Facharbeit Zum Thema
Aufbau einer
Name: Anna Lukyanova Klasse: 12 c Fach: Physik/ Philosophie Lehrer: Herr Götzinger/ Herr Kapteina Datum: 6.02.2003
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Inhaltsverzeichnis
1) Einleitung
2) Was ist eine Diode
3) Durchbrüche einer Diode
4) Allgemeine Information über Leitfähigkeit von Metallen
a) Halbleiter
b) Nichtleiter
c) Leiter
5) Selbstbau einer Diode
6) Ergebnisse
7) Auswertung
8) Nutzung im Bereich der Technik
9) Rolle einer Diode in der Technik
10) Literaturverzeichnis
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Einleitung Die Elektronik dringt in immer weitere Bereiche unseres beruflichen und privaten
Lebens vor. Heute müssen sich Angehörige sehr verschiedenartiger Berufe mit der
Elektronik auseinandersetzen. „Die Entwicklung in auf diesem Gebiet hat in den
letzten 50 Jahren einen gewaltigen Aufschwung genommen, der sowohl die
Breitenentwicklung als auch ein vertieftes Verständnis aller physikalischen
Eigenschaften betrifft“ 1
Die Physik der Halbleiter ist ein Beispiel für das Ineinandergreifen reiner Forschung
und technologischer Entwicklung. Dieses Zusammenwirken begünstigte die
Entdeckung neuer Effekte, beispielsweise des „Gunneffektes“, oder die Entwicklung
des Injektionslasers.2 Heute ist die Halbleiterphysik ein weitgehend selbstständiger
Zweig der Festkörperphysik.
Aufgrund der beschriebenen großen Bedeutung der Halbleitertechnik habe ich mir
das Thema „Aufbau einer Halbleiterdiode“ für meine Facharbeit ausgewählt. Ich
wollte nun selbst versuchen, ob es möglich ist eine Halbleiterdiode nachzubauen.
Ich werde dabei auf verschiedne Dinge eingehen: Was ist Diode, wie definiert man
Halbleiter, was sind Nichtleiter. Weiterhin werden in der Facharbeit auch allgemeine
Information über Leitfähigkeit von Metallen behandelt.
Bei der Vorbereitung meiner Facharbeit habe ich einige Bücher durchgelesen und
vieles, was ich interessant fand in die Arbeit eingearbeitet.
1 D.A. Fraser, Halbleiter-Physik, R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1981, S. 44 2 Artikel in der wissenschaftlichen Zeitung „Physik in unserem Leben“, Scherz Verlag,
Stuttgard, 1989, S. 28
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Was ist eine Diode.
Die Diode ist ein einfach aufgebautes Halbleiterelement mit zwei Anschlüssen. Sie
werden mit Anode und Kathode bezeichnet. Eine Diode besteht aus n- und p-
dotiertem Halbleitermaterial. Sie werden folgendermaßen angeordnet.3 (Sieh. Abb. 1)
Abb. 1 Aufbau einer Halbleiterdiode
Man setzt also n- und p- dotiertes Halbleitermaterial in Kontakt, und schließt an die
beiden Halbleiterschichten jeweils ein Kabel an. Im n-dotiertem Material befindet sich
die ganze Menge negativ geladenen Stellen und im p-dotierten Material positiv
geladenen. In diesem Fall heißt positiv geladene Stelle, wo ein negativ geladenes
Elektron fehlt. Eine Materialkonstante ist die Anzahl der freien Elektronen und der
Löcher. („Die offene Bildung wird Loch genannt“4 Ein Loch ist aber ein fehlendes
Elektron.) Diese Anzahl ändert sich auch nicht. Man kann daher nicht die freie
Elektronen aus dem Material entfernen. Man kann durch Anlegen von elektrischen
Feldern lediglich ihre Position im Material beeinflussen. Es wird die äußere
Spannung angelegt. Die Diode sperrt genau in dem Moment, wenn die Spannung so
an die Diode gelegt wird, dass das n-dotierte Material mit dem Positiven und das p-
dotierte Material mit dem negativen Pol verbunden ist.
Der Grund hierfür sind physikalische Gesetze. Wie bei einem Magneten stoßen sich
gleiche Ladungen ab und unterschiedliche Ladungen ziehen sich an.
Es sind zwei Möglichkeiten denkbar. Zunächst wird der positive Pol einer externen
Spannungsquelle mit dem n-dotierten Halbleitermaterial verbunden. Die bereits
erwähnten Anziehungskräfte bewirken, dass die Elektronen zum Pol wandern. Auf
der anderen Seite (negativer Pol der externen Spannungsquelle) passiert umgekehrt
genau der gleiche Vorgang. Die Löcher wandern zum negativen Pol. Die Mitte der
3 Konrad Kreher, Elektronen und Protonen in Halbleitern und Isolatoren, Akademie-Verlag, Berlin 1986, S. 94. 4 Klaus Hesse, Halbleiter 1, Bibliographisches Institut Mannheim/ Wien/ Zürich 1974, S. 31
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Diode ist praktisch ladungsfrei. Ohne frei bewegliche Ladung ist kein Stromfluss
möglich. In dieser Richtung kann die Diode nicht von Strom durchflossen werden.
(Sieh. Abb. 2)
Abb. 2 Halbleiterdiode in Sperrrichtung 5
Polt man die Diode um, wirken ebenfalls Anziehungs- und Abstoßungskräfte.
In diesem Fall wirkt durch die negative Spannung am n-dotierten Material eine
Abstoßungsreaktion in Richtung Mitte. Die Elektronen werden in Richtung Mitte
verdrängt. Dort kommen sie den positiven Löchern sehr nahe. Hier reicht den
Elektronen dann nur wenig Energie (d.h. eine geringe Spannungsdifferenz) aus, um
auf eine Lochposition zu springen und sie auszufüllen. Im p-dotierten Material
vollzieht sich der gleiche Vorgang in umgekehrter Weise.Die positiven Löcher
werden in Richtung Mitte abgedrängt. Dort verschwinden sie, da die Lochstellen mit
den Elektronen aus der n-dotierten Seite aufgefüllt werden.
(Sieh Abb. 3)
Abb. 3 Halbleiterdiode in Flussrichtung 6
In der Sperrschicht „verschwinden“ jeweils die „Paare“ aus Elektronen und Loch.
Somit können dann jeweils weitere Elektronen in das n-dotierte Material nachfließen.
5 Konrad Kreher, Elektronen und Photonen in Halbleitern und Isolatoren, Akademie-Verlag Berlin, 1986, S. 95. 6 S. o., S. 96.
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Auch sie werden sofort in Richtung Mitte gedrückt. Das Gleiche passiert auch auf der
anderen Seite mit den Löchern.
Die Vorstellung der „fließenden Löcher“ ist nur ein Denkmodell. Löcher, die
gedanklich in die eine Richtung fließen, bedeuten nichts anderes, als dass
Elektronen in der entgegengesetzten Richtung fließen. Die Weiterleitung der Löcher
findet allerdings nur im p-dotierten Material statt. Durch den metallischen
Anschlussdraht können sie nicht fließen.
Die Anzahl der Elektronen im n-dotierten und die Anzahl im p-dotierten
Halbleitermaterial ist immer konstant. An der Verbindung des Drahtes mit dem p-
dotierten Material fließt ein Elektron in Richtung der positiven Spannungsquelle. Es
hinterlässt im Halbleitermaterial ein Loch, wenn ein Loch in der Näher der
Sperrschicht verschwindet. Somit fließen Elektronen in das n-dotierte Material hinein.
Aus dem p-dotierten Material fließen hingehen Elektronen exakt der gleichen Anzahl
hinaus. Dies bedeutet, dass ein Stromfluss stattfindet und die Diode leitet.
Durchbrüche einer Diode Die Diode darf nicht überlastet werden. Die vom Hersteller angegebene Stromstärke
und Spannung dürfen nicht überschritten werden. Wird die höchstzulässige
Sperrspannung überschritten, so kommt es zu Durchbrüchen. Man unterscheidet den
Wärmedurchbruch und den Zenerdurchbruch.
Der Zenerdurchbruch tritt vor allem bei stark dotierten Si-Dioden auf. Diese Dioden
haben sehr große Feldstärken in der Sperrschicht. Von einer bestimmten
Sperrspannung ab werden Elektronen aus ihren Kristallbindungen gelöst. Die
Sperrschicht wird dadurch plötzlich leitfähig. Wenn es gelingt, die plötzliche
Stromzunahme zu begrenzen, wird die Diode nicht zerstört.
Der Wärmedurchbruch ist eine häufige „Todesursache“ von Halbleiterdioden. Beim
Wärmedurchbruch wird das Kristall unzulässig hoch erhitzt. Es wird dadurch zerstört.
Eine Kristallzerstörung durch übermäßige Erhitzung ist auch im Durchlassbereich
möglich. Steigt der Durchlassstrom wesentlich über seien höchstzulässigen Wert, so
tritt eine übermäßige Kristallerwärmung ein.
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Innerhalb des Kristalls wird die Sperrschicht am stärksten erwärmt. Die
höchstzulässigen Temperaturen werden deshalb für die Sperrschicht angegeben. 7
Allgemeine Information über Leitfähigkeit von Metallen: In Festkörpern bilden Elektronen den „Kit“ zwischen den Atomen. Diese Elektronen
sind unterschiedlich fest an die Atome gebunden- je nach dem ob es sich dabei um
Isaolatoren, Halbleiter oder Leiter handelt.
a) HALBLEITER Allgemein sind Halbleiter Stoffe, deren elektrische Leitfähigkeit kleiner ist als die der
Leiter, aber größer als die der Nichtleiter. Im engeren Sinne versteht man unter
Halbleitern vor allem die Werkstoffe, die für die Herstellung bestimmter
elektronischer Bauelemente verwendet werden. Man spricht in diesem
Zusammenhang von einer Halbleitertechnik. In der Halbleitertechnik hat Silizium zur
Zeit die größte Bedeutung. Weitere technisch wichtige Halbleiterwerkstoffe sind
Germanium, Selen, Galliumarsenid und Indiumantimonid.
Diese Werkstoffe haben alle Kristallstruktur. Das bedeutet, die Atome sitzen auf
bestimmten vorgegebenen Plätzen. Sie sind nach einem bestimmten Schema
geordnet. Der Kristall hat einen bestimmten Aufbau.
Halbleiter werden durch die Menge der Elektronen auf der äußeren Schale, der so
genannten M-Schale, definiert. Die vier Elektronen der äußeren Schale werden
Valenzektronen genannt. Die Valenzelektronen sind für die Bindung an die
Nachbaratome verantwortlich. 8
b) NICHTLEITER Stoffe, in denen die Elektronen fest an die Atome gebunden sind, bezeichnet man
auch als Isolatoren, Nichtleiter oder Dielektrika. Die Beispiele dafür sind Glas,
Gummi und trockenes Holz.
c) LEITER Leiter sind die Metalle, bei denen Elektronen an das Atom nicht fest gebunden sind,
sonder frei gesetzt werden. Besonders Metalle wie z.B. Kupfer und Silber sind gute
Leiter.
7 W. L. Bontsch-Brujewitsch, S.G. Kalaschnikow, Halbleiterphysik, Swesda, Monkaus 1970, siehe Kapitel : Halbleitereigenschaften und chemische Bindung. 8 N. K. Krawtschenko, Lehrbuch Physik 9. Klasse, Ridna Mowa, Kiew 1996. S. 80.
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Abb. 4 Herleitung von Kupfersulfid
Selbstbau einer Diode Am Anfang habe ich versucht einer Diode mit Pyrit und einem Eisennagel
herzustellen. Nach einigen ergebnislosen Versuchen wählte ich eine andere
Methode, und zwar mit Kupfersulfid und Aluminium.
Aus der Schulsammlung bekam ich vom
Physiklehrer ein Kupferblech und etwas Schwefel.
Mit Hilfe von Schmirgelpapier raute ich die
Oberfläche des Kupferblechs auf. Das ist nötig
damit die Reaktion zwischen Schwefel und Kupfer
schneller verläuft. Danach kamen ca. 2g Schwefel
und das geschmirgelte Kupferblech in das
Reagenzglas. Anschließend wurde das
Reagenzglas über der Flamme erhitzt. Bei dieser
Erhitzung ist das Kupferblech durchgeglüht.9 (sieh Abb.4) Damit war ein Teil meiner
zukünftigen Diode fertig. Als nächstes habe ich beim Hausmeister ein Stückchen
Aluminium besorgt.10
Ergebnisse Nun sollte ich nur überprüfen, ob meine Diode genau so gut funktioniert, wie eine
herkömmliche Diode. Zum Test der Diode wurde eine Uss= ~16 V mit 50 Hz
verwendet (Sinuswechselspannung). Dafür wurde eine Testschaltung gebaut, um die
Gleichrichterwirkung gut erkennen zu können. Es wurde eine effektive
Wechselspannung mit ca. 5 V mit einem Spannungsleiter angelegt. Die Diode sollte
die Kurvenform verändern.
Abb 5 Testschaltung
9 Vor der Durchführung diesen Versuches habe ich mich bei dem Biologielehrer erkundigt, ob die Dämpfe bei der Zusammenwirkung von Schwefel und Kupfer nicht giftig sind. Es hat sich rausgestellt, dass bei der Menge, die ich verwendet habe keine Probleme auftreten können. 10 Es muss nicht reines Aluminium sein.
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Zunächst wurde eine herkömmliche Diode untersucht.
Am Anfang war es nicht einfach die richtige Stelle für die Messung zu finden. Es gab
immer mehrere Störungen.
Ich musste einige Zeit probieren, bis das Ergebnis zufrieden stellend war. Wichtig für
eine gute Messung war, dass die Spitze des Aluminiums das Kupferblech berührte.
Abb. 6
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Meine besten Ergebnisse sahen folgendermaßen aus.
Auswertung Die Störungen sind natürlich immer noch zu sehen, aber an bestimmten Stellen kann
man deutlich die Gleichrichterwirkung erkennen. Somit kann ich sagen, dass ich eine
funktionierende Halbleiterdiode herstellen konnte.
Nutzung im Bereich der Technik Eine Diode kann man in Durchlass-, Sperr-, oder Durchbruchbereich betrieben
werden. Dioden werden sehr oft als Gleichrichterdioden verwendet. Das sind die, die
überwiegend zur Gleichrichtung von Wechselspannungen eingesetzt werden. Sie
werden normalerweise im Durchlass- und Sperrbereich betrieben. Es gibt auch
einige Dioden, die zur Spannungsstabilität verwendet werden. Neben einer Vielzahl
von "Spezialdioden", die hier nicht näher besprochen werden können, ist die
"Kapazitätsdiode" zu nennen. Sie ist wichtig für die Frequenzabstimmung von
Schwingkreisen. Die Funktionsweise ergibt sich aus ihrer besonders ausgeprägten
Spannungsabhängigkeit der Sperrschichtkapazität.
Abb. 7 Flächendiode
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Abb. 8 Planerdiode 11
Rolle in der Technik Wenn über Halbleiter gesprochen wird, fällt zuerst das Silizium ein, welches auch die
Basis für die Computertechnologie ist. Darüber hinaus ist auch der
Verbindungshalbleiter Galliumarsenid von Bedeutung, der in der Optoelektronik eine
wichtige Rolle spielt. „Galliumnitrid revolutionierte in den letzten Jahren das Gebiet
der Leuchtdioden- der LEDs (light emitting devices)- und der LASER-Dioden (light
amplifikation by stimulated emmision of radiation). Im sichtbaren bis ultravioletten
Spektralbereich. So sind bereits viele PKW-Rückleuchten und Verkehrsampeln mit
solchen wartungsarmen und langlebigen LEDs bestückt“.12
Die Herstellung einer Diode war wirklich ein sehr wichtiges Ereignis des 19..
Jahrhunderts. Aus einer Diode haben sich Transistoren (zwei gegeneinander
eingeschaltete Dioden) und integrierte Schaltkreise entwickelt. Ein Radio ist z.B.
tragbar geworden. Wichtige Vorteile einer Diode sind geringer Materialverbrauch
sowie langfristig ökonomische Produktion.
11 Klaus Beuth, Bauelemente, Elektronik 2, Vogel Buchgverlag, 1997, S. 108. 12 www.tu-chemnitz.de/spektrum/02-1/seiten/seite19.htm
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Literaturverzeichnis
1) Klaus Beuth, Bauelemente, Elektronik 2, Vogel Buchgverlag, 1997.
2) D.A. Fraser, Halbleiter-Physik, R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1981,
3) Artikel in der wissenschaftlichen Zeitung „Physik in unserem Leben“, Scherz
Verlag, Stuttgard, 1989.
4) Konrad Kreher, Elektronen und Protonen in Halbleitern und Isolatoren,
Akademie-Verlag, Berlin 1986.
5) Klaus Hesse, Halbleiter 1, Bibliographisches Institut Mannheim/ Wien/ Zürich
1974.
6) W. L. Bontsch-Brujewitsch, S.G. Kalaschnikow, Halbleiterphysik, Swesda,
Monkaus 1970.
7) N. K. Krawtschenko, Lehrbuch Physik 9. Klasse, Ridna Mowa, Kiew 1996.
8) Herbert Pientka, Leitungsvorgänge in Metallen und Halbleitern, Vieweg,
Braunschweig 1974.
9) www.b-kainka.de/bastel119.htm
10) www.tu-chemnitz.de/spektrum/02-1/seiten/seite19.htm