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Dioden, LEDs und Transistoren – Dioden

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Team Wissensdurst
Dioden, LEDs und Transistoren – Dioden
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Grundlagen zum Thema Dioden, LEDs und Transistoren – Dioden

Inhalt

Die Diode

Die Diode ist eines der am einfachsten aufgebauten und am häufigsten verwendeten Halbleiterbauelemente. Sie zählt zu den Grundbausteinen bei so gut wie jeder Digitaltechnik. Deswegen benutzt du auch jeden Tag Geräte, die ohne Dioden gar nicht funktionieren würden. Sie sind zum Beispiel in Netzteilen, Handys, Lampen und Solarzellen verbaut. Aber was ist eine Diode überhaupt für ein Bauteil?

Diode – Aufbau

Eine Diode besteht aus zwei Schichten, die aus unterschiedlich dotierten Halbleitern bestehen. Man spricht deswegen auch von einer Halbleiterdiode. Eine Seite ist positiv dotiert und hat freie Bindungsplätze, die auch Löcher genannt werden und wie positive Ladungsträger beschrieben werden können (p-Dotierung). Die andere Seite ist negativ dotiert. Diese Seite hat einen Überschuss an frei beweglichen Elektronen (n-Dotierung).

Aufbau einer Diode, Halbleiterdiode Physik

An der Grenze zwischen diesen beiden Schichten können einige Elektronen von der n-Schicht in die p-Schicht wandern, wo sie mit Löchern rekombinieren. Gleichzeitig können auch Löcher von der p-Schicht in die n-Schicht wandern, wo sie von Elektronen aufgefüllt werden. Dadurch entsteht in der p-Schicht ein Bereich, der gegenüber seiner Umgebung negativ geladen ist. In der n-Schicht entsteht ein Bereich, der gegenüber seiner Umgebung positiv geladen ist. Zusammen ergeben diese Bereiche einen Bereich um die Grenzschicht, der Raumladungszone oder Sperrschicht genannt wird.

Raumladungszone einer Diode

Der Name Sperrschicht kommt daher, dass durch die Raumladung keine frei beweglichen Ladungsträger mehr in diesem Bereich vorhanden sind. Dieser Bereich sorgt für die besondere Charakteristik der Diode.

Diode – Funktion

Die Funktionsweise der Halbleiterdiode können wir verstehen, wenn wir eine Spannungsquelle anschließen. Als Erstes betrachten wir den folgenden Fall: Der Minuspol wird an die p-Schicht der Diode angeschlossen und der Pluspol an die n-Schicht. Die Löcher in der p-Schicht werden vom Minuspol angezogen, während die Elektronen in der n-Schicht vom Pluspol angezogen werden. Dadurch vergrößert sich die Sperrschicht.

In dieser Polung kann die Diode keinen Strom leiten. Man nennt diese Polung daher auch Sperrrichtung.

Jetzt polen wir die Spannungsquelle um, schließen also den Minuspol an die n-Schicht und den Pluspol an die p-Schicht. So wird das Feld der Sperrschicht verkleinert, da der Minuspol die Elektronen in Richtung der Grenzschicht drückt und der Pluspol die Löcher. Ist die Spannung groß genug, wird die Sperrschicht überwunden und die Diode leitet Strom. Die Diode ist so in Durchlassrichtung gepolt.

Diode – Kennlinie

Die Eigenschaften eines elektronischen Bauteils kann man an seiner Kennlinie ablesen. In der Kennlinie einer Halbleiterdiode ist die Stromstärke über der angelegten Spannung aufgetragen. Wir betrachten im Folgenden eine Diode, die an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Die Diode hat als Schaltzeichen ein Dreieck, dessen Spitze auf eine gerade Linie zeigt. Dadurch wird auch direkt die Durchlassrichtung symbolisiert.

Ist die Diode in Sperrrichtung geschaltet, kann kaum Strom fließen. Das sieht man an der linken Seite der Kennlinie, also bei negativer Spannung. Wird die Spannung in Sperrrichtung zu groß, können Atombindungen zerstört werden, wodurch schlagartig ein sehr hoher Strom fließt. Man nennt die Spannung, bei der es zu diesem starken Anstieg kommt, auch Durchbruchspannung oder Sperrspannung. Diese Spannung gehört zu den Kenndaten einer Diode und ist immer angegeben. Die Diode kann bei dieser Spannung nämlich zerstört werden.

Kennlinie einer Diode, Durchbruchspannung

Schaltet man die Diode in Durchlassrichtung, fließt zunächst auch wenig Strom. Erst ab Erreichen der Schwellspannung wird die Sperrschicht überwunden und der Stromfluss steigt an. Bei Siliziumdioden liegt diese Spannung bei etwa $0,6~\text{V}$. Die Diode verhält sich dann wie ein Leiter. Deswegen muss man auch immer einen weiteren Verbraucher, zum Beispiel einen Widerstand oder eine Lampe, in Reihe schalten – sonst handelt es sich um einen Kurzschluss.

Kennlinie einer Diode, Schwellspannung

Diode – Anwendungen

Halbleiterdioden werden häufig in Wechselstromkreisen genutzt, wie zum Beispiel bei Ladegeräten für Handys. Das deutsche Stromnetz liefert eine Wechselspannung von $230~\text{V}$ bei einer Frequenz von $50~\text{Hz}$. Die Polung der Spannung wechselt also $50$-mal pro Sekunde. Das Handy benötigt zum Laden allerdings eine Gleichspannung. Schaltet man eine Diode in den Stromkreis, wandelt sie die Wechselspannung in eine Gleichspannung um, indem sie nur die geeignete Polung durchlässt und die andere sperrt.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für Dioden sind LEDs (engl. light emitting diodes), die auch Leuchtdioden genannt werden. Hier wählt man die Dotierung und die Materialien der Diode so, dass bei der Rekombination von Löchern und Elektronen Energie in Form von Licht frei wird. Dabei liefern unterschiedliche Materialien Licht in verschiedenen Farben. Siliziumdioden erzeugen Licht im Infrarotbereich. Das ist für Menschen zwar nicht sichtbar, wird aber zum Beispiel in Fernbedienungen benutzt. Durch die Kombination verschiedener Dioden kann auch weißes Licht oder Licht beliebiger Farbe erzeugt werden. Das wird beispielsweise auch in LED-Fernsehern genutzt.

Fotodioden funktionieren genau andersherum: Sie erzeugen aus einfallendem Licht einer bestimmten Wellenlänge Energie in Form von elektrischem Strom. Nach diesem Prinzip funktionieren auch Solarzellen. Es handelt sich dabei um Fotodioden mit sehr großer Oberfläche. Sie bestehen aus einer p-Schicht, die von einer sehr dünnen n-Schicht bedeckt ist. Wenn Sonnenlicht auf die Solarzelle trifft, kann die Strahlung die n-Schicht durchqueren und erreicht die Grenzschicht. Dort werden neue Elektron-Loch-Paare erzeugt, also freie Löcher und Elektronen. Durch die Raumladungszone an der Grenzschicht werden sie getrennt: Die Elektronen wandern in die n-Schicht und die Löcher in die p-Schicht. Trifft genügend Licht auf die Solarzelle, wird so eine Spannung aufgebaut.

Es gibt natürlich noch mehr Diodentypen wie zum Beispiel Laserdioden.

Transkript Dioden, LEDs und Transistoren – Dioden

Eine geeignete Dotierung ist die Grundlage für viele Halbleiterbauelemente. Dabei werden gezielt die Art und Menge der Ladungsträger voreingestellt. Die einfachsten Halbleiterelemente sind Dioden, sie werden unter anderem in Netzteilen, LED-Lampen und Solarzellen verwendet. Eine Diode erlaubt einen Stromfluss in nur eine Richtung. Bei Dioden liegen eine p-dotierte und eine n-dotierte Schicht nebeneinander. Im Grenzbereich, in dem die Schichten aneinanderstoßen, können einige Elektronen aus dem n-Leiter in den p-Leiter wandern und dort mit Löchern rekombinieren. Gleichzeitig wandern einige Löcher aus dem p-Leiter in den n-Leiter und werden dort von Elektronen gefüllt. Im n-Leiter bleibt eine positive Restladung zurück und im p-Leiter eine negative. Diese Raumladung verhindert eine weitere Rekombination. Es entsteht ein Bereich, indem kaum bewegliche Ladungsträger vorhanden sind, die Sperrschicht. Legt man nun eine Spannung an, bei der der Minuspol am p-Leiter und der Pluspol am n-Leiter anliegt, werden die beweglichen Ladungsträger zu den Enden der Diode hingezogen. Die Sperrschicht in der Mitte wird also noch größer. Die Diode sperrt, es fließt kein Strom. Das nennt man die Sperrrichtung. Kehrt man die Polung um, so verkleinert sich die Sperrschicht. Wenn die Spannung groß genug ist um die Raumladung zu überwinden, fließt Strom. In dieser Durchlassrichtung verhält sich die Diode dann wie ein Leiter. Die Eigenschaften von einfachen Halbleiterbauteilen kann man anhand von sogenannten „Kennlinien“ graphisch darstellen. Im Diagramm werden Stromstärken und Spannungen auf der x- und der y-Achse aufgetragen. Im Fall der Diode wird auf der x-Achse die angelegte Spannung dargestellt und auf der y-Achse die zugehörige Stromstärke. So kann man ablesen, was mit der Diode passiert, wenn man am Regelknopf der Spannungsversorgung dreht. Wenn die Diode in Sperrrichtung geschaltet ist, kann kaum Strom fließen. Das ist der Sperrbereich. Wird die Spannung in Sperrrichtung zu groß, werden die Bindungen der Atome zu zerstört und es sind plötzlich Ladungsträger in großer Zahl vorhanden. Die Stromstärke steigt rasant an und die Diode wird zerstört. Diese Spannung heißt „Durchbruchspannung“. Ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet, fließt ebenfalls nur wenig Strom, bis die Schwellspannung erreicht ist. Diese liegt bei Siliziumdioden bei circa 0,6 bis 0,7 Volt. Die Schwellspannung ist nötig, um den Sperrbereich der Diode zu überwinden. Danach fällt über der Diode die gleiche Spannung ab, egal wie groß die Stromstärke ist. Tatsächlich verhält sich die Diode dann wie ein Leiter. Ein Stromkreis mit einer in Durchlassrichtung gepolten Diode muss daher immer mit einem Widerstand begrenzt werden, sonst handelt es sich um einen Kurzschluss der die Diode zerstört. Dioden sind vor allem in Wechselspannungskreisen nützlich. Ein Netzgerät für ein Handy muss die 230 Volt Wechselspannung in eine Gleichspannung mit nur wenigen Volt umwandeln. Das erreicht man durch geschicktes Verschalten von Dioden. Bei einer Wechselspannung wechselt ständig die Polung der Spannung. Ist eine Diode im Stromkreis, so lässt sie nur die Spannung mit einer geeigneten Polung durch. Bei der umgekehrten Polung sperrt sie. Damit ist der erste Schritt zum Erhalten einer Gleichspannung gemacht. Durch die fortwährende Rekombination von Elektronen und Löchern in den Halbleiterbauelementen werden Netzteile allerdings mit der Zeit warm, wenn nicht sogar heiß. Eine besondere Form von Dioden sind die „LEDs“: Light Emitting Diods. Sobald ein Elektron und ein Loch rekombinieren wird hier die Energie nicht als Wärme, sondern in Form von sichtbarem Licht frei. Unterschiedliche Materialien geben Licht mit verschiedenen Wellenlängen ab. Daher können LEDs in diversen Farben leuchten. Siliziumdioden geben Strahlungen im unsichtbaren Infrarotbereich ab und werden zum Beispiel in Fernbedienungen eingesetzt. Galliumarsenid leuchtet rot. Galliumphosphid leuchtet grün. Kombiniert man verschiedene LEDs miteinander, können die LED-Lampen auch weiß leuchten. Diese verbrauchen weitaus weniger Energie als herkömmliche Glühbirnen. LEDs geben Licht ab. Photodioden funktionieren umgekehrt, sie wandeln einfallendes Licht in elektrische Energie um. Ein Beispiel dafür sind die Solarzellen. Eine Solarzelle ist eine Diode mit einer riesengroßen Fläche. Unten befindet sich eine p-dotierte Schicht, darüber die n-dotierte Schicht, die so hauchdünn ist, dass das Sonnenlicht durch sie hindurch fallen kann. Ist die Solarzelle dem Sonnenlicht ausgesetzt, so liefern die einfallenden Photonen genug Energie um zusätzliche Elektronen aus ihrer festen Bindung zu schlagen. Im n-/p-Grenzbereich entstehen neue Elektronen-Lochpaare. Die Elektronen werden von der positiven Raumladung in den n-Leiter gezogen. Die Löcher von der negativen Raumladung in den p-Leiter. Nach und nach baut sich so eine Spannung auf, die Leerlaufspannung. Die Solarzelle ist nun eine Spannungsquelle mit einem Plus- und einem Minuspol. Verbindet man die Pole zu einem Stromkreis, kann man damit ein Gerät betreiben. Eine Photodiode kann auch die Funktion eines Schalters haben. Wenn Licht einfällt leitet sie, wenn es dunkel ist unterbricht sie. In einem Raster angeordnet bilden Photodioden das Herzstück einer jeden Digitalkamera, den Photosensor. Jede Diode auf dem Raster gibt die Information, ob und wieviel Licht vorhanden ist, als einen spezifischen Pixel in das digitale Bild weiter.

2 Kommentare

2 Kommentare
  1. Ojeh, mein Fehler sorry!

    Von Kugelfich, vor mehr als 3 Jahren
  2. Gutes Video, nur ist die Durchlassrichtung falsch dargestellt.
    Die ist nämlich immer vom der Anode (p-dotierte Schicht)
    Zur Kathode(n-dotierte Schicht)
    Oder bin ich da falsch ?

    Von Kugelfich, vor mehr als 3 Jahren

Dioden, LEDs und Transistoren – Dioden Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Dioden, LEDs und Transistoren – Dioden kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe den Aufbau einer Diode.

    Tipps

    Bei der Dotierung werden Fremdatome in einen Halbleiterkristall eingebracht. Dabei können entweder Fremdatome eingebracht werden, die mehr Valenzelektronen haben, oder solche, die weniger Valenzelektronen haben. Dabei kommt es entweder zu freien (negativen) Elektronen oder zu positiven Löchern. Wie heißen die jeweiligen Schichten?

    Bei der n-Dotierung wird ein Fremdatom mit mehr Valenzelektronen eingebracht. Ein Elektron kann nicht gebunden werden und wird frei. Wie könnte es bei einer p-Dotierung sein?

    Wenn ein freies Elektron und ein positives Loch aufeinandertreffen, dann rekombinieren sie. Es kommt zu keiner weiteren Verschiebung. Kann dies an den Übergangsflächen der Schichten leicht passieren und kann das auch noch passieren, wenn bereits eine rekombinierte Schicht vorhanden ist?

    Lösung

    Bei der Dotierung werden Fremdatome in einen Halbleiterkristall eingebracht. Dabei können entweder Fremdatome eingebracht werden, die mehr Valenzelektronen haben, oder solche, die weniger Valenzelektronen haben.

    Werden Fremdatome mit mehr Valenzelektronen eingebracht, dann wird das n-Dotierung genannt. Ein Elektron kann jeweils nicht an das Atom des Halbleiterkristalls gebunden werden und wird zu einem freien Elektron.

    Werden Fremdatome mit weniger Valenzelektronen eingebracht, dann wird das p-Dotierung genannt. Es fehlt jeweils ein Elektron in der Valenzschicht des Halbleiteratoms. Somit kommt es zu einem sogenannten positiven Loch.
    Die Löcher bewegen sich, da immer ein anderes Elektron aus einem Nachbaratom das Loch füllt und dort ein neues entsteht.

    Dort wo die Schichten aneinander angrenzen werden die Löcher von den freien Elektronen gefüllt. Es kommt zur Rekombination. Die Valenzschale des Halbleiteratoms ist gefüllt und es sind auch keine freien Elektronen mehr über.

    So bildet sich eine Schicht aus, in der keine Bewegung von Löchern oder Elektronen stattfindet. Dadurch wird es mit zunehmender Schichtdicke immer unwahrscheinlicher, dass ein freies Elektron noch auf ein positives Loch trifft.
    Die Sperrschicht hat sich gebildet.

  • Zeige die Kennlinie einer Diode.

    Tipps

    Wenn die Diode in Durchlassrichtung angeschlossen ist, dann nimmt der Strom ab der Schwellspannung enorm zu. Bei geringeren Spannungen ist die Sperrschicht noch sehr groß.

    Die negative Seite des Koordinatensystems zeigt an, dass der Strom dann in die andere Richtung fließt. Wie verhält sich eine Diode, wenn sie in Sperrrichtung angeschlossen ist?

    Bis zu einer gewissen Spannung lässt die Diode in Sperrrichtung keinen Strom durch. Ab einer Spannung $U_D$, die auch Durchschlagsspannung genannt wird, geht die Diode kaputt und der Strom steigt sehr stark an.

    Lösung

    Jede Diode ist etwas unterschiedlich und hat demnach auch eine unterschiedliche Kennlinie.
    Die Kennlinie wird in einem Spannungs-Strom-Diagramm aufgetragen. Dabei wird also die Stromstärke in Abhängigkeit der Spannung betrachtet.

    Alle Dioden haben jedoch gemeinsam, dass sie in Durchlassrichtung grundsätzlich Strom durchlassen und in Sperrrichtung nicht.

    Dabei steigt die Stromstärke in Durchlassrichtung ab der Schwellspannung stark an. Diese Spannung kann aber auch sehr gering sein. Diese Spannung ist notwendig, um den Sperrbereich der Diode zu überwinden.

    In Sperrichtung wird Strom erst ab der Durchschlagsspannung durchgelassen. Diese ist immer sehr groß im Verhältnis zur Durchlassspannung. Die Diode geht hier kaputt und lässt deswegen Strom durch.

  • Erkläre die Funktionsweise einer Diode.

    Tipps

    Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab. Welchen Ladungen entsprechen die Ladungsträger und wohin werden sie je nach Anschluss an die Pole gezogen?

    Wie wirkt sich eine Verschiebung der Ladungsträger jeweils auf die Größe der Sperrschicht aus? Die Ladungsträger können in die Mitte oder zum Rand verschoben werden.

    Ein Strom fließt nur dann, wenn die Elektronen ungehindert von einer Seite bis zur anderen Seite der Diode fließen können.

    Lösung

    In der Physik gilt ganz allgemein:
    Ungleichnamige Ladung ziehen sich an und gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.

    Dieses Prinzip kann auch hier angewendet werden. Die positiven Löcher entsprechen positiven Ladungsträgern und die freien Elektronen entsprechen negativen Ladungsträgern.

    Ja nachdem, an welche Schicht welcher Pol angeschlossen wird, werden die Ladungsträger dann angezogen oder abgestoßen.

    Werden sie abgestoßen, dann bewegen sich die Ladungsträger in Richtung der Mitte. Deswegen wird die Sperrschicht verkleinert.
    Sobald die Spannung größer als die Schwellspannung ist, können die Ladungen die Sperrschicht durchdringen und es fließt ein Strom.

    Werden sie von den Polen angezogen, dann bewegen sich die Ladungsträger zu den Rändern der Diode. Die Sperrschicht wird vergrößert. Es fließt kein oder nur ein sehr kleiner Strom.
    Erst wenn die Spannung größer als die Durchschlagsspannung ist, schlägt die Diode durch und es fließt wieder ein Strom.

  • Erkläre die Funktionsweise einer Photodiode.

    Tipps

    In der Sperrschicht existieren Restladungen. Diese werden auch Raumladungen genannt. Sie können die Bewegung von beweglichen Ladungsträgern beeinflussen.

    Gleichnamige Ladungen ziehen sich an, ungleichnamige stoßen sich ab. Wohin werden die beweglichen Ladungsträger dann jeweils von den Raumladungen gezogen?

    Dadurch, dass ungleichnamige Ladungen sich anziehen, entsteht eine Spannung zwischen ihnen, falls sie auseinanderbewegt werden oder zwischen ihnen ein Abstand besteht.

    Lösung

    Bei der Bildung der Sperrschicht entstehen Restladungen, die sogenannten Raumladungen.
    Hierbei entsteht auf der Seite der n-dotierten Schicht eine positive Raumladung.
    Auf der Seite der p-dotierten Schicht entsteht eine negative Raumladung.

    Die obenliegende Schicht ist sehr dünn. Die Photonen des Lichtes können sie durchdringen. Mit ihrer Energie können sie in der Sperrschicht dann Elektronen aus ihren Bindungen schlagen.
    So entsteht ein freies Elektron und damit auch ein positives Loch.

    Durch die positive Raumladung wird das (negative geladene) freie Elektron dann in die n-dotierte Schicht gezogen.
    Das positive Loch wird von der negativen Raumladung in die p-dotierte Schicht gezogen.

    Zwischen dem Elektron und dem positiven Loch baut sich anschließend eine Spannung auf.

    Dies passiert immer wieder, bis die Spannung so groß ist, dass sie messbar wird: die Leerlauf-Spannung.

  • Nenne die Besonderheit einer Diode.

    Tipps

    Dioden werden zum Beispiel als Lampen eingesetzt. Können diese von alleine leuchten und Strom erzeugen, oder sind sie auf einen Stromkreis angewiesen?

    Bei einer Diode gibt es eine Durchlass- und eine Sperrrichtung. Was könnten diese Begriffe heißen?

    Die Durchlassrichtung gibt die Richtung an, in die der Strom durchgelassen wird. Die Sperrrichtung gibt die Richtung an, in die der Strom gesperrt wird.

    Lösung

    Die Diode kann in zwei Richtungen in einen Schaltkreis eingebaut werden.

    Es gibt die Durchlassrichtung und die Sperrrichtung.

    In der Durchlassrichtung wird der Strom durchgelassen. In einem Stromkreis mit einer Lampe würde die Lampe nun leuchten.

    In der Sperrrichtung wird der Strom nicht durchgelassen. Die Lampe würde nun nicht leuchten.

    Somit kann mit einer Diode zwar eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt werden, andersherum geht das aber nicht: Da die Diode den Strom nur in eine Richtung durchlässt, kann durch sie keine Wechselspannung entstehen. Bei dieser würde der Strom abwechselnd in verschiedene Richtungen fließen.

  • Erkläre den Unterschied zwischen LED und Photodiode.

    Tipps

    Die LED wird auch Leuchtdiode genannt. Das kommt von der Übersetzung des englischen Wortes light-emitting diode. Auf welche Verwendung könnte es hinweisen?

    Heutzutage werden in vielen Lampen LED's verwendet. Diese werden im Gegensatz zu herkömmlichen Glühlampen nicht warm.

    Auch Wärmestrahlung ist im Licht enthalten. Sie wird auch Infrarotstrahlung genannt.

    Photodioden findest du zum Beispiel in Solarpanelen.

    Lösung

    Die LED wird auch Leuchtdiode genannt. Dabei kommt LED aus dem englischen und heißt dort light-emitting diode, was übersetzt so viel wie Licht aussendende Diode heißt. Das Wort Emittieren wird dabei auch im Deutschen verwendet.

    Daraus wird auch der Zweck einer LED leicht ersichtlich:
    Sie emittiert Licht.
    Genauer entsteht bei jeder Rekombination von freien Elektronen und Löchern Wärme. Diese Wärme wird dann in abgestrahltes Licht umgewandelt.

    Eine Photodiode ist dagegen zum Beispiel in Solarzellen zu finden. Sie nimmt Licht auf. Weiterhin wird mithilfe der Energie des aufgenommenen Lichtes eine Spannung erzeugt. So wird das Licht in elektrische Energie umgewandelt.

    Ein Beispiel zur Anwendung:
    Wird die Photodiode in Sperrrichtung betrieben, dann leuchtet die Lampe nur dann, wenn Licht auf die Diode scheint. Wird statt der Lampe nun ein Amperemeter (Strommessgerät) eingebaut, kann die Lichtmenge, die auf die Diode fällt, gemessen werden. Je mehr Licht auf die Diode fällt, desto größer der Strom.

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