n p Sperrrichtung Es fließt kein Strom Emitter Basis + _ U K Kollektor I E p n p Durchlassrichtung Es fließt Strom I E + _ U E

Emitter Basis Kollektor p n p + _ Angelegte Spannung U K verkleinert Basis-Emitter-Schicht vergrößert Basis-Kollektor-Schicht Es fließt kein Strom (kleiner Sperrstrom) U K Emitter Basis Kollektor Durch Strom I B zwischen Basis und Emitter wird ein stärkerer Strom zwischen Emitter und Kollektor I K gesteuert I E + _ I B + _ I K U E U K

16 Festkörper Physik für E-Techniker Transistor als Schalter Licht auf Photodiode - Licht ein - Alarmanlage ein - etc. Finger auf XY - Licht an - Tür auf - Touchscreen