EF-P02 Halbleiter


Praktikumstag 02: Halbleiter

In der Physik der Oberstufe spielen elektronische Bauteile aus Halbleitern bei den Versuchsaufbauten oder Messgeräten eine wichtige Rolle. Am zweiten Praktikumstag sollen Sie die Theorie der Halbleiter wiederholen und elektronische Bauteile aus Halbleitern experimentell untersuchen.


01 Vorbereitung auf das Kolloquium

Stromleitung in Halbleitern

Arbeiten Sie das folgende Dokument auf Leifi-Physik durch: Einführung in die Elektronik.

Für das Kolloquium sollten Sie folgende Fragen beantworten können:

  • Warum ist ein Halbleiter bei tiefen Temperaturen ein Isolator?
  • Warum benötigt man eine Mindesttemperatur, damit ein Halbleiter leitfähig wird?
  • Erklären Sie, warum bei steigender Temperatur die Leitfähigkeit eines Halbleiters verbessert wird.
  • Wie unterscheidet sich die Elektronenleitung in Metallen von der Eigenleitung in Halbleitern?
  • Was versteht man unter dem Begriff Rekombination in einem eigenleitenden Halbleiterkristall?
  • Erklären Sie die Begriffe n-dotierter Halbleiter und p-dotierter Halbleiter.
  • Warum dotiert man Halbleiter mit Fremdatomen?
  • Erläutern Sie, warum der Widerstand eines dotierten Halbleiters bei gleichen Rahmenbedingungen (angelegte Spannung, Querschnitt, Temperatur,...) deutlich kleiner ist, als der eines undotierten Halbleiters.

Aufbau und Funktionsweise einer Diode/Leuchtdiode (LED)

Arbeiten Sie das folgende Dokument auf Leifi-Physik durch: Halbleiterdiode.

Für das Kolloquium sollten Sie folgende Fragen beantworten können:

  • Wie ist eine Diode aufgebaut?
  • Was versteht man unter der Durchlassrichtung einer Diode, was versteht man unter der Sperrrichtung einer Diode?
  • Wie schliesst man eine Diode in Durchlass- bzw. Sperrrichtung an eine Spannungsquelle an?
  • Zeichnen Sie das Schaltsymbol einer Diode. Warum ist der Pfeil im Schaltsymbol einer Diode anscheinend falsch herum gezeichnet?
  • Was versteht man unter einer stromrichtigen bzw. spannungsrichtigen Messung?
  • Warum sendet eine LED, wenn sie in Durchlassrichtung geschaltet wird, Licht aus?

Experiment 01: Thermischer Widerstand (NTC)

Ein Heißleiter ist ein temperaturabhängiger Halbleiterwiderstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (NTC = Negativ Temperatur Coefficient). Bei seiner Nenntemperatur hat ein NTC seinen Grundwiderstand z.B. \(R_{25}\) (= Widerstand bei 25°C). Bei steigender Temperatur werden die Gitterschwingungen im Halbleiterkristall heftiger, so dass mehr Elektronen/Loch-Paare getrennt werden und mehr freie Elektronen für die Stromleitung zur Verfügung stehen.

Experiment E01:

E01.01: Schließen Sie den vorliegenden NTC-Widerstand an die Spannungsquelle an. Bestimmen Sie seine U-I-Kennlinie (U = Spannung, I = Stromstärke), indem Sie die Spannung zwischen 0 und 15 V variieren, jeweils die Stromstärke messen und die Messdaten in ein geeignetes U-I-Diagramm eintragen. Ist der NTC-Widerstand ein ohmscher Widerstand?

E01.02: Stellen Sie am Netzgerät eine Spannung von 5 V ein. Erwärmen Sie den NTC mit den Fingern und messen Sie die Stromstärke am NTC. Erklären Sie physikalisch ihre Beobachtung.


Experiment 02: Fotowiderstand (LDR)

Ein Fotowiderstand ist ein lichtabhängiger Halbleiterwiderstand (LDR = Light Dependent Resistor). In einer dunklen Umgebung hat er seinen Grundwiderstand. Bei zunehmendem Lichteinfall kann das einfallende Licht Elektronen/Loch-Paare auftrennen, so dass mehr freie Elektronen für die Stromleitung zur Verfügung stehen.

Experiment E02:

E02.01: Schließen Sie den vorliegenden LDR-Widerstand an die Spannungsquelle an. Bestimmen Sie seine U-I-Kennlinie (U = Spannung, I = Stromstärke), indem Sie die Spannung zwischen 0 und 15 V variieren, jeweils die Stromstärke messen und die Messdaten in ein geeignetes U-I-Diagramm eintragen.

E02.02: Stellen Sie am Netzgerät eine Spannung von 5 V ein. Beleuchten Sie den LDR mit einer regelbaren Handy-Lichtquelle. Suchen Sie dazu eine geeignete App, mit welcher Sie die Helligkeit regeln können. Messen Sie während Sie die Helligkeit verändern die Stromstärke am LDR. Erklären Sie physikalisch ihre Beobachtung.


Experiment 03: Diode als elektrisches Ventil

Werden ein n-dotierter Halbleiter und ein p-dotierter Halbleiter in Kontakt gebracht, dann beginnen Elektronen des n-Halbleiters, die im n-Halbleiter kein Bindungsloch gefunden haben, mit freien Löchern des p-Halbleiters zu rekombinieren. Das tun sie spontan, da ein Elektron/Loch-Paar weniger Energie besitzt, als ein freies Elektron und ein unbesetztes Loch zusammen. Es entsteht ein p-n-Übergang.

Die Folge solcher spontanen Elektron/Loch-Rekombinationen ist, dass Elektronen vom n-Halbleiter in den p-Halbleiter fließen. Dadurch bildet sich im p-Halbleiter ein Elektronenüberschuss und im n-Halbleiter ein Elektronenmangel. Es entsteht ein elektrisches Feld mit Minuspol im p-Halbleiter und Pluspol im n-Halbleiter. Nach kurzer Zeit ist das elektrische Feld so stark geworden, dass keine weiteren Elektronen vom n-Halbleiter in den p-Halbleiter fließen können, da sie vom n-Halbleiter abgestoßen und vom p-Halbleiter angezogen werden.

Schließt man den Pluspol des Netzgeräts an den n-Halbleiter an, dann werden freie Elektronen vom Pluspol angezogen und die Anzahl verfügbarer freier Elektronen in der Diode verringert sich (Sperrrichtung).

Schließt man den Minuspol an den n-Halbleiter an, dann werden die freien Elektronen des n-Halbleiters in Richtung p-Halbleiter abgestoßen, weswegen weitere Elektronen aus dem Netzgerät in den n-Halbleiter fließen können. Damit vergrößert sich die Anzahl freier Elektronen in der Diode (Durchlassrichtung).

Experiment E03:

E03.01: Schließen Sie die Diode und eine Glühbirne in Reihe geschaltet an die Gleichspannungquelle (U < 3 V) an. Untersuchen Sie, wie die Polung des Netzgeräts gerichtet sein muss, damit die Glühbirne leuchtet. Vergleichen Sie Ihre Beobachtung mit der Theorie.

E03.02: Entfernen Sie die Glühbirne aus dem Stromkreis. Nehmen Sie die U-I-Kennlinie der Diode in Sperr- und in Durchlassrichtung im Bereich zwischen 0 und 3 V auf.


Experiment 04: Dioden als Lichtquelle

Wenn freie Elektronen und Löcher in einer Diode rekombinieren, wird Energie frei, da die Elektron-Loch-Bindung energieärmer ist, als die Summe der Energie eines freien Elektrons und einer Bindungsstelle. Die frei werdende Energie wird als Licht (Photon) ausgesendet. In einer normalen Diode wird dieses Licht vom umgebenden Material aufgenommen (absorbiert), wodurch sich die Diode erwärmt. Baut man das umgebende Material aus z.B. durchsichtigem Kunststoff, kann das Licht die Diode verlassen und die Diode beginnt zu leuchten. Man hat eine LED, also eine lichtaussende Diode (Light Emitting Diode).

Experiment E04:

E04.01: Schließen Sie eine LED an die Gleichspannungquelle (U < 3 V) an. Untersuchen Sie, wie die Polung des Netzgeräts gerichtet sein muss, damit die LED leuchtet. Welcher Anschluss (lang/kurz) muss an welchen Pol angeschlossen werden?

E04.02: Nehmen Sie für eine blaue, rote, gelbe und grüne LED die U-I-Kennlinie im Bereich zwischen 0 und 3 V auf. Zeichnen Sie die Kennlinien in ein gemeinsames Diagramm. Notieren Sie, bei welcher Spannung die LED jeweils zu leuchten beginnt.

E04.03: Berechnen Sie, welchen Widerstand Sie in den Stromkreis einbauen müssten, damit Sie eine Diode bei 6 V betreiben können, wenn nur 2 V Betriebsspannung erlaubt ist, ohne dass die LED beschädigt wird. Wenn Sie den Widerstand berechnet haben, bauen Sie die Schaltung mit dem Widerstand und der LED in Reihenschaltung auf. Schließen Sie dann das Netzgerät mit 6 V Wechselspannung an. Was beobachten Sie? Erklären Sie die Beobachtung!


Eine Anleitung, wie Sie die Schaubilder für Ihr Protokoll mit Hilfe von Geogebra erzeugen können finden Sie im Kapitel: Erstellen von Schaubildern.


Erstellen Sie mit einem Textverarbeitungsprogramm Ihrer Wahl das Praktikumsprotokoll. Erzeugen Sie mit Hilfe von Geogebra die Schaubilder und fügen Sie die exportierten Grafiken in Ihr Protokoll ein. Benennen Sie die Datei in der Form: kursnummer-p02-nachname1-nachname2-...-protokoll.odt/docx/.... Lassen Sie das Dokument in der vereinbarten Weise ihrer Lehrkraft zukommen. Falls Sie das Protokoll per Hand schreiben wollen, fügen Sie das eingescannte/fotografierte Protokoll in die Datei ein (5 CP).