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Elektronik |
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Setzt man die Worte "Elektron" und "Technik" zusammen, so entsteht ein neuer Begriff, die "Elektronik", die die Erkenntnisse aus der Elektrizitätslehre, einem Teilgebiet der Physik nutzt, um technische Anwendungen zu realisieren. Smartphones, Netbooks, Navis, Router und Server sind alltägliche elektronische Geräte. Doch womit hat die Geschichte der Elektronik angefangen und was sind die Meilensteine? Insbesondere die Halbleitertechnik hat die elektronischen Entwicklungen voran gebracht und soll im Folgenden genauer betrachtet werden.
Leitungsvorgänge und BändermodellAlle Materialien lassen sich durch ihre Fähigkeit, den elektrischen Strom zu leiten, unterscheiden. Die sogenannte elektrische Leitfähigkeit hängt dabei von der Anzahl und Dichte der beweglichen Ladungsträger ab: Je mehr bewegliche Ladungsträger in einem Material vorhanden sind, desto besser leitet es den elektrischen Strom. In der Realität hat jedes Material eine gewisse Leitfähigkeit, allerdings auch manchmal eine so geringe, dass die elektrischen Ströme vernachlässigt werden können. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit von der Temperatur abhängig. Mit Hilfe des Bändermodells, das die Energiezustände von Elektronen in einem Festkörper beschreibt, kann man die Leitfähigkeit unterschiedlicher Stoffe anschaulich beschreiben. Dabei unterscheidet man zwischen dem Valenzband, einem Energieband, bei dem die Elektronen noch festen einzelnen Atomen zugeordnet werden können. Durch ihren großen Abstand zum Atomkern sind diese Elektronen für mögliche chemische Bindungen verantwortlich. Energiereichere Elektronen befinden sich im Leitungsband. Sie sind also keinem Atomkern im Gitter mehr fest zugeordnet und können sich frei durch das Atomgitter bewegen.
Drei große Gruppen an Stoffen lassen sich aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit unterteilen. Im Bändermodell lässt sich diese Unterteilung durch die gegenseitige Anordnung von Valenz- und Leitungsband veranschaulichen:
| Leiter | Halbleiter | Isolatoren |
| Metalle | Silizium, Germanium, etc. | Keramik, Kohlenwasserstoffe, etc. |
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| Valenz- und Leitungsband überschneiden sich, sodass das Leitungsband ohne äußere Energiezufür ständig mit Elektronen besetzt ist. Diese Elektronen sind im Leitungsband frei beweglich. Legt man eine Spannung an, so fließt Strom. | Valenz- und Leitungsband überschneiden sich nicht mehr sondern sind durch eine geringe Bandlücke getrennt. Durch äußere Energiezufuhr, etwa durch Erhitzen, können Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband übergehen. Dadurch wird das Material leitend. | Valenz- und Leitungsband sind durch eine größere Bandlücke getrennt. Das Leitungsband ist weitgehend unbesetzt. Nur bei sehr hohen Temperaturen oder sehr großen Spannungen können einzelne Elektronen die Bandlücke überwinden. |
Wie der Name "Halbleiter" bereits andeutet vereinen diese Materialien sowohl die Eigenschaften eines Leiters als auch die Eigenschaften eines Isolators (Nichtleiters). Dieser scheinbare Widerspruch kann dadurch aufgelöst werden, dass bei Halbleitern von außen bestimmt werden kann, ob die Eigenschaften eines Leiters oder eines Nichtleiteres überwiegen.
Silizium ist eines der wichtigsten Halbleitermaterialien. Die Siliziumatome bilden bei chemischer Reinheit einen dreidimensionalen Kristall. Dabei werden die Elektronen der äußeren Atomschale, die sogenannten Valenzelektronen paarweise von zwei Atomrümpfen „geteilt“ und sitzen dann zwischen den Atomen im Gitter. Diese Art der Bindung wird Elektronenpaarbindung genannt. Insgesamt ist der Kristall elektrisch neutral. Bei niedrigen Temperaturen sind die Elektronen fest an ihre Atome gebunden, das Valenzband ist also voll besetzt und das Leitungsband ist in diesem Fall unbesetzt.
Wird jedoch durch Energiezufuhr – etwa durch Erhitzen oder durch Lichteinstrahlung – die innere Energie des Halbleitermaterials ausreichend erhöht, so kann es vorkommen, dass sich einzelne Valenzelektronen aus ihren Bindungen lösen und sich dann frei im Kristallgitter bewegen. Diese so entstandenen freien Ladungsträger im Leitungsband bilden eine Elektronengas und stehen dann für elektrische Leitungsvorgänge zur Verfügung. Dort, wo Elektronen fehlen, entstehen Elektronenlücken, sogenannte Löcher. Diese sind positiv geladen. Die Zahl der Löcher stimmt mit der Zahl der freien Elektronen im Leitungsband überein, insgesamt ist der Kristall weiterhin elektrisch neutral. Mit steigender Energiezufuhr (z. B. höhere Temperatur) nimmt die Zahl der Elektronen-Loch-Paare zu, der Halbleiter wird zunehmend leitfähiger.
Legt man nun eine äußere Spannung an den Halbleiter an, so wandern die freien Elektronen des Leitungsbandes aufgrund der Anziehung zwischen Ladungen in Richtung Pluspol. Außerdem kann es vorkommen, dass ein Valenzelektron ein positives Loch auffüllt. Füllt ein Elektron ein Loch auf, so spricht man von Rekombination.
Durch das Ausfüllen eines Lochs durch ein Valenzelektron entsteht aber wiederum an einer anderen Stelle ein positives Loch. Durch dieses Nachrücken von gebundenen Elektronen wandern Löcher langsam in Richtung Minuspol. Der Leitungsvorgang wird also insgesamt durch zwei Teilprozesse bestimmt: Die negative Elektronenleitung bewegt freie Elektronen in Richtung Pluspol und die positive Löcherleitung bewegt positive Löcher in Richtung Minuspol. Diese Art der Leitfähigkeit in Halbleitern nennt man Eigenleitung. Sie unterscheidet sich wesentlich von der elektrischen Leitung in Metallen und ist viel geringer. Bei Zimmertemperatur etwa entsteht nur bei einer von 1012 bis 1014 Bindungen ein Elektronen-Loch-Paar.
Soll für technische Anwendungen die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern noch zusätzlich verändert werden, so ist es technisch möglich, Fremdatom gezielt in den Halbleiterkristall einzubauen. Dieses Einbringen von Fremdatomen bezeichnet man als Dotierung und kann sowohl die Elektronenleitung als auch die Löcherleitung beeinflussen. Beispielsweise kann durch die gezielte „Verunreinigung“ die Leitfähigkeit eines Siliziumkristalls um einen Faktor von 106 erhöht werden. Je nach Art der eingebrachten Fremdatome untercheidet man zwischen p-Dotierung und n-Dotierung, die im Folgenden genauer bleuchtet werden sollen
n-Dotierung
Verunreinigt man einen Halbleiterkristall mit Atomen aus der V.-Hauptgruppe, so entstehen zusätzliche freie bewegliche Löcher. Ein Beispiel für die n-Dotierung ist das Einbringen von Phosphor-Atomen in einem Siliziumkristall. Elemente der V.-Hauptgruppe haben fünf Außenelektronen. Vier dieser Außenelektronen bilden die Bindungen zu den umliegenden Gitteratomen, das fünfte Elektronen ist jedoch nur noch sehr schwach an das Atom gebunden und kann schon bei geringer Energiezufuhr vom Valenzband in das Leitungsband übergehen und zur Leitfähigkeit beitragen. Das eingebrachte Fremdatom bleibt als positiver Atomrumpf im Gitter zurück und wird als Donatoratom bezeichnet. Da alle Bindungen des Donatoratoms zu den Nachbaratomen gesättigt sind, verbleibt diese Atom als positiver Atomrumpf ortfest.
Betrachtet man die Anzahl der beweglichen Ladungsträgern, so überwiegen die Elektronen, man sagt, der Halbleiter ist n-leitend. In diesem Fall sind die Elektronen die Majoritätsladungsträger, die Löcher hingegen sind die Minoritätsladungsträger. Legt man eine äußere Spannung an einen n-Halbleiter, so dringen Elektronen vom Minuspol in in den dotierten Halbleiter ein. Am Pluspol werden auf der anderen Seite Elektronen aus dem Halbleiter abgezogen. Der so entstandene Elektronenstrom ist vergleichbar mit der elektrischen Leitung in Metallen.
p-Dotierung
Umgekehrt kann man auch Halbleitergitter durch Atome aus der III.-Hauptgruppe verunreinigen. Dadurch entstehen zusätzliche freie bewegliche Löcher. Ein Beispiel für die p-Dotierung ist das Einbringen von Bor-Atomen in einen Siliziumkristall. Elemente der III.-Hauptgruppe haben 3 Außenelektronen. Da aber vier Elektronen für den Einbau des Fremdatoms in den Gitterverbund notwendig sind, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Elektronen von einem Siliziumatom aus der Umgebung eingesetzt. Am Ort des Fremdatoms, das auch als Akzeptoratom bezeichnet wird, entsteht ein negativer ortsfester Ladungsüberschuss. Beim Siliziumatom aus der Umgebung entsteht jedoch ein bewegliches Loch im Valenzband, da dieses Loch auch wieder leicht durch Rekombinationen durch den Kristall wandern kann.
Betrachtet man die Anzahl der beweglichen Ladungsträgern, so überwiegen die Löcher, man sagt, der Halbleiter ist p-leitend. In diesem Fall sind die Löcher die Majoritätsladungsträger, die freien Elektronen hingegen sind die Minoritätsladungsträger. Legt man eine äußere Spannung an einen p-Halbleiter, so dringen Elektronen vom Minuspol in in den dotierten Halbleiter ein und besetzen durch Rekombination die anstehenden Löcher. Am Pluspol werden auf der anderen Seite Elektronen aus dem Halbleiter abgezogen und neue Löcher entstehen. Innerhalb des Halbleiters bewegen sich jedoch Löcher durch Rekombinationen, also durch "Hüpfen" von Elektronen von Loch zu Loch. Es kommt zu einem Löcherstrom vom Pluspol zum Minuspol.
Nach außen hin sind sowohl n-dotierte als auch p-dotierte Halbleiter elektrisch neutral. Die Zahl der freien Ladungsträger im Halbleiter und amit die Leitfähigkeit nimmt mit der Anzahl der Dotieratome zu. Das Verhältnis aus Fremdatomen zu den Gitteratomen kann je nach Anwendung variieren. Technisch sind Verhältnisse von 1 zu 10000 bis 1 zu 1000000000 möglich.
Aufgaben zu den physikalischen Grundgrößen bei Stromkreisen:
Aufgabe 1: FlüsseAufgaben zu elektrischen Schaltungen:
Aufgabe 6: SchaltpläneAufgaben zu Halbleitern:
Aufgabe 11: Eigenschaften von HalbleiternAufgaben zu Dioden:
Aufgabe 16: Leuchtdioden