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Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 11-13, G-Niveau

Halbleiterphysik - Physik

Einleitung

Halbleiter stecken in Smartphones, Computern, Solarzellen, LEDs, Sensoren und vielen weiteren Geräten. Ihre elektrische Leitfähigkeit liegt zwischen der von Leitern und 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.

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

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.

Grundlagen der Halbleiterphysik

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 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.

Elektrische Leitfähigkeit

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

$σ = e (n μ_{n} + p μ_{p})$

Dabei bedeuten:

$σ$ : elektrische Leitfähigkeit
$e$ : Betrag der Elementarladung
$n$ : Konzentration der freien Elektronen
$p$ : Konzentration der Löcher
$μ_{n}$ und $μ_{p}$ : 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 Ohmsche Gesetz verwenden:

$R = \frac{U}{I}$

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

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.

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.

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.

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.

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:

$E_{g} \approx 1,12 e V$

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.

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:

$n = p = n_{i}$

$n_{i}$ 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.

Licht und Elektronen-Loch-Paare

Ein Photon besitzt die Energie:

$E_{γ} = h f = \frac{h c}{λ}$

Dabei sind $h$ das Plancksche Wirkungsquantum, $f$ die Frequenz, $c$ die Lichtgeschwindigkeit und $λ$ die Wellenlänge.

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

$E_{γ} \geq E_{g}$

Dieser Zusammenhang ist die Grundlage von Fotodioden, Lichtsensoren und Solarzellen. Umgekehrt kann bei der Rekombination von Elektron und Loch Licht entstehen. Dies wird in Leuchtdioden genutzt.

Dotierte Halbleiter

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.

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.

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.

Dotierung im Bändermodell

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

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.

Der p-n-Übergang

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.

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

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.

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.

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.

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.

Die Halbleiterdiode

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.

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:

$I = I_{S} (\exp (\frac{q U}{n k_{B} T}) - 1)$

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

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.

Halbleiter und Licht

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:

$R_{V} = \frac{U_{Q u e l l e} - U_{L E D}}{I_{L E D}}$

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.

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.

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:

$P = U \cdot I$

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

Transistor und integrierte Schaltung

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.

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 integrierten Schaltungen sind sehr viele Transistoren miteinander verbunden. Sie verarbeiten Informationen, speichern Daten und steuern technische Systeme.

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.

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.

Schulversuche

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.

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.

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.

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.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

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)

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

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

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

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

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

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)

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

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)

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)

Memory

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

Drag and Drop

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

Kreuzworträtsel

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?

LearningApps

Lückentext

In einem Siliciumkristall bilden die Atome ein regelmäßiges

. Das Band mit weitgehend gebundenen Elektronen heißt

. Bewegliche Elektronen befinden sich im

. Zwischen beiden Bändern liegt die

. Bei der Eigenleitung entstehen Elektron-Loch-Paare durch Zufuhr von

. Ein Fremdatom mit einem leicht abzugebenden Elektron heißt

. In einem p-dotierten Halbleiter sind

die Mehrheitsträger. Am p-n-Übergang entsteht eine

. In Durchlassrichtung wird die Sperrschicht

. Eine Solarzelle trennt lichtbedingt erzeugte Ladungsträger durch ein inneres

.

Offene Aufgaben

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.

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.

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.

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.

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.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Halbleiterphysik

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Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
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Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.