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Halbleiter und Eigenleitung

Halbleiter sind sehr wichtig für die moderne Elektronik. Im Gegensatz zu Leitern und Isolatoren haben sie veränderliche elektrische Eigenschaften. Silizium ist eines der am häufigsten verwendeten Halbleiterelemente. Erfahre mehr über Elektronenpaarbindungen und Eigenleitung! Interessiert? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text.

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Physik-Team
Halbleiter und Eigenleitung
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse

Halbleiter und Eigenleitung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Halbleiter und Eigenleitung kannst du es wiederholen und üben.
  • Stelle die Veränderung der Stromstärke bei Veränderung der Temperatur und konstanter Spannung in einem Halbleiter graphisch dar.

    Tipps

    In welchen Temperaturbereichen leiten Halbleiter?

    Lösung

    Halbleiter sind Heißleiter. Sie leiten den Strom nicht, wenn sie sehr kalt sind und immer besser, je wärmer sie werden. Es muss also einer der Graphen richtig sein, der ansteigt. Der Zusammenhang kann jedoch nicht linear sein, da mit steigender Temperatur immer schneller Elektronen frei werden.

  • Nenne Leiter, Halbleiter und Isolatoren.

    Tipps

    Aus welchen Materialien bestehen Kabel?

    Versuche, die vorliegenden Stoffe in chemische Stoffgruppen einzuordnen.

    Welche Stoffgruppen leiten den Strom?

    Lösung

    Ob ein Stoff Strom leitet oder nicht, kann man in Versuchen herausfinden. Man hat dabei festgestellt, dass alle Metalle den Strom gut leiten können.

    Welche Stoffe zu den Metallen gehören, kannst du im Periodensystem der Elemente genauer erforschen.

    Zu den Isolatoren gehören die Nichtmetalle und die Halbleiter findest du in der Klasse der Halbmetalle.

    Es gibt dabei jedoch auch Ausnahmen:

    Zum Beispiel Graphit.
    Graphit ist ein guter Leiter, auch wenn seine Leitfähigkeit etwa eine Größenordnung schlechter ist als die von Metallen. Gleichzeitig kann man Graphit auch als Halbleiter verwenden.

    Genauso wie Graphit besteht auch ein Diamant aus Kohlenstoff. Diamanten leiten im Gegensatz zu Graphit jedoch keinen Strom und können als Isolator oder sehr gute Halbleiter eingesetzt werden.

    Die mikroskopische Struktur, in der ein Stoff vorliegt, ist also auch ein entscheidender Einflussfaktor auf die Leitfähigkeit.

  • Beschreibe die Leitfähigkeit von Halbleitern.

    Tipps

    Stelle dir die Struktur vor, aus der Halbleiter aufgebaut sind.

    Lösung

    Man nennt Halbleiter auch Heißleiter, da sie bei geringen Temperaturen nicht leitfähig sind, bei hohen Temperaturen hingegen einzelne Elektronen ihre Bindungen verlassen und somit eine geringe Zahl von Elektronen und Löchern die Stromleitung ermöglichen. Es sind jedoch nicht alle Valenzelektronen frei beweglich.

    Das kannst du dir am besten verdeutlichen, wenn du dir die Struktur des Halbleitermaterial vorstellst.

  • Erkläre die Eigenleitung von Silizium.

    Tipps

    Stelle dir das Halbleitermaterial vor und überlege, was bei Erwärmung des Materials passiert.

    Was passiert, wenn eine Spannung angelegt wird?

    Lösung

    Wird ein Halbleiter erwärmt, dann können sich einzelne wenige Valenzelektronen, die vorher alle in einer Elektronenpaarbindung feststeckten, lösen und frei im Material bewegen.

    In der Halbleiterelektronik beginnt man, auch die Ladungsbewegung der positiv geladenen Stellen zu beschreiben. Da es keine positiv geladenen Teilchen sind, sondern Elektronenfehlstellen, nennt man diese Stellen zum Beispiel Löcher oder Defektelektronen.

  • Nenne Alltagsgegenstände, die nur mit Halbleitertechnik herzustellen sind.

    Tipps

    Was sind Halbleiter?

    Lösung

    Sand besteht zwar zu großen Teilen aus Siliciumdioxid und enthält somit ein Element, das als Halbleiter eingesetzt wird, aber ein Sandhaufen enthält keine Halbleiterbauteile. Auch eine Batterie enthält zwar chemische Elemente zur Ladungstrennung, es wird aber kein Bauteil aus Halbleitermaterial benötigt.

    Computer, Solarzellen und Smartphones hingegen sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und basieren allesamt auf der Halbleitertechnik.

  • Erläutere, warum es sinnvoll sein könnte, einen Feuermelder mit einem Temperatursensor aus Silizium anstelle von Metall herzustellen.

    Tipps

    Unter welchen Bedingungen muss ein Brandmelder, der die Temperatur überwacht, warnen?

    Es ist nur eine Antwort richtig.

    Lösung

    Im Normalbetrieb bei normalen Temperaturen ist es von Vorteil, wenn im Sensor wenig Strom fließt. Das bedeutet nämlich eine kleinere Stromrechnung.

    Obwohl Silizium in sehr großen Mengen in Sand als Siliziumdioxid vorkommt, muss es erst in technisch nutzbare Form gebracht werden. Man kann nur extrem reines Silizium verwenden.