Post on 23-Feb-2016
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Halbleiterelektronik
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Energieniveaus in Gasen
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Beugungsspektrum von Quecksilberdampf:
Hochdruck
Niederdruck
400 nm600700 500
Einzelne Energieniveaus in freien Atomen (Niederdruck-Spektrum) verbreitern,wenn die Atome auf einen geringeren Raum zusammengedrückt werden(Hochdruck-Spektrum).
Energieniveaus in kristallinen Festkörpern
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Ener
gie
Energetische Verteilung der 29 Elektronen
eines Kupferatoms aufverschiedene Teilschalen
Energiebänder
Energielücken
4p
3s
2p
2s
1s
4s
3d
3p
K
L
M
N
Boh
r´sc
he
Scha
len
Energetische Verteilung eines mehratomigen Systemsvon 3 29 = 87 Kupferatomen∙
Bändermodell für Nichtleiter und Metalle
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Das höchste besetzte Niveau befindetsich an der oberen Kante eines Bands;das nächsthöhere freie Niveau ist um eine vergleichsweise große Energielückedavon entfernt.
Nichtleiter Metall
Das höchste im Grundzustand besetzteNiveau befindet sich in der Mitte einesBands. Da innerhalb dieses Bandsweitere Niveaus unbesetzt sind, könnenElektronen in diesem Band ihre Niveausleicht wechseln und es kann ein Strom fließen.
gefüllte Niveaus = rot, leere Niveaus = grün
=> der Widerstand steigt mit der Temperatur
=> Strom fließt
Stromleitung im metallischen Leiter
Metalle mit guter Leitfähigkeit haben alle die gleichen Eigenschaftenhinsichtlich ihrer Elektronen:
Ein oder zwei Valenzelektronen lösen sich leicht vom Atom und diffundieren durch das Kristallgitter.
Wird Spannung angelegt, so erhält die Diffusion eine Vorzugsrichtung:
Je höher die Temperatur des Metalls, desto heftiger ist die thermischeEigenbewegung der Atome. Diese behindert die Diffusion in der Vorzugsrichtung:
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=>
Kaltleiter (PTC-Widerstand) - Heißleiter (NTC-Widerstand)
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T/°C
R/Ω
Alle Metalle sind .
Der Widerstand steigt(meist proportional)
zur Temperatur
Sinkt der Widerstand mit zunehmenderTemperatur, so sprechen wir von einemHeißleiter.
Heißleiter werden meist ausHalbleitermaterialien hergestellt.
υυSchaltzeichen:
Aber: Nicht alle Kaltleiter sind Metalle!
Kaltleiter
z. B.oder
T/°C
R/Ω
Anwendungsbeispiele
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NTC-Widerstand als BrandmelderPTC-Widerstand als Temperaturwächter
υ
υ
υ
Flüssigkeit, kälterals Umgebungsluft
υ
Relais
Hupe
Lampe brennt
Bändermodell für Halbleiter
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Leitungsband
Valenzband
Nichtleiter Halbleiter
Dotierte Halbleiter
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Der Halbleiterkristall ist aus einer regelmäßigen Folge von„Einheitszellen“ aufgebaut.
Diese erhält man, indem man den Kristall aus seiner Schmelze „zieht“.
Manchmal entstehen dabei Versetzungen undStrukturänderungen im Kristall.
Man kann solche „Störstellen“ provozieren, indem man der Schmelze eine kleine Mengeeines anderen Stoffes beimischt.
Dies nennt man dotieren.
n-dotierte Halbleiter
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(1) (2)
Die je ein Leitungselektrongebenden Fremdatome nennt man Donatoren.
EL ED
Leitungsband
Valenzband (3)
Das Energieniveau ED derLeitungselektronen liegtdicht unter dem Leitungsband. Þ Sie benötigen nur ganz wenig Energie um ins Leitungsband zu springen
Die Stromleitung in einem n-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch Elektronen.
p-dotierte Halbleiter
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(1)
EL
(2)
Die je ein Valenzelektronaufnehmenden Fremdatome nennt man Akzeptoren.
EA
Leitungsband
Valenzband (3)
Das Energieniveau EA desLeitungselektronen liegtdicht über dem Valenzband. Þ Die „freien Plätze“ der Akzeptoren sind für Elektronen aus dem Valenzband leicht erreichbar.
Die Stromleitung in einem p-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch „Löcherleitung“
pn-Übergang
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- - -
- - -
- - -
+ + +
+ + +
+ + +Löcher
freie Elektronenfest gebundene Atomrümpfe
+ + +
+ + +
+ + +
- - -
- - -
- - -
p-dotiert n-dotiert
p n
Ladungsausgleich / Rekombination
+ + +
+ + +
+ + +
- - -
- - -
- - -
vor Kontakt:
Kontakt:
nach Kontakt:
Diffusion von Löchern in die n-Schicht undvon Elektronen in die p-Schicht
Zwei elektrisch für sich neutrale Werkstoffe;einer p-dotiert, der andere n-dotiert
„Diffusionsstrom“
Ausbildung einer „Sperrschicht“; auch „Raumladungszone (RLZ)“ genannt
p n
Diode
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+ + +
+ + +
+ + +
- - -
- - -
- - -
+ + +
+ + +
+ + +
- - -
- - -
- - -
+ -
+-
p n
p n
Durchlassrichtung der Diode
Sperrrichtung der Diode
Ein Halbleiterbauelement mit kombinierter pn-Leitung wird als Diode bezeichnet.
Ein pn-Übergang wirkt als Gleichrichter, er lässt den Strom nur in eine Richtung fließen.
Löcherfreie Elektronen
Schaltzeichen:
Anode Kathode
p-Gebiet n-Gebiet
Elektronenstrom:
techn. Stromrichtung:
freie Elektronen
Löcher
Diodenkennlinie
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Durchlassbereich:Bei „kleiner“ Spannung sperrt dieDiode den Strom wegen der Ladungsträgerarmut in der RLZ.
Ab einem (bautypischen)Schwellenwert beginnt die Diode zu leiten, da die Ladungsträger nun genug Energie besitzen, um die Sperrschichtzu überwinden.
Sperrbereich: Bei Umpolung vergrößert sich die Sperrschicht.Ab einer bestimmten Sperrspannung UR werden die Elektronen aus ihren Kristallbindungen gelöst. Es kommt zum sog. Zenerdurchbruch.Dabei steigt der Strom schlagartig an. Wird dieser Strom nicht begrenzt,dann zerstört er die Diode.
I (mA)
U (V)
Bändermodell für eine Diode
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- - -
- - -
- - -
+ + +
+ + +
+ + +Löcher
freie Elektronenfest gebundene Atomrümpfe
p-dotiert n-dotiert
+ + +
+ + +
+ + +
- - -
- - -
- - -
Rekombination
vor Kontakt:
Kontakt:
Leitungsband
Valenzband
+ + +
+ + +
+ + +
- - -
- - -
- - -
nach Kontakt:
RLZRLZ
Energieschwelle =Schwellspannung ∙ e
Diodenschaltungen
U1 U2
I1 I2
Einweggleichrichtung:
I1
I2 U1
U2
Brückenschaltung:
U1
U1
U2
U2
(Vollgleichrichtung)
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Diodenschaltungen
U1 U2
I1 I2
Einweggleichrichter mit Kondensator:
I1
I2 U1
U2
Brückenschaltung mit Kondensator:
U1
U1
U2
U2
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p
Leuchtdioden
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Schaltzeichen:
Anode Kathode
n
+
-
Die in Durchlassrichtung angelegte Spannung bewirkt in der Sperrschicht die Rekombinationen von Elektronen undLöchern. Dabei wird Energie in Form von Licht frei.
Leuchten mit gleicher Lichtleistung im Vergleich
Leistung Lebens- Stück- Kosten* dauer preis 1000 h 50000 h
Glüh- 75 W 1000 h 1 € 14,50 € 725 €lampe
Energie- 15 W 8000 h 10 € 12,70 € 205 €sparlampe Leucht- 3 W 50000 h 70 € 70,50 € 97 €diode
* bei 0,18 € je kWh
Lichtabhängige Halbleiterelemente
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Fotodioden: Schaltzeichen:
Anode Kathode
Die Gehäuse von Fotodioden besitzen ein transparentes Fenster oder bestehen komplett aus transparentem Kunststoff.
Fotodioden zum Empfang infraroter Signale (z. B. Fernbedienung) besitzen einenTageslicht-Sperrfilter; sie sind z. B. in dunkel eingefärbtem Kunstharz vergossen.
Solarzelle
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+
-
RLZ+ + +
+ + +
+ + +
- - -
- - -
- - -RLZ
Stromfluß von Elektronen aus metallischer Trägerplatte über p-Schicht in n-Schicht,wobei die Lichtenergie die RLZ aufrecht erhält !
Transistor (npn)
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p
n
n
C
B
E
C
B
E
10 kΩ+
-4,5 V
4V/0,04A
n p n
Transistor als Schalter
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10 kΩ
+
-4,5 V
4V/0,04ALDR
Trifft Licht auf den LDR, so sinkt dessen Widerstand, es fällt an ihm eine geringere Spannung als vorher ab. Da die Gesamtspannung am Spannungsteiler gleich bleibt,muss nun am Potentiometer eine höhere Spannung als vor der Beleuchtung abfallen. Somit hat aber auch die Spannung zwischen Basis und Emitter zugenommen. Die Basis-Emitter-Diode wird leitend und es tritt der Transistor-Effekt ein.
(Lichtschranke)
Transistor als Schalter
4,5V
10 kΩ
1 kΩ
LDR
Relais
230 V
Dämmerungsschalter: Sinkt die Umgebungshelligkeit, wird der LDR hochohmig.Dadurch liegt positives Potential an der Basis des Transistorsund das Relais schließt den Laststromkreis.
Steuerstromkreis Laststromkreis
-+
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Darlington-Schaltung
Transistor als Verstärker
IC = Kollektorstrom / Arbeitsstrom
IB = Basisstrom / Steuerstrom
12210 Elektronen
110 Elektronen
111 Elektronen
1 Elektron
Darlington-Schaltung
Berührungsschalter:
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