Physikalische Grundlagen der Digitaltechnik

Elektrische Leitungsprozesse

Allgemeines

Ein elektrischer Leitungsvorgang ist eine gerichtete Bewegung von elektrischen Ladungsträgern. Voraussetzungen für den elektrischen Leitungsvorgang sind frei bewegliche Ladungsträger und ein elektrisches Feld bzw. eine elektrische Spannung.

Feste Stoffe kann entsprechend ihres elektrischen Widerstands einteilen in Leiter, Nichtleiter (Isolatoren) und Halbleiter.

Elektrische Leitung in Metallen

Metalle bestehen aus einem Gitter aus Metallionen. Zwischen den Ionen des Gitters befinden sich frei bewegliche Elektronen.

Legt man eine elektrische Spannung an, so wandern die Elektronen zum Pluspol. Dabei stoßen sie mit den Metallionen zusammen und werden immer wieder abgebremst. Dadurch entsteht der elektrische Widerstand in Metallen.

Wenn man Metalle erwärmt, bewegen sich die Metallionen stärker. Deshalb kommt es häufiger zu zusammenstößen. Der elektrische Widerstand steigt.

In der folgenden Animation wird der Prozess dargestellt:

https://chemiedidaktik.uni-wuppertal.de/fileadmin/Chemie/chemiedidaktik/files/html5_animations/rp-schmitz/stromleitung-loes-met-halbleiter/stromleitung-met-loes-halbleiter.htm

Elektrische Leitung in Halbleitern

Halbleiteratome haben vier Außenelektronen, die mit den Nachbaratomen jeweils feste Elektronenpaare bilden. Durch Energiezufuhr können sich einige Elektronen aus der Atombindung lösen und hinterlassen Löcher. Löcher und Elektonen wirken als frei bewegliche Ladungsträger. Damit ist elektrische Leitung möglich.

Wenn man Halbleiter erwärmt werden mehr Elektronen aus dem Atomgitter herausgelöst, dadurch steigt die Anzahl der freien Elektronen und der Löcher. Der elektrische Widerstand sinkt.

Dotierte Halbleiter

Wenn man in ein Silizium-Gitter Phosphoratome einbringt, dann entsteht n-dotiertes (negativ dotiertes) Silizium. Vier der fünf Außenelektronn des Phosphors gehen Bindungen mit den benachbarten Silizium-Atomen ein. Das fünfte Außenelektron kann keine Bindung eingehen und ist quasi frei. Dadurch entstehen zusätzliche Ladungsträger und der elektrische Widerstand des Siliziums sinkt.

Wenn man in ein Silizium-Gitter Boratome einbringt, dann entsteht p-dotiertes (positiv dotiertes) Silizium. Die drei Außenelektronen des Bors gehen Bindungen mit den benachbarten Siliziumatomen ein. Bei einem der benachbarten Siliziumatome einsteht dadurch eine Lücke, also Quasi ein Loch. Diese Löcher können als zusätzliche Ladungsträger aufgefasst werden und der elektrische Widerstand sinkt.

Aufgabe 1

Informiere dich nochmals unter https://www.leifiphysik.de/elektronik/einfuehrung-die-elektronik/grundwissen/eigenleitung-im-siliziumkristall über die Eigenleitung im Siliziumkristall. Schaue dir die dargestellten Animationen an!

Aufgabe 2

Informiere dich mit Hilfe des Internets über den Leitungsvorgang in Halbleitern. Erläutere die folgenden Begriffe:

Leitungselektron

Loch

NTC-Widerstand

Elektronenleitung

Löcherleitung

Eigenleitung

Erläutere, was mit dem elektrischen Widerstand von Metallen und Halbleitern bei Erwärmung passiert. Begründe!

Aufgabe 3

Informiere dich nochmals mit Hilfe der Seite https://www.leifiphysik.de/elektronik/einfuehrung-die-elektronik/grundwissen/dotierte-halbleiter über dotierte Halbleiter. Schaue dir die dargestellten Animationen an!

Erläutere jeweils mit eigenen Worten, was bei p-Leitung und bei n-Leitung passiert!

Halbleiterdioden

Eine Diode ist ein richtungsabhängiger Widerstand, d. h. der elektrische Strom wird nur in einer Richtung durchgelassen.

Funktionsweise

a)

Eine Diode setzt sich zusammen aus einem p- und einem n-dotierten Halbleiter.

b)

Elektronen der n-leitenden Schicht rekombinieren die Löcher der p-leitenden Schicht, eine Sperrschicht entsteht. Es bildet sich ein elektrisches Feld. Dieses Feld verhindert ein weiteres Rekombinieren.

c)

Es werden Elektronen und Löcher aus der Sperrschicht abgezogen. Die Sperrschicht verbreitert sich. Das elektrische Feld wird verstärkt.

d)

Der Minuspol überschwemmt die n-leitende Schicht mit Elektronen und presst sie in die Sperrschicht. Der Pluspol saugt Elektronen aus der p-leitenden Schicht ab. Ab einer Spannung von 0,7 V ist das elektrische Feld und damit die Sperrschicht aufgehoben, es kommt zum Stromfluss

Aufgabe 4

Schau dir das folgende Video zu Dioden an und beantworte die Fragen:

https://www.youtube.com/watch?v=kUZMBcbD49I

Welche Arten von Dioden gibt es ?

Was meint man, wenn man von Dioden spricht?

Was ist der Hauptverwendungszweck von Dioden?

Was ist die Anode? Was ist die Kathode?

Aufgabe 5

Informiere dich über die Kennlinie einer Diode! Im Spannungsbereich bis ca. 0,7 Volt ist bei der Siliziumdiode nahezu kein Stromfluss vorhanden. Wie ist das zu erklären?

Aufgabe 6

Informiere dich über Einweg- und Zweiwegleichrichtung! Erläutere die Funktionsweise der Einweg- und Zweiweggleichrichtung mit einer Diode!

Transistoren

Ähnlich wie eine Diode ist ein Transistor auch aus n- und p-leitenden Silizium. Wir unterscheiden zwischen npn- und pnp-Transistoren.