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2026-07-28T13:30:15Z

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= Halbleiterphysik - Physik =

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= Einleitung =

[[Halbleiter]] stecken in Smartphones, Computern, Solarzellen, LEDs, Sensoren und vielen weiteren Geräten. Ihre elektrische Leitfähigkeit liegt zwischen der von [[Elektrischer Leiter|Leitern]] und [[Isolator|Isolatoren]]. Entscheidend ist jedoch nicht nur dieser Mittelwert: Die Leitfähigkeit eines Halbleiters lässt sich gezielt durch Temperatur, Licht, elektrische Felder und winzige Mengen fremder Atome verändern.

Die '''Halbleiterphysik''' untersucht, wie sich Elektronen in Festkörpern verhalten und wie daraus technische Bauelemente entstehen. In diesem aiMOOC lernst Du die wichtigsten Grundlagen auf Schulniveau kennen: Kristallgitter, Bändermodell, Eigenleitung, Dotierung, p-n-Übergang, Diode, Solarzelle, LED und Transistor.

[[Datei:Silicon wafer.jpg|500px|rahmenlos|center]]

Ein Siliciumwafer ist eine dünne Scheibe aus sehr reinem, kristallinem [[Silicium]]. Auf einem einzigen Wafer können viele elektronische Schaltungen hergestellt werden.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=nv-8PXsQNh0 |500|center}}

{{BR}}
== Lernziele ==

Nach der Bearbeitung kannst Du:

# [[Halbleiter]] von Leitern und Isolatoren unterscheiden.
# das [[Bändermodell]] mit Valenzband, Leitungsband und Bandlücke erklären.
# die Entstehung von Elektronen-Loch-Paaren beschreiben.
# n-Dotierung und p-Dotierung vergleichen.
# die Bildung einer Sperrschicht am [[p-n-Übergang]] erläutern.
# die Funktion von [[Diode]], [[Leuchtdiode]], [[Fotodiode]], [[Solarzelle]] und [[Transistor]] auf gemeinsame physikalische Grundlagen zurückführen.
# einfache Kennlinien auswerten und geeignete Versuche planen.

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= Grundlagen der Halbleiterphysik =

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== Leiter, Halbleiter und Isolatoren ==

In einem elektrischen Leiter können sich viele Ladungsträger bewegen. Metalle besitzen deshalb meist eine hohe elektrische Leitfähigkeit. In einem Isolator sind die Elektronen stark gebunden; unter normalen Bedingungen fließt kaum Strom.

Halbleiter nehmen eine besondere Stellung ein. Reines Silicium leitet bei niedriger Temperatur nur sehr schlecht. Durch Erwärmung, Beleuchtung oder Dotierung entstehen jedoch bewegliche Ladungsträger. Dadurch kann seine Leitfähigkeit stark ansteigen.

Ein wichtiger Unterschied zu Metallen betrifft die Temperatur:

# Bei vielen [[Metall|Metallen]] steigt der elektrische Widerstand mit zunehmender Temperatur.
# Bei einem reinen [[Halbleiter]] entstehen beim Erwärmen zusätzliche Ladungsträger, sodass der Widerstand meist sinkt.

Dieser Zusammenhang ist vereinfacht. In realen Bauelementen wirken zusätzlich Dotierung, Beweglichkeit der Ladungsträger und Bauform.

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== Elektrische Leitfähigkeit ==

Die Stromleitung in einem Halbleiter wird durch bewegliche Elektronen und Löcher ermöglicht. Vereinfacht gilt:

<math>\sigma = e\left(n\mu_n+p\mu_p\right)</math>

Dabei bedeuten:

# <math>\sigma</math>: elektrische Leitfähigkeit
# <math>e</math>: Betrag der Elementarladung
# <math>n</math>: Konzentration der freien Elektronen
# <math>p</math>: Konzentration der Löcher
# <math>\mu_n</math> und <math>\mu_p</math>: Beweglichkeiten der Ladungsträger

Die Formel zeigt: Die Leitfähigkeit steigt, wenn mehr bewegliche Ladungsträger vorhanden sind oder wenn sie sich leichter durch den Kristall bewegen können.

Für eine Messung an einem Bauteil kannst Du außerdem das [[Ohmsches Gesetz|Ohmsche Gesetz]] verwenden:

<math>R=\frac{U}{I}</math>

Halbleiterbauelemente sind häufig nicht ohmsch. Ihr Widerstand ist daher nicht konstant, sondern hängt unter anderem von Spannung, Stromstärke, Temperatur oder Beleuchtung ab.

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== Silicium als Kristall ==

Silicium besitzt vier Valenzelektronen. In einem idealen Siliciumkristall bindet jedes Atom seine vier nächsten Nachbarn durch Elektronenpaarbindungen. Dadurch entsteht ein regelmäßiges Kristallgitter.

[[Datei:Silicon Crystal structure.svg|500px|rahmenlos|center]]

Bei sehr niedriger Temperatur bleiben die Bindungselektronen weitgehend gebunden. Wird Energie zugeführt, kann sich ein Elektron aus einer Bindung lösen. Es wird dann beweglich. An seiner ursprünglichen Stelle bleibt eine unbesetzte Bindung zurück, die als '''Loch''' bezeichnet wird.

Ein Loch ist kein zusätzliches Teilchen im Atomgitter. Es beschreibt einen fehlenden Elektronenzustand. Da benachbarte Elektronen nacheinander in die freie Stelle wechseln können, verhält sich das Loch im Modell wie ein beweglicher positiver Ladungsträger.

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== Das Bändermodell ==

In einem einzelnen Atom dürfen Elektronen nur bestimmte Energien besitzen. In einem Kristall liegen sehr viele Atome dicht beieinander. Ihre Energieniveaus spalten sich in sehr viele eng benachbarte Zustände auf. Diese Zustände werden zu Energiebändern zusammengefasst.

Für die elektrische Leitung sind besonders wichtig:

# Das '''Valenzband''' enthält die Elektronen, die an Bindungen beteiligt sind.
# Das '''Leitungsband''' enthält bewegliche Elektronen, die zur Stromleitung beitragen können.
# Die '''Bandlücke''' ist ein Energiebereich zwischen beiden Bändern, in dem keine erlaubten Elektronenzustände liegen.

[[Datei:Semiconductor Bands 0K.svg|500px|rahmenlos|center]]

Am absoluten Nullpunkt ist das Valenzband eines idealen Halbleiters vollständig besetzt und das Leitungsband leer. Ohne freie Zustände im Valenzband und ohne Elektronen im Leitungsband kann kein elektrischer Strom fließen.

[[Datei:Semiconductor Bands Hot.svg|500px|rahmenlos|center]]

Durch Wärme oder Licht können Elektronen genügend Energie erhalten, um die Bandlücke zu überwinden. Im Leitungsband entstehen freie Elektronen, während im Valenzband Löcher zurückbleiben.

Für Silicium beträgt die Bandlücke bei Raumtemperatur ungefähr:

<math>E_\mathrm{g}\approx 1{,}12\,\mathrm{eV}</math>

Die Bandlücke ist groß genug, damit Silicium bei Raumtemperatur nicht wie ein Metall leitet. Sie ist aber klein genug, damit durch Wärme, Licht oder Dotierung gezielt Ladungsträger erzeugt werden können.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=n18CjBqQvpw |500|center}}

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== Eigenleitung ==

Bei einem reinen Halbleiter spricht man von '''Eigenleitung'''. Durch Energiezufuhr entstehen Elektronen-Loch-Paare:

# Ein Elektron wird aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt.
# Im Valenzband bleibt ein Loch zurück.
# Elektron und Loch können sich unabhängig durch den Kristall bewegen.
# Treffen sie wieder zusammen, kann eine [[Rekombination]] stattfinden.

Bei einem idealen reinen Halbleiter entstehen Elektronen und Löcher paarweise. Deshalb gilt für ihre Konzentrationen näherungsweise:

<math>n=p=n_i</math>

<math>n_i</math> heißt intrinsische Ladungsträgerkonzentration. Sie nimmt mit der Temperatur stark zu.

Bei der Rekombination fällt ein Elektron in einen freien Zustand des Valenzbandes zurück. Die frei werdende Energie wird je nach Material überwiegend als Wärme oder als Licht abgegeben.

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== Licht und Elektronen-Loch-Paare ==

Ein Photon besitzt die Energie:

<math>E_\gamma=h f=\frac{hc}{\lambda}</math>

Dabei sind <math>h</math> das Plancksche Wirkungsquantum, <math>f</math> die Frequenz, <math>c</math> die Lichtgeschwindigkeit und <math>\lambda</math> die Wellenlänge.

Kann ein Photon mindestens die Bandlückenenergie übertragen, kann es ein Elektron ins Leitungsband anregen:

<math>E_\gamma\geq E_\mathrm{g}</math>

Dieser Zusammenhang ist die Grundlage von [[Fotodiode|Fotodioden]], [[Lichtsensor|Lichtsensoren]] und [[Solarzelle|Solarzellen]]. Umgekehrt kann bei der Rekombination von Elektron und Loch Licht entstehen. Dies wird in [[Leuchtdiode|Leuchtdioden]] genutzt.

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= Dotierte Halbleiter =

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== Was bedeutet Dotierung? ==

Durch '''Dotierung''' werden sehr kleine Mengen geeigneter Fremdatome in einen Halbleiterkristall eingebracht. Dadurch lässt sich die Zahl der beweglichen Ladungsträger stark verändern, ohne dass das Material insgesamt elektrisch geladen sein muss.

[[Datei:Silicon doping - Type P and N.svg|500px|rahmenlos|center]]

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=LTNwmvFmbqI |500|center}}

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== n-Dotierung ==

Bei der n-Dotierung wird Silicium beispielsweise mit Phosphor oder Arsen dotiert. Diese Atome besitzen fünf Valenzelektronen. Vier Elektronen werden für Bindungen mit benachbarten Siliciumatomen benötigt. Das fünfte Elektron ist nur schwach gebunden und kann leicht beweglich werden.

Das Fremdatom wirkt als '''Donator''', weil es ein Elektron für die Leitung bereitstellt.

# Mehrheitsträger sind Elektronen.
# Minderheitsträger sind Löcher.
# Das Material bleibt nach außen insgesamt elektrisch neutral.
# Der Buchstabe n bezieht sich auf die negativ geladenen Mehrheitsträger.

[[Datei:Donor in Si lattice.png|400px|rahmenlos|center]]

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== p-Dotierung ==

Bei der p-Dotierung wird Silicium beispielsweise mit Bor dotiert. Bor besitzt drei Valenzelektronen. Für eine der vier Bindungen fehlt daher ein Elektron. Es entsteht ein leicht bewegliches Loch.

Das Fremdatom wirkt als '''Akzeptor''', weil es ein Elektron aus einer benachbarten Bindung aufnehmen kann.

# Mehrheitsträger sind Löcher.
# Minderheitsträger sind Elektronen.
# Auch p-dotiertes Material ist insgesamt elektrisch neutral.
# Der Buchstabe p bezieht sich auf die im Modell positiv geladenen Löcher.

[[Datei:Acceptor in Si lattice.png|400px|rahmenlos|center]]

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== Dotierung im Bändermodell ==

Donatoren erzeugen Energieniveaus knapp unterhalb des Leitungsbandes. Schon geringe thermische Energie kann ein Donatorelektron in das Leitungsband heben.

[[Datei:N-Type Semiconductor Bands.svg|500px|rahmenlos|center]]

Akzeptoren erzeugen Energieniveaus knapp oberhalb des Valenzbandes. Elektronen aus dem Valenzband können diese Zustände besetzen. Im Valenzband bleiben dadurch bewegliche Löcher zurück.

Die Dotierung verkleinert nicht einfach die normale Bandlücke des Grundmaterials. Stattdessen entstehen zusätzliche erlaubte Energieniveaus innerhalb der Bandlücke.

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= Der p-n-Übergang =

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== Entstehung der Sperrschicht ==

Werden p-dotierte und n-dotierte Bereiche innerhalb eines Kristalls verbunden, entsteht ein [[p-n-Übergang]].

Zunächst besteht ein Konzentrationsunterschied:

# Auf der n-Seite gibt es viele freie Elektronen.
# Auf der p-Seite gibt es viele Löcher.
# Elektronen diffundieren von der n-Seite zur p-Seite.
# Löcher diffundieren von der p-Seite zur n-Seite.
# Nahe der Grenzfläche rekombinieren Elektronen und Löcher.

Dadurch bleiben in Grenznähe ortsfeste, geladene Dotieratome zurück. Es entsteht eine '''Raumladungszone''', die auch '''Verarmungszone''' oder '''Sperrschicht''' genannt wird. Das elektrische Feld dieser Zone wirkt der weiteren Diffusion entgegen. Schließlich stellt sich ein Gleichgewicht ein.

[[Datei:Pn-junction-equilibrium.svg|500px|rahmenlos|center]]

Die p-Seite ist nicht insgesamt positiv und die n-Seite nicht insgesamt negativ. Die Ladungstrennung betrifft vor allem die schmale Raumladungszone.

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== Durchlassrichtung ==

In Durchlassrichtung wird der Pluspol einer Spannungsquelle mit der p-Seite und der Minuspol mit der n-Seite verbunden.

Das äußere elektrische Feld schwächt das Feld der Sperrschicht. Die Potentialbarriere wird kleiner, die Raumladungszone wird schmaler und viele Ladungsträger können den Übergang passieren.

[[Datei:Forward-Biased pn Junction.svg|500px|rahmenlos|center]]

Bei einer Siliciumdiode steigt der Strom häufig im Bereich um etwa 0,6 bis 0,7 Volt deutlich an. Dieser Wert ist keine vollkommen feste Schaltschwelle. Er hängt unter anderem von Stromstärke, Temperatur und Bauart ab.

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== Sperrrichtung ==

In Sperrrichtung liegt der Minuspol an der p-Seite und der Pluspol an der n-Seite.

Das äußere Feld verstärkt das Feld der Raumladungszone. Die Sperrschicht wird breiter, Mehrheitsträger werden vom Übergang weggezogen und es fließt nur ein sehr kleiner Sperrstrom.

[[Datei:Reverse-Biased pn Junction.svg|500px|rahmenlos|center]]

Wird die zulässige Sperrspannung überschritten, kann ein Durchbruch auftreten. Ohne Strombegrenzung kann das Bauteil dabei beschädigt werden. Spezielle Z-Dioden sind für einen kontrollierten Betrieb im Durchbruchbereich ausgelegt.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=9Nzk_Lz6qTA |500|center}}

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= Die Halbleiterdiode =

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== Stromventil mit Kennlinie ==

Eine [[Halbleiterdiode]] enthält meist einen p-n-Übergang und lässt Strom bevorzugt in einer Richtung fließen. Ihr Schaltzeichen unterscheidet Anode und Kathode.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie ist nicht linear. Daher erfüllt eine Diode das Ohmsche Gesetz nicht mit einem konstanten Widerstand.

[[Datei:Diode-IV-Curve-de.svg|500px|rahmenlos|center]]

In Durchlassrichtung steigt der Strom nach einem zunächst kleinen Bereich stark an. In Sperrrichtung fließt nur ein geringer Strom, solange die Durchbruchspannung nicht erreicht wird.

Für eine reale Diode kann der Zusammenhang in einem geeigneten Bereich näherungsweise mit der Shockley-Gleichung beschrieben werden:

<math>I=I_\mathrm{S}\left(\exp\left(\frac{qU}{n k_\mathrm{B}T}\right)-1\right)</math>

Für den Schulunterricht genügt meist die qualitative Aussage: '''Eine kleine Spannungsänderung kann in Durchlassrichtung eine große Stromänderung verursachen.'''

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=NBlaqndqjQg |500|center}}

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== Anwendungen von Dioden ==

Dioden werden unter anderem eingesetzt:

# als [[Gleichrichter]] zur Umwandlung von Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung,
# als Schutz gegen falsche Polung,
# zur Begrenzung von Spannungen,
# als Lichtquelle in einer [[Leuchtdiode]],
# als Lichtdetektor in einer [[Fotodiode]],
# als Grundstruktur einer [[Solarzelle]].

{{BR}}
= Halbleiter und Licht =

{{BR}}
== Leuchtdiode ==

Bei einer [[Leuchtdiode]] werden Elektronen und Löcher durch eine Spannung in einen aktiven Bereich gebracht. Dort rekombinieren sie. Ein Teil der frei werdenden Energie wird als Photon abgegeben.

Die Lichtfarbe hängt hauptsächlich von der Bandlücke des verwendeten Halbleitermaterials ab. Für effiziente LEDs werden häufig Verbindungshalbleiter mit direkter Bandlücke genutzt. Silicium besitzt eine indirekte Bandlücke und ist deshalb als Lichtemitter wenig geeignet.

Eine LED darf in einer einfachen Schaltung nicht ohne Strombegrenzung betrieben werden. Meist wird ein Vorwiderstand verwendet:

<math>R_\mathrm{V}=\frac{U_\mathrm{Quelle}-U_\mathrm{LED}}{I_\mathrm{LED}}</math>

{{BR}}
== Fotodiode ==

Eine [[Fotodiode]] wandelt Licht in ein elektrisches Signal um. Trifft ein geeignetes Photon auf den Halbleiter, kann ein Elektronen-Loch-Paar entstehen. Das elektrische Feld am p-n-Übergang trennt die Ladungsträger, bevor sie rekombinieren.

Fotodioden werden häufig in Sperrrichtung betrieben. Mit zunehmender Beleuchtungsstärke nimmt der Fotostrom zu. Anwendungen sind Lichtschranken, Fernbedienungsempfänger, optische Datenübertragung und Kamerasensoren.

{{BR}}
== Solarzelle ==

Eine [[Solarzelle]] nutzt den photovoltaischen Effekt. Licht erzeugt Elektronen-Loch-Paare. Das innere elektrische Feld am p-n-Übergang trennt die Ladungen. Über einen äußeren Stromkreis kann elektrische Energie abgegeben werden.

[[Datei:Silicon Solar cell structure and mechanism.svg|500px|rahmenlos|center]]

Die Solarzelle erzeugt keine Energie aus dem Nichts. Sie wandelt einen Teil der Strahlungsenergie des Sonnenlichts in elektrische Energie um. Verluste entstehen unter anderem durch Reflexion, zu energiearme Photonen, Wärme und Rekombination.

Für die elektrische Leistung gilt:

<math>P=U\cdot I</math>

Der Arbeitspunkt mit der größten Leistung wird als Maximum Power Point bezeichnet.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=qMzTIXZeERc |500|center}}

{{BR}}
= Transistor und integrierte Schaltung =

{{BR}}
== Transistor als Schalter und Verstärker ==

Ein [[Transistor]] kann elektrische Signale schalten oder verstärken. Damit bildet er eine Grundlage digitaler und analoger Elektronik.

Ein Bipolartransistor besteht aus drei unterschiedlich dotierten Bereichen. Bei einem npn-Transistor folgt auf einen n-dotierten Bereich eine dünne p-dotierte Basis und anschließend ein weiterer n-dotierter Bereich.

[[Datei:NPN BJT (Planar) Cross-section.svg|500px|rahmenlos|center]]

Ein kleiner Basisstrom kann einen wesentlich größeren Strom zwischen Kollektor und Emitter beeinflussen. Beim [[Feldeffekttransistor]] wird die Leitfähigkeit eines Kanals dagegen durch ein elektrisches Feld gesteuert.

Auf modernen [[Integrierter Schaltkreis|integrierten Schaltungen]] sind sehr viele Transistoren miteinander verbunden. Sie verarbeiten Informationen, speichern Daten und steuern technische Systeme.

{{BR}}
== Vom Kristall zum Chip ==

Die Herstellung eines Chips beginnt mit sehr reinem Halbleitermaterial. Aus einem Einkristall werden dünne Wafer geschnitten. Auf ihrer Oberfläche entstehen durch mehrere Prozessschritte unterschiedlich dotierte Bereiche, Isolationsschichten, Kontakte und Leiterbahnen.

[[Datei:Silicon wafers.jpg|500px|rahmenlos|center]]

Wichtige Verfahren sind Fotolithografie, Oxidation, Ätzen, Dotieren und Abscheiden dünner Schichten. Die Halbleiterphysik liefert die Modelle, mit denen die elektrischen Eigenschaften dieser Strukturen verstanden und geplant werden.

{{BR}}
= Schulversuche =

{{BR}}
== Versuch: Kennlinie einer Siliciumdiode ==

'''Material:''' regelbare Kleinspannungsquelle, Siliciumdiode, Vorwiderstand, zwei Multimeter und Verbindungskabel.

'''Durchführung:'''

# Baue eine Reihenschaltung aus Spannungsquelle, Vorwiderstand und Diode auf.
# Miss gleichzeitig die Spannung an der Diode und die Stromstärke.
# Erhöhe die Spannung schrittweise innerhalb der zulässigen Werte.
# Trage die Messwerte in ein Strom-Spannungs-Diagramm ein.
# Pole die Diode für wenige sichere Messpunkte um und untersuche die Sperrrichtung.

'''Auswertung:''' Erkläre die Form der Kennlinie mithilfe der Sperrschicht. Prüfe, weshalb ein konstanter Widerstand die Messwerte nicht beschreiben kann.

'''Sicherheit:''' Verwende ausschließlich Schutzkleinspannung und einen geeigneten Vorwiderstand. Schließe eine Diode niemals direkt an eine Spannungsquelle mit hoher Stromlieferfähigkeit an.

{{BR}}
== Versuch: Temperaturabhängigkeit ==

Untersuche einen geeigneten Heißleiter oder einen Halbleitersensor bei verschiedenen Temperaturen. Miss den Widerstand bei Raumtemperatur, bei vorsichtiger Erwärmung und nach dem Abkühlen.

Deute die Änderung mithilfe der Ladungsträgerzahl. Beachte, dass ein technischer Temperatursensor ein speziell hergestelltes Bauteil ist und sein Verhalten nicht in jedem Detail dem eines idealen reinen Halbleiters entspricht.

{{BR}}
== Versuch: Lichtabhängigkeit ==

Miss den Strom einer Fotodiode oder die Spannung einer kleinen Solarzelle bei unterschiedlicher Beleuchtung. Verändere Abstand, Einfallswinkel oder Abschattung jeweils einzeln.

Achte auf ein faires Experiment: Nur eine Einflussgröße soll verändert werden, während die übrigen Bedingungen möglichst konstant bleiben.

{{BR}}
= Zusammenfassung =

Halbleiter sind steuerbare Festkörper. Im Bändermodell trennt die Bandlücke Valenzband und Leitungsband. Wärme oder Licht können Elektronen ins Leitungsband anregen und dabei Löcher erzeugen. Durch Dotierung entstehen n-leitende oder p-leitende Bereiche mit unterschiedlichen Mehrheitsträgern.

An einem p-n-Übergang bildet sich eine Raumladungszone. Eine äußere Spannung kann diese Sperrschicht verkleinern oder vergrößern. Daraus folgt die richtungsabhängige Leitfähigkeit einer Diode. Dieselben Grundideen ermöglichen LEDs, Fotodioden, Solarzellen, Transistoren und integrierte Schaltungen.

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Welche Aussage beschreibt einen Halbleiter am besten?'''
(Seine Leitfähigkeit kann gezielt beeinflusst werden)
(!Er leitet unter allen Bedingungen besser als Kupfer)
(!Er besitzt grundsätzlich keine Elektronen)
(!Sein Widerstand ist immer konstant)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie heißt das Energieband mit beweglichen Elektronen?'''
(Leitungsband)
(!Valenzschale)
(!Sperrband)
(!Atomkernband)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was bleibt zurück, wenn ein Elektron aus einer Bindung angeregt wird?'''
(Ein Loch)
(!Ein Proton)
(!Ein Neutron)
(!Ein neues Atom)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welcher Ladungsträger ist in einem n-dotierten Halbleiter der Mehrheitsträger?'''
(Elektron)
(!Loch)
(!Proton)
(!Photon)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Fremdatome wirken bei n-dotiertem Silicium als Donatoren?'''
(Fünfwertige Atome)
(!Dreiwertige Atome)
(!Edelgasatome)
(!Wasserstoffmoleküle)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie heißt die ladungsträgerarme Zone am p-n-Übergang?'''
(Sperrschicht)
(!Metallschicht)
(!Lichtschicht)
(!Leiterschleife)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie wird eine Diode in Durchlassrichtung gepolt?'''
(Pluspol an p und Minuspol an n)
(!Pluspol an n und Minuspol an p)
(!Beide Pole an die p-Seite)
(!Beide Pole an die n-Seite)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welcher Vorgang erzeugt Licht in einer LED?'''
(Rekombination von Elektronen und Löchern)
(!Verdampfung des Kristalls)
(!Spaltung von Atomkernen)
(!Magnetisierung des Gehäuses)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Aufgabe hat das innere Feld einer Solarzelle?'''
(Es trennt erzeugte Elektronen und Löcher)
(!Es stoppt jedes eintreffende Photon)
(!Es erhitzt den Wafer absichtlich)
(!Es erzeugt Materie aus Energie)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Warum braucht eine LED meist einen Vorwiderstand?'''
(Er begrenzt die Stromstärke)
(!Er vergrößert die Bandlücke)
(!Er wandelt die LED in einen Isolator um)
(!Er erzeugt die Dotieratome)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Valenzband || Gebundene Elektronenzustände
|-
| Leitungsband || Bewegliche Elektronen
|-
| Donator || Fremdatom mit zusätzlichem Elektron
|-
| Akzeptor || Fremdatom zur Erzeugung eines Lochs
|-
| Raumladungszone || Ladungsträgerarme Grenzschicht
|-
| Rekombination || Zusammentreffen von Elektron und Loch
|-
| Fotodiode || Lichtempfindliches Halbleiterbauteil
|-
| Transistor || Elektronischer Schalter oder Verstärker
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Thema
|-
| '''Eigenleitung'''
| Stromleitung im reinen Halbleiter durch thermisch oder optisch erzeugte Ladungsträger
|-
| '''n-Dotierung'''
| Elektronen sind die Mehrheitsträger
|-
| '''p-Dotierung'''
| Löcher sind die Mehrheitsträger
|-
| '''Durchlassrichtung'''
| Die äußere Spannung verkleinert die Potentialbarriere
|-
| '''Sperrrichtung'''
| Die äußere Spannung verbreitert die Raumladungszone
|-
| '''Photovoltaischer Effekt'''
| Licht wird mithilfe eines Halbleiterübergangs in elektrische Energie umgewandelt

|}
{{E}}

<br>
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Silicium || Welches Element wird besonders häufig für Halbleiterchips verwendet?
|-
| Bandlücke || Wie heißt der verbotene Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsband?
|-
| Dotierung || Wie heißt das gezielte Einbringen von Fremdatomen?
|-
| Sperrschicht || Wie heißt die ladungsträgerarme Zone am p-n-Übergang?
|-
| Elektronen || Welche Teilchen sind die Mehrheitsträger im n-Gebiet?
|-
| Solarzelle || Welches Bauteil wandelt Licht direkt in elektrische Energie um?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Halbleiterphysik+Physik </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
In einem Siliciumkristall bilden die Atome ein regelmäßiges { Kristallgitter }. Das Band mit weitgehend gebundenen Elektronen heißt { Valenzband }. Bewegliche Elektronen befinden sich im { Leitungsband }. Zwischen beiden Bändern liegt die { Bandlücke }. Bei der Eigenleitung entstehen Elektron-Loch-Paare durch Zufuhr von { Energie }. Ein Fremdatom mit einem leicht abzugebenden Elektron heißt { Donator }. In einem p-dotierten Halbleiter sind { Löcher } die Mehrheitsträger. Am p-n-Übergang entsteht eine { Raumladungszone }. In Durchlassrichtung wird die Sperrschicht { schmaler }. Eine Solarzelle trennt lichtbedingt erzeugte Ladungsträger durch ein inneres { elektrisches Feld }.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===

# [[Halbleiter im Alltag]]: Fotografiere oder zeichne fünf Geräte, in denen Halbleiterbauteile vorkommen, und benenne ihre Funktion.
# [[Bändermodell]]: Gestalte ein übersichtliches Schaubild mit Valenzband, Leitungsband, Bandlücke, Elektron und Loch.
# [[Dotierung]]: Erkläre n-Dotierung und p-Dotierung in einem kurzen Text für eine jüngere Lerngruppe.
# [[Diode]]: Baue mit Schutzkleinspannung eine LED-Schaltung mit Vorwiderstand auf und dokumentiere die Polung.

{{BR}}
=== Standard ===

# [[Diodenkennlinie]]: Nimm eine Kennlinie auf, stelle sie grafisch dar und markiere Durchlass-, Sperr- und Durchbruchbereich.
# [[Temperaturabhängigkeit]]: Plane eine Messreihe zur Widerstandsänderung eines geeigneten Halbleitersensors und begründe Deine Kontrollvariablen.
# [[Fotodiode]]: Untersuche den Einfluss von Abstand oder Einfallswinkel auf ein lichtempfindliches Bauteil und werte die Messdaten aus.
# [[Solarzelle]]: Miss Spannung und Stromstärke einer kleinen Solarzelle bei verschiedenen Belastungen und bestimme den Punkt größter Leistung.

{{BR}}
=== Schwer ===

# [[Shockley-Gleichung]]: Recherchiere die Bedeutung der Größen in der Diodengleichung und vergleiche Modell und Messdaten.
# [[Leuchtdiode]]: Untersuche, wie Lichtfarbe, Bandlücke und Photonenergie zusammenhängen, und führe eine Beispielrechnung durch.
# [[Transistor]]: Entwickle eine einfache Transistorschaltung als Schalter und erkläre, wie ein kleiner Steuerstrom oder eine Steuerspannung einen größeren Laststrom beeinflusst.
# [[Halbleitertechnik]]: Erstelle ein Erklärvideo vom Siliciumkristall bis zum Mikrochip und kennzeichne vereinfachte Darstellungen ausdrücklich.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Bändermodell und Temperatur]]: Erkläre mithilfe des Bändermodells, warum ein reiner Halbleiter beim Erwärmen meist besser leitet, während der Widerstand eines Metalls häufig steigt.
# [[Dotierung und Neutralität]]: Begründe, weshalb ein n-dotierter Halbleiter trotz vieler beweglicher Elektronen nicht insgesamt negativ geladen sein muss.
# [[p-n-Übergang]]: Eine Diode leitet nach dem Umpolen kaum noch. Erkläre die Veränderung der Raumladungszone und des inneren elektrischen Feldes.
# [[Kennlinienanalyse]]: Vergleiche die Kennlinie einer Diode mit der eines ohmschen Widerstands und erläutere, weshalb die Größe U durch I bei der Diode nicht konstant bleibt.
# [[Energieumwandlung]]: Vergleiche LED und Solarzelle hinsichtlich Energiefluss, Ladungsträgererzeugung und Rekombination.
# [[Bauteilauswahl]]: Entscheide für Lichtmessung, Gleichrichtung und elektronisches Schalten jeweils über ein geeignetes Halbleiterbauteil und begründe Deine Wahl.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen überzeugenden Lernnachweis zu diesem Thema sind wichtig:

# Du verwendest die Begriffe Valenzband, Leitungsband und Bandlücke fachlich richtig.
# Du erklärst Elektronen und Löcher als bewegliche Ladungsträger.
# Du unterscheidest Eigenleitung, n-Dotierung und p-Dotierung.
# Du beschreibst die Entstehung und Veränderung der Raumladungszone.
# Du deutest eine Diodenkennlinie und berücksichtigst die Strombegrenzung.
# Du überträgst die Grundlagen auf LED, Fotodiode, Solarzelle oder Transistor.
# Du dokumentierst Messwerte nachvollziehbar und wertest sie mit geeigneten Diagrammen aus.
# Du trennst Beobachtung, Modellvorstellung und Schlussfolgerung.
# Du beachtest die Regeln für sicheres Experimentieren mit elektrischen Schaltungen.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Halbleiter </iframe>

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/B%C3%A4ndermodell </iframe>

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/P-n-%C3%9Cbergang </iframe>

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Halbleiterphysik]]'''
# [[Festkörperphysik]]
# [[Bändermodell]]
# [[Elektrische Leitfähigkeit]]
# [[Dotierung]]
# [[p-n-Übergang]]
# [[Halbleiterdiode]]
# [[Leuchtdiode]]
# [[Fotodiode]]
# [[Solarzelle]]
# [[Transistor]]
# [[Integrierter Schaltkreis]]
|}

[[Kategorie:Physik]]
[[Kategorie:Elektronik]]
[[Kategorie:Halbleiterphysik]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Kategorie:Halbleiter]]
[[Kategorie:Schule]]
[[Kategorie:Sekundarstufe I]]
[[Kategorie:Sekundarstufe II]]
[[Kategorie:Klasse 9-10]]
[[Kategorie:Klasse 11-13]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Halbleiterphysik - Physik - Versionsgeschichte

Glanz: aiMOOC über GPT aiMOOC Action erstellt