Definition Halbleiter
Ein Stoff, aus der 4. Hauptgruppe im PSE, bei der die Leitfähigkeit unter Normalbedienung zw den Leitern und Isolatoren liegt - es wird auch Heißleiter genannt.
Aufbau Halbleiter
- jedes Atom hat 4 Außenelektronen (4.HP)
- bildet ein Kristallgitter mit Elektronenpaarbindung
Leitungsvorgang
- durch Schwingende Bewegung der Atome an ihrem Platz, brechen einzelne Elektronenpaarbindungen auf -> somit stehen frei bewegl. Elektronen zur Verfügung
- beim Anlegen einer Spannung wandern Elektronen zum Pluspol u. die pos. Löcher (Defektelektronen) zum Minuspol der Spannungsquelle -> dadurch erfolgt insg. Bewegunf von Elektronen -> Stromfluss
Besonderheiten - Heißleiter (Halbleiter)
- Halbleiter: ntc (negative temperature coefficient), d.h, größere Temp. -> kleinerer Widerstand -> leiten elektrischen Strom in heißem Zustand besser
- Grund: durch Einfluss von Energie in Form von Licht oder Wärme schwingen Atome heftiger, es werden mehr Elektronenpaarbindungen aufgebrochen > wesentlich mehr frei bewegliche Ladungsträger zur Verfügung > Widerstand des HL nimmt ab
Besonderheiten - Kaltleiter (Metalle)
- Metalle sind ptc (positive temperature coefficient) d.h, bei größerer Temperatur
-> größerer Widerstand - leiten elektrischen Strom in kaltem Zustand besser
- Grund: bei höherer Temp. eines Kaltleiters nimmt Wärmeschwingungen des Gitters zu, durch Gitter werden driftende freie Elektronen stärker behindert -> großer Widerstand
Wie erkennt man ob ein Stoff ein Halbleiter oder Metall ist?’
Als erstes könnte man einen Schaltplan aufbauen (siehe Ab. 1) bei der man die Spannung und Stromstärke der beiden Stoffe messen kann. Danach muss man mit der Formel R=U/I den Widerstand ausrechnen - bei dem höheren Widerstand handelt es sich um den Halbleiter, da Metall ein wesentlich niedrigeren Widerstand als ein Halbleiter hat, zumindest bei Raumtemperatur, d.h Rh > Rm
Die 2. Möglichkeit wäre, dass man an beide eine gleiche Spannung anlegt, und der Stoff bei dem eine größere Stromstärke fließt, ist ein Metall, da Metall Strom besser leiten kann als Halbleiter.
Definition Dotieren
- Dotieren: Einbau von Fremdatomen in einen Halbleiterkristall zur gezielten Veränderung der Leitfähigkeit, z.B Silicium oder Phosphor
N-Leiter
- durch Einbau eines 5-wertigen Stoffes besteht ein Elektronenüberschuss
P-Leiter
- durch Einbau eines 3-wertigen Stoffes besteht Elektronenmangel -> es sind Löcher vorhanden
die Halbleiterdiode - Aufbau
- links: p-leitend(es) Gebiet, positive geladene Löcher
- rechts: n-leitend, Elektronen
- in Mitte: Grenzschicht, in der Neutralität herrscht, keine frei bewegl. Ladungsträger
- Schaltzeichen:
> |
>
- p-leitend
| - n-leitend
Durchlassrichtung
- links: positiv, p-leitend
- rechts: negativ, n-leitend
- Die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet, wenn Pluspol an p-Schicht und Minuspol an n-Schicht anliegt
> |
>
- p
| - n
Sperrrichtung
- Die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet, wenn Pluspol an der n-Schicht und der Minuspol an der p-Schicht anliegt
> |
>
- n, negativ
| - p, positiv
Kurve Halbleiter - Kennlinie
- Erst ab einem bestimmten Wert an Spannung fließt Strom durch die Halbleiterdiode -> Diesen Wert nennt man Schwellen oder Diffusionswert
-> erst ab diesem Wert können frei bewegl. Ladungsträger die Grenzschicht überqueren, somit fließt dann auch Strom
Kennlinie Glühlampe
Bei dieser Abbildung handelt es sich um eine Glühlampe, da man sehen kann, dass Stromstärke und Spannung nicht direkt proportional sind, weil die Stromstärke mit der Temp. steigt. Somit ist es keine Gerade, sondern eine Kurve, die als erstes steil ansteigt und dann abflacht.
Der Widerstand ist am Anfang klein, wird aber danach größer, weil die Glühlampe sich aufwärmt.
Kennlinie - Festwiderstand
Hierbei handelt es sich um einen Festwiderstand, da die Temperatur konstant bleibt und somit sind Stromstärke und Spannung direkt proportional zueinander (U~I) und dadurch steigt die Gerade (linear)
Einweggleichrichter
Schaltung mit nur einer Diode: eine Durchlass richtung / andere Stromrichtung
- Als erstes, Wechselspannung angelegt -> Wechselstrom -> Polung ändert sich ständig
- Durch Abwechslung der Polung wird Diode abwechselnd in Sperr und Durchlassrichtung geschalten ->
- Gleichrichter, der nur eine Stromrichtung eines Wechselstroms passieren lässt und die andere sperrt. Dadurch wird periodisch unterbrochener Gleichstrom aus einem Wechselstrom erzeugt.
- pos. Richtung des Wechselstroms: Durchlassrichtung > pos. Werte bleiben erhalten
- neg. Richt. des Wechselstroms: Sperrichtung kein Strom wird durchgelassen
Nachteil: gibt Phasen kein Strom fliest
Brückengleichrichter
- besteht aus Wechselspannungsquelle und vier Dioden (D1-D4)
- Dabei jeweils zwei Dioden in Reihe geschaltet, wobei Reihenschaltungen wiederum parallel geschaltet werden
-> hat vier Anschlüsse - beiden Verbindungen der Reihenschaltungen (zwischen den in Reihe geschalteten Dioden) dienen hier als Eingang für Wechselspannung,
Dadurch bleiben an Schaltung zwei Anschlüsse übrig - An diesem liegt die gleichgerichtete Wechselspannung (die Gleichspannung) an
- Im Gegensatz zum Einweggleichrichter hat Brückengleichrichter Vorteil, dass dieser beide Halbwellen der Wechselspannung nutzt und so effizienter arbeitet
- negativen Halbwellen Wechselspannung werden (bildlich gesprochen) nach oben geklappt, sodass Ausgang am Gleichrichter hier pulsierenden Gleichspannung entspricht
- Von vier Dioden leiten immer nur zwei
- Je nach Polung der Quelle leiten immer zwei gegenüberliegende Dioden, während andere Diodenpaar sperrt
- Polung der angelegten Quelle vertauscht, nun ist der +Pol oben und der -Pol unten. Bei einer Wechselspannung würde dies der Polung während der anderen Halbwelle entsprechen.
- einweggleichrichter
- ziel: wechselstrom in gleichstrom
- schaltung mit nur einer diode
- wenn normal gepolt -> durchlassrichtung, pos. werte erhalten
- bei umgekehrter polung -> sperrichtung, kein strom
- gleichstrom erhalten
- nachteil: phasen kein strom
-> Brückengleichrichter
- brückengleichrichter
- wechselstrom -> gleichstrom
- normale polung -> d1 und d4 durchlassrichtung
- polung umdrehen: d2 und d3 sprgen dafür, dass neg. werte umgekehrt werden
-> pulsierende gleichspannung, von gleichen seite vom empfänger kommt
