Physik Klasse 10
Wie wir gesehen haben, leiten einige Werkstoffe Strom, andere nicht. Man unterteilt sie deshalb in Leiter und Nichtleiter. Davon abgesehen gibt es noch die sogenanneten Halbleiter. In diesem Beitrag werde ich Widerstandsmessung bei erwärmten Leitern, Isolatoren und Halbleitern vorstellen. Außerdem widme ich mich der Frage: Wie funktioniert die elektrische Leitung in Halbleitern? Dann werde ich mit einfachen Worten erklären, wie man Halbleiter dotiert und was n-Dotierung und p-Dotierung ist. Und schließlich: Wie verhalten sich dotierte Halbleiter in einem Stromkreis?
Widerstandsmessung bei Leitern, Isolatoren und Halbleitern
Versuch
Wir bestimmen den Widerstand jeweils eines Leiters, Isolators und Halbleiters indem wir den Strom bzw. die Spannung messen.
Zum Beispiel können wir folgende Materialien einsetzen:
1. Leiter: Wendel aus 1 m Eisendraht
2. Isolator: Glasstab
3. Halbleiter: Heißleiter (NTC 6,8k )
Dazu können wir folgende Messschaltung benutzen:
Hier eine Tabelle mit der Einteilung der Materialien in Leiter, Isolatoren und Halbleiter:
Leiter:
Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Platin, Eisen …
Isolatoren:
Glas, Keramik, Glimmer, Hartgummi, Quarz …
Halbleiter:
Silizium, Germanium, Selen, Kupferoxid, …
Widerstandsmessung bei erwärmten Leitern, Isolatoren und Halbleitern
Versuch
Anschließend messen wir den Widerstand nachdem wir die gleichen Materialien erwärmt haben.
1. Eisendraht mit Bunsenbrenner
2. Glasstab mit Bunsenbrenner
3. Halbleiter mit der Hand (NTC 6,8 k)
Beobachtung:
Wird ein Leiter erwärmt, so steigt sein elektrischer Widerstand minimal. Das liegt daran, dass die Kristallgitterschwingungen zunehmen, denn sie sind ein Hindernis für die Elektronen.
Der Widerstand bleibt bei erwärmten Isolatoren unverändert.
Wird ein Halbleiter erwärmt, so sinkt sein Widerstand allerdings sehr stark.
Warum nimmt der Halbleiterwiderstand bei Erwärmung ab?
Dazu schauen wir und den Aufbau eines Silizium- Kristalls einmal genauer an:
Wie funktioniert die elektrische Leitung in Halbleitern?
Bei tiefen Temperaturen (0 Grad Kelvin) gibt es im Gegensatz zum Metall keine frei beweglichen Elektronen. Die Elektronen der äußeren Atomschale (Valenzelektronen) sitzen dann paarweise zwischen den Atomen fest. Dies nennt man Elektronenpaarbindung.
Bei Zimmertemperatur (300K) schwingen die Atome allerdings um ihre Ruhelage. Dabei kann sich hin und wieder ein Elektron befreien. Es ist dann im Kristall frei beweglich. Dort, wo das Elektron fehlt, entsteht eine Elektronenlücke, ein sogenanntes Loch. Dies nennt man Defektelektron und es ist positiv geladen. Löcher können von benachbarten Elektronen aufgefüllt werden, das bedeutet, auch die positiv geladenen Löcher können durch den Kristall wandern.
Dies kann die Lehrerin mit Hilfe Münzen auf dem Projektorn demonstrieren.
Definition Eigenleitung eines Halbleiters
Unter der Wirkung einer Spannung wandern die Elektronen zum Pluspol. Die Löcher bewegen sich dadurch zum Minuspol, weil gebundene Elektronen nachrücken. Diese Art der Leitfähigkeit eines Halbleiters nennen wir Eigenleitung.
Merke
In Halbleitern gibt es zwei Arten von beweglichen Ladungsträgern:
Elektronenlöcher, diese sind positiv und Elektronen, die negativ sind.
Zusammenfassung
Halbleitermaterial leitet bei 0 Grad Kelvin nicht. Bei höheren Temperaturen entstehen in Halbleitern durch thermische Bewegung der Atome allerdings bewegliche Elektronen und Löcher. Diese machen den Kristall leitend, und zwar um so besser, je höher die Temperatur ist. Liegt Spannung an einem Halbleiter, dann bewegen sich die Löcher in Richtung Minuspol, die Elektronen in Richtung Pluspol.
Dotierte Halbleiter einfach erklärt
n-Dotierung
Man kann die Zahl der freien Elektronen in einem Halbleiterkristall künstlich erhöhen.
Definition dotieren:
Hierzu ersetzt man im reinen Kristall etwa jedes millionste SI- oder GE Atom durch ein neutrales Phosphor(P) oder Arsenatom (As). Dies nennt man dotieren.
As bzw. Ph- Atome haben etwa die gleiche Größe wie die Halbleiteratome, daher passen sie gut in das Kristallgefüge.
Diese Atome haben ein äußeres Elektron und eine Kernladung mehr als das Grundmaterial SI oder GE. Sie lassen also den Kristall als Ganzes neutral.
Das zusätzliche fünfte Elektron kann sich aber an der Bindung zu den vier Nachbaratomen nicht mehr beteiligen. Deshalb ist es im Kristall frei beweglich. Es vagabundiert durch den Kristall. Jetzt liefert jedes 106 te Atom- und nicht wie im reinen Kristall nur jedes 1014 te ein freies Elektron für die Elektronenleitung. Die zurückbleibenden AS- oder PH- Atomrümpfe sind positiv geladen.
Ein n-dotierter Halbleiter heißt n-leitend. n-Leitung ist also Elektronenleitung. Die Löcher, die von der Eigenleitung herrühren werden durch die von der Dotierung stammenden Elektronen zugeschüttet. Bei n-Dotierung entstehen etwa 108 mehr feie Elektronen.
Unterschied zum Metall
Metalle geben eins bis zwei Elektronen je Atom frei. Der dotierte Halbleiter nur von jedem millionsten Atom eins. Die Ladungsträgerdichte im dotierten Halbleiter ist also wesentlich kleiner als im Metall. Es kann auch nicht beliebig hoch dotiert werden, da sich sonst die Kristalleigenschaft ändert. Das Verhältnis Ph zu Si darf maximal etwa 1:100000 entsprechen.
p-Dotierung
Man kann reine Ge und Si-Kristalle auch mit Aluminiumatome dotieren. Aluminiumatome haben eine Elektronen und eine Kernladung weniger als Si oder Ge.
Also fehlt zunächst bei jedem AL-Atom ein Elektron in der Bindungsreihe. Deshalb holen sich die wenigen aus der Eigenleitung stammenden freien Elektronen einen Teil der Aluminiumatome und wiren zu ortsfestem AL-Ionen.
Es gibt somit fast keine freien Elektronen mehr. Die so erzeugten Elektronenlücken ziehen sehr leicht Bindungselektronen aus der Umgebung an.
Die so entstandenen Löcher in den Bindungen werden wiederum von benachbarten Bindungselektronen gefüllt. Das heißt Löcher vagabundieren in einem p-dotierten Halbleiter umher. Mit anderen Worten: p-Leitung ist Löcherleitung.
Wie verhalten sich dotierte Halbleiter in einem Stromkreis?
n-dotierte Halbleiter
Der n-dotierte Halbleiter verhält sich ähnlich wie ein leitendes Metall. Auf der negativen Seite dringen vom Metalldraht Elektronen in den Halbleiter ein. Auf der positiven Seite werden dagegen Elektronen aus dem Halbleiter in den Draht abgesaugt. Deshalb fließt ein Elektronenstrom.
Dazu eine Zeichnung:
p-dotierte Halbleiter
Auf der negativen Seite dringen vom Metalldraht Elektronen in den Halbleiter ein. Sie besetzen am Rand des p-dotierten Halbleiters die Löcher in den Bindungen. Auf der positiven Seite dagegen werden Bindungslektronen aus dem Halbleiter in den Draht abgesaugt. Hier entstehen neue Löcher in den Bindungen. Innerhalb des Halbleiters hüpfen Valenzelektronen von Loch zu Loch durch den ganzen Kristall zum Pluspol hin. Das entspricht einer Wanderung der Löcher durch den Halbleiter vom Pluspol zum Minuspol der Spannungsquelle.
Zusammenfassung
Beim Dotieren eines Siliziumkristalls werden einige SI-Atome durch Atome mit 5 bzw. 3 Valenzelektronen ersetzt. Hier zu kann man zum Beispiel Ph, As oder Al nehmen. Beim Dotieren mit Ph oder As steht das zusätzliche Elektron als negativer beweglicher Ladungsträger zur Verfügung. Anders ausgedrückt: Der Halbleiter wird n-leitend. Dotiert man mit Al, so bilden sich an den Fehlstellen positive bewegliche Löcher. Mit anderen Worten: Der Halbleiter wird p-leitend.
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