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Elektrizitätslehre

Elektrische Leitungsvorgänge: Halbleiter und Diode

Wie Strom in Gasen und Halbleitern fließt, was am pn-Übergang passiert und warum eine Diode nur eine Richtung durchlässt.

Benötigte Grundlagen

Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.

Einführung

Bisher galt eine einfache Einteilung: Metalle leiten, Kunststoffe nicht. Zwischen diesen beiden Welten liegt aber eine dritte, und sie hat die Technik des zwanzigsten Jahrhunderts umgekrempelt.

Halbleiter leiten mal gut, mal schlecht, je nach , Licht oder angelegter . Genau diese Steuerbarkeit macht sie zur Grundlage jedes Computers, jeder LED und jeder Solarzelle. In diesem Kapitel geht es darum, warum das funktioniert.

Das kannst du nach diesem Kapitel

  • Leiter, Nichtleiter und Halbleiter unterscheiden.

  • die Temperaturabhängigkeit von Metall und Halbleiter vergleichen und erklären.

  • die Leitung in Gasen an einer Anwendung beschreiben.

  • Dotierung und den pn-Übergang beschreiben.

  • erklären, warum eine Diode nur in einer Richtung leitet.

  • Anwendungen (LED, Fotowiderstand, Thermistor, Solarzelle) zuordnen.

Halbleiter

Zwischen Leitern und Nichtleitern liegen die Halbleiter, vor allem Silizium und Germanium. Ihr Widerstand ist bei Zimmertemperatur groß, lässt sich aber gezielt beeinflussen.

Der entscheidende Unterschied zeigt sich beim Erwärmen:

MetallHalbleiter
Widerstand bei Erwärmungsteigtsinkt
GrundGitterschwingungen behindern die Elektronen stärkerzusätzliche Ladungsträger werden frei

Warum Halbleiter bei besser leiten: Im reinen Silizium ist jedes Elektron fest in einer Bindung zwischen zwei Atomen gebunden, es gibt also fast keine freien Ladungsträger. Wärme kann einzelne Elektronen aus ihrer Bindung lösen. Jedes gelöste Elektron ist ein neuer Ladungsträger, und zusätzlich hinterlässt es eine Lücke, das Loch, in das ein Nachbarelektron springen kann. Damit wandert auch das Loch, und zwar wie eine positive .

Mehr Wärme bedeutet mehr freie Elektronen und Löcher, also besseres Leiten.

Genau darauf beruht der NTC-Widerstand (Thermistor), der als Temperatursensor eingesetzt wird, etwa im Fieberthermometer, im Backofen und in der Motorsteuerung.

Licht wirkt ähnlich: Beim Fotowiderstand (LDR) lösen Lichtteilchen Elektronen aus ihren Bindungen. Mehr Licht bedeutet kleineren Widerstand. Anwendung: Dämmerungsschalter für Straßenlaternen.

Dotierung

Reines Silizium leitet schlecht. Die Technik hilft nach, indem sie gezielt winzige Mengen eines Fremdstoffs einbaut. Das heißt Dotieren; typisch ist ein Fremdatom auf zehn Millionen Siliziumatome.

n-Dotierung (n für negativ): Man baut Atome mit einem Außenelektron mehr ein, etwa Phosphor. Das überzählige Elektron findet keinen Bindungspartner und ist deshalb frei beweglich. Es gibt also überschüssige Elektronen.

p-Dotierung (p für positiv): Man baut Atome mit einem Außenelektron weniger ein, etwa Bor. Dadurch fehlt in einer Bindung ein Elektron, es entsteht ein Loch. Es gibt also überschüssige Löcher.

🔴 Wichtig: Beide Materialien sind nach außen elektrisch neutral. Dotieren erzeugt keine , es stellt nur bewegliche Ladungsträger bereit. Zu jedem zusätzlichen Elektron gehört ein zusätzliches Proton im Phosphorkern.

Ein Fremdatom, ein beweglicher Ladungsträgern-dotiert: PhosphorSiSiSiSiPSiSiSiSifreies Elektronp-dotiert: BorSiSiSiSiBSiSiSiSiLochn-Silizium ist nicht negativ geladen

Wichtig ist, was nicht passiert: Beide Stücke bleiben nach außen elektrisch neutral. Das Fremdatom bringt seine selbst mit; neu ist nur ein frei beweglicher Ladungsträger. „n-Silizium ist negativ geladen“ ist der häufigste Irrtum an dieser Stelle.

Der pn-Übergang

Jetzt kommt der Kern. Bringt man eine p- und eine n-dotierte Schicht zusammen, passiert an der Grenze etwas Bemerkenswertes:

Freie Elektronen aus der n-Schicht wandern in die p-Schicht und füllen dort Löcher. Umgekehrt wandern Löcher in die n-Schicht. In einem schmalen Bereich um die Grenze gibt es danach keine freien Ladungsträger mehr. Dieser Bereich heißt Sperrschicht.

Zurück bleiben ortsfeste : In der n-Schicht fehlen Elektronen, sie wird dort positiv; in der p-Schicht sind zusätzliche angekommen, sie wird negativ. Zwischen beiden entsteht ein , das eine weitere Wanderung stoppt. Der Vorgang kommt von selbst zum Stillstand.

An der Grenze bleibt eine leere Zone zurückp-Gebietn-GebietGrenzschichtohne bewegliche Ladungsträger−+−+−+Ihr Feld bremst das Nachwandern, die Zone bleibt stabil

An der Grenze gleichen sich Elektronen und Löcher aus. Zurück bleiben ortsfeste Ionen, die im Gitter sitzen und nicht mitwandern können. Ihr Feld bremst das weitere Nachwandern, und deshalb bleibt die Zone stabil.

Warum die Diode nur in eine Richtung leitet

Eine Halbleiterdiode ist nichts anderes als ein solcher pn-Übergang mit zwei Anschlüssen.

Durchlassrichtung (Pluspol an p, Minuspol an n): Das äußere Feld wirkt dem inneren entgegen. Die Sperrschicht wird schmaler und verschwindet ab etwa 0,7 V0{,}7\,\text{V} (bei Silizium). Ladungsträger können jetzt durchwandern, es fließt Strom.

Sperrrichtung (Pluspol an n, Minuspol an p): Das äußere Feld verstärkt das innere und zieht die Ladungsträger von der Grenze weg. Die Sperrschicht wird breiter, und es fließt praktisch kein Strom.

Die Kennlinie einer Diode ist deshalb extrem unsymmetrisch: In Durchlassrichtung steigt der Strom ab etwa 0,7 V0{,}7\,\text{V} steil an, in Sperrrichtung bleibt er nahe null. Eine Diode ist damit das genaue Gegenteil eines ohmschen Widerstands.

Anwendung: Gleichrichter. Aus Wechselspannung wird durch Dioden eine , die nur noch in eine Richtung zeigt. Genau das steckt in jedem Netzteil, denn elektronische Geräte brauchen Gleichspannung.

Dieselbe Diode, zwei AnschlussrichtungenDurchlassrichtungpn+−Grenzschicht schmalStrom fließtSperrrichtungpn−+Grenzschicht breitkein StromDie Diode kennt keine Richtung, die Grenzschicht ändert sich

Dieselbe Diode, nur andersherum angeschlossen. Beachte die Breite der Grenzschicht: einmal schmal, einmal breit. Die Diode „kennt“ keine Richtung. Es ändert sich nur, wie breit die Zone ohne bewegliche Ladungsträger wird. Erst ab etwa 0,7 V ist sie schmal genug, dass überhaupt Strom fließt.

Die Leuchtdiode

Eine LED ist eine Diode aus einem besonderen Halbleiter. Wenn in Durchlassrichtung ein Elektron in ein Loch fällt, wird die frei werdende als Licht abgegeben.

Die Farbe hängt davon ab, wie groß dieser Energiesprung ist, und damit vom Material. Deshalb gibt es LEDs in festen Farben und nicht in beliebig einstellbaren.

LEDs sind sehr effizient, weil die Energie direkt in Licht übergeht statt über den Umweg der Erhitzung eines Glühfadens. Eine Glühlampe setzt nur rund 5 %5\,\% in Licht um, eine LED etwa 40 %40\,\%.

🔴 Eine LED braucht immer einen . Ohne ihn steigt der Strom oberhalb der Durchlassspannung fast unbegrenzt an, und die LED brennt sofort durch.

Leitung in Gasen

Trockene Luft ist ein guter Isolator. Sie kann aber leitfähig werden, wenn ihre Teilchen ionisiert werden, also Elektronen verlieren. Dann stehen freie Elektronen und positive Ionen als Ladungsträger zur Verfügung.

Ionisieren kann man durch sehr hohe (Blitz, Zündkerze), durch hohe (Flamme) oder durch Strahlung.

Leuchtstofflampe: In einer Röhre mit Gas bei niedrigem wird eine Gasentladung gezündet. Die beschleunigten Elektronen stoßen Gasatome an, diese senden ultraviolettes Licht aus, und eine Leuchtstoffschicht auf der Innenwand wandelt es in sichtbares Licht um.

Weitere Beispiele: Neonröhre, Blitzlicht, Nordlicht, Zündkerze, Lichtbogenschweißen.

Solarzelle

Auch die Solarzelle ist ein pn-Übergang. Fällt Licht auf die Sperrschicht, löst es Elektronen aus ihren Bindungen. Das dort vorhandene innere Feld trennt Elektron und Loch sofort und schiebt sie zu den beiden Anschlüssen. Zwischen ihnen entsteht dadurch eine , und über einen angeschlossenen Verbraucher fließt Strom.

Es ist also derselbe pn-Übergang wie bei der Diode, nur andersherum genutzt: Die Diode bekommt Spannung und gibt Strom (oder Licht), die Solarzelle bekommt Licht und gibt Spannung.

Diode in beiden Richtungen

Eine Siliziumdiode wird mit einer Lampe in Reihe an eine Batterie geschaltet. Beim Umpolen der Batterie bleibt die Lampe dunkel. Erkläre beide Fälle mit dem pn-Übergang.

  1. 1

    Ausgangszustand ohne äußere . Am pn-Übergang haben sich freie Ladungsträger gegenseitig neutralisiert. Es bleibt eine schmale Sperrschicht ohne freie Ladungsträger, und ein inneres Feld verhindert weitere Wanderung.

  2. 2

    Fall 1: Durchlassrichtung (Pluspol an der p-Schicht, Minuspol an der n-Schicht).

    Das äußere Feld ist dem inneren entgegengerichtet. Es drückt Löcher aus der p-Seite und Elektronen aus der n-Seite auf die Grenze zu. Die Sperrschicht wird dadurch schmaler.

    Ab etwa 0,7 V0{,}7\,\text{V} ist sie praktisch verschwunden: Ladungsträger können durchwandern, es fließt Strom, die Lampe leuchtet.

  3. 3

    Fall 2: Sperrrichtung (Pluspol an n, Minuspol an p).

    Jetzt wirkt das äußere Feld in dieselbe Richtung wie das innere. Es zieht die Elektronen der n-Seite zum Pluspol und die Löcher der p-Seite zum Minuspol, also von der Grenze weg.

    Die Sperrschicht wird dadurch breiter, und der ladungsträgerfreie Bereich wächst. Es fließt praktisch kein Strom, die Lampe bleibt dunkel.

  4. 4

    Zur Ehrlichkeit: „Kein Strom" heißt nicht exakt null. Es fließt ein winziger Sperrstrom im Bereich von Nanoampere, verursacht von Ladungsträgern, die durch entstehen. Für jede praktische Anwendung ist er bedeutungslos, und er wächst mit der .

    Außerdem gibt es eine Grenze: Wird die Sperrspannung zu groß, bricht die Diode durch. Bei normalen Dioden ist das ein Defekt; bei der eigens dafür gebauten Z-Diode ist es die eigentliche Funktion.

Durchlassrichtung: Sperrschicht schmaler, ab etwa 0,7 V0{,}7\,\text{V} fließt Strom, Lampe leuchtet. Sperrrichtung: Sperrschicht breiter, praktisch kein Strom, Lampe dunkel. Die Diode ist damit ein elektrisches Ventil.

Vorwiderstand für eine LED

Eine rote LED braucht 2,0 V2{,}0\,\text{V} und verträgt höchstens 20 mA20\,\text{mA}. Sie soll an einer 99-Volt-Batterie betrieben werden.

a) Welche muss der aufnehmen?

b) Wie groß muss er sein?

c) Was passiert ohne Vorwiderstand?

  1. 1

    a) LED und Vorwiderstand liegen in Reihe, also teilt sich die Batteriespannung auf beide auf:

    UR=Uges−ULED=9,0 V−2,0 V=7,0 VU_R = U_{\text{ges}} - U_{\text{LED}} = 9{,}0\,\text{V} - 2{,}0\,\text{V} = 7{,}0\,\text{V}
  2. 2

    b) In Reihe fließt überall derselbe Strom, also auch durch den Widerstand 20 mA=0,02 A20\,\text{mA} = 0{,}02\,\text{A}:

    R=URI=7,0 V0,02 A=350 ΩR = \frac{U_R}{I} = \frac{7{,}0\,\text{V}}{0{,}02\,\text{A}} = 350\,\Omega

    In der Praxis nimmt man den nächstgrößeren Normwert, hier 390 Ω390\,\Omega. Größer ist sicherer: Der Strom wird dann etwas kleiner und die LED etwas dunkler, aber sie überlebt.

  3. 3

    c) Ohne Vorwiderstand lägen die vollen 9 V9\,\text{V} an der LED.

    Eine LED ist kein ohmscher Widerstand: Oberhalb ihrer Durchlassspannung steigt der Strom bei kleiner Spannungserhöhung fast senkrecht an. Es gibt nichts, was ihn begrenzt.

    Der Strom würde also weit über 20 mA20\,\text{mA} hinausschießen, die LED überhitzt in Sekundenbruchteilen und ist zerstört. Das passiert so schnell, dass man oft nur ein kurzes Aufleuchten sieht.

  4. 4

    Die dahinterstehende Regel: Bauteile mit steiler Kennlinie brauchen immer eine äußere Strombegrenzung. Bei einem ohmschen Widerstand begrenzt er sich selbst, denn dort wächst der Strom nur proportional mit.

a) 7,0 V7{,}0\,\text{V} b) 350 Ω350\,\Omega, praktisch 390 Ω390\,\Omega c) Ohne Vorwiderstand steigt der Strom unbegrenzt und die LED wird sofort zerstört.

Typischer Fehler

„Ein p-dotierter Halbleiter ist positiv geladen, ein n-dotierter negativ."

Beide sind nach außen elektrisch neutral. Die Buchstaben p und n bezeichnen nicht die des Materials, sondern die Art der beweglichen Ladungsträger.

Warum Neutralität gelten muss: Baut man ein Phosphoratom ins Siliziumgitter ein, kommt zwar ein zusätzliches Elektron dazu, aber eben auch ein zusätzliches Proton im Phosphorkern. Die Ladungsbilanz bleibt ausgeglichen. Beim Bor fehlt ein Elektron und ein Proton.

Dotieren erzeugt also keine Ladung, es stellt nur bewegliche Ladungsträger bereit, wo vorher fast keine waren.

Was die Buchstaben wirklich bedeuten:

  • n-dotiert: überschüssige freie Elektronen (negative Träger)
  • p-dotiert: überschüssige Löcher, die sich wie positive Träger verhalten

Wann tatsächlich Ladung entsteht: erst am pn-Übergang. Dort wandern Elektronen von n nach p, und danach ist die n-Seite in einem schmalen Streifen positiv, die p-Seite negativ geladen. Aber auch dann ist das gesamte Bauteil weiterhin neutral, die Ladung ist nur umverteilt.

Diese Unterscheidung ist mehr als Wortklauberei: Wäre p-Silizium wirklich positiv geladen, würde es fremde Ladungen anziehen und sich sofort neutralisieren. Der ganze pn-Übergang funktioniert nur, weil beide Seiten von sich aus neutral sind.

Übung 1

leicht

a) Nenne zwei Halbleitermaterialien.

b) Wie ändert sich der Widerstand eines Halbleiters beim Erwärmen? Und der eines Metalls?

c) Was bedeutet n-dotiert, was p-dotiert?

d) In welcher Richtung leitet eine Diode?

Tipp anzeigen

b) Die beiden Antworten sind entgegengesetzt.

Lösung anzeigen

a) Silizium und Germanium (auch Galliumarsenid).

b) Halbleiter: Der Widerstand sinkt, weil durch die zusätzliche Elektronen aus ihren Bindungen gelöst werden und als Ladungsträger zur Verfügung stehen.

Metall: Der Widerstand steigt, weil die Atomrümpfe heftiger schwingen und die driftenden Elektronen häufiger behindern. Neue Ladungsträger entstehen nicht, es sind ohnehin schon alle frei.

c) n-dotiert: Es wurden Fremdatome mit einem Außenelektron mehr eingebaut (z. B. Phosphor), es gibt überschüssige freie Elektronen.

p-dotiert: Fremdatome mit einem Außenelektron weniger (z. B. Bor), es gibt überschüssige Löcher.

Beide Materialien sind nach außen elektrisch neutral.

d) In Durchlassrichtung, also wenn der Pluspol an der p-Schicht und der Minuspol an der n-Schicht liegt. In Sperrrichtung fließt praktisch kein Strom.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    a) und b) Zwei Halbleiter und das entgegengesetzte Temperaturverhalten

    Halbleiter sind Silizium und Germanium (auch Galliumarsenid). Beim Erwärmen sinkt ihr Widerstand, weil zusätzliche Elektronen aus ihren Bindungen gelöst werden und als Ladungsträger zur Verfügung stehen. Beim Metall steigt er.

  2. 2

    c) Was Dotieren bewirkt

    n-dotiert: Es wurden Fremdatome mit einem Außenelektron mehr eingebaut (etwa Phosphor), es gibt überschüssige freie Elektronen. p-dotiert: Fremdatome mit einem Außenelektron weniger (etwa Bor), es gibt überschüssige Löcher.

  3. 3

    d) In welcher Richtung eine Diode leitet

    In Durchlassrichtung, also wenn der Pluspol an der p-Schicht und der Minuspol an der n-Schicht liegt. In Sperrrichtung fließt praktisch kein Strom.

  4. 4

    Ergebnisse deuten: warum Halbleiter die Technik verändert haben

    Halbleiter sind weder Leiter noch Isolatoren, sondern lassen sich durch Dotieren, durch , durch Licht und durch angelegte steuern. Genau diese Steuerbarkeit unterscheidet sie von Kupfer und Glas.

Übung 2

mittel

Eine grüne LED (ULED=2,2 VU_{\text{LED}} = 2{,}2\,\text{V}, I=15 mAI = 15\,\text{mA}) soll an 5 V5\,\text{V} betrieben werden.

a) Berechne den nötigen .

b) Welche setzt der Vorwiderstand um?

c) Welche Leistung setzt die LED um, und wie groß ist der Anteil an der Gesamtleistung?

Tipp anzeigen

In Reihe fließt überall derselbe Strom.

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a) UR=5,0 V−2,2 V=2,8 VU_R = 5{,}0\,\text{V} - 2{,}2\,\text{V} = 2{,}8\,\text{V}

R=URI=2,8 V0,015 A≈187 ΩR = \frac{U_R}{I} = \frac{2{,}8\,\text{V}}{0{,}015\,\text{A}} \approx 187\,\Omega

Praktisch nimmt man 220 Ω220\,\Omega (nächster Normwert nach oben).

b) PR=UR⋅I=2,8 V⋅0,015 A=0,042 W=42 mWP_R = U_R \cdot I = 2{,}8\,\text{V} \cdot 0{,}015\,\text{A} = 0{,}042\,\text{W} = 42\,\text{mW}

c) PLED=2,2 V⋅0,015 A=0,033 W=33 mWP_{\text{LED}} = 2{,}2\,\text{V} \cdot 0{,}015\,\text{A} = 0{,}033\,\text{W} = 33\,\text{mW}

Pges=42 mW+33 mW=75 mWP_{\text{ges}} = 42\,\text{mW} + 33\,\text{mW} = 75\,\text{mW} Anteil=3375=0,44=44 %\text{Anteil} = \frac{33}{75} = 0{,}44 = 44\,\%

Bemerkenswert: Mehr als die Hälfte der wird im Vorwiderstand in umgesetzt, nicht in der LED. Der Vorwiderstand ist also nötig, aber energetisch verschwenderisch.

Deshalb benutzt man in richtigen LED-Lampen keinen Vorwiderstand, sondern eine elektronische Konstantstromquelle, die den Strom regelt, ohne den Überschuss zu verheizen.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    Gegeben und Gesucht an der LED-Schaltung

    Gegeben: ULED=2,2 VU_{\text{LED}} = 2{,}2\,\text{V}, I=15 mAI = 15\,\text{mA} und die Betriebsspannung 5 V5\,\text{V}. Gesucht: a) der Vorwiderstand, b) seine Leistung, c) die LED-Leistung und ihr Anteil.

  2. 2

    Milliampere in Ampere

    Das und die Leistungsformel rechnen in Ampere: 15 mA=0,015 A15\,\text{mA} = 0{,}015\,\text{A}.

    15 mA=0,015 A15\,\text{mA} = 0{,}015\,\text{A}

    Zwischenergebnis

    I=0,015 AI = 0{,}015\,\text{A}

  3. 3

    a) Die Spannung teilt sich, der Rest fällt am Widerstand ab

    In der Reihenschaltung addieren sich die Teilspannungen zur Gesamtspannung. Was die LED nicht braucht, muss der Vorwiderstand aufnehmen: UR=5,0 V−2,2 V=2,8 VU_R = 5{,}0\,\text{V} - 2{,}2\,\text{V} = 2{,}8\,\text{V}. Daraus folgt R=URIR = \frac{U_R}{I}.

  4. 4

    a) bis c) Vorwiderstand und beide Leistungen

    Erst der Widerstand aus Teilspannung und Strom, dann beide Leistungen als P=U⋅IP = U \cdot I mit demselben Strom.

    R=2,8 V0,015 A≈187 ΩR = \frac{2{,}8\,\text{V}}{0{,}015\,\text{A}} \approx 187\,\Omega; PR=2,8 V⋅0,015 A=0,042 WP_R = 2{,}8\,\text{V} \cdot 0{,}015\,\text{A} = 0{,}042\,\text{W}; PLED=2,2 V⋅0,015 A=0,033 WP_{\text{LED}} = 2{,}2\,\text{V} \cdot 0{,}015\,\text{A} = 0{,}033\,\text{W}

    Zwischenergebnis

    R≈187 ΩR \approx 187\,\Omega, PR=42 mWP_R = 42\,\text{mW}, PLED=33 mWP_{\text{LED}} = 33\,\text{mW}

  5. 5

    c) Ergebnis deuten: mehr als die Hälfte wird verheizt

    Pges=42+33=75 mWP_{\text{ges}} = 42 + 33 = 75\,\text{mW}, davon entfallen auf die LED 3375=0,44\frac{33}{75} = 0{,}44, also nur 44 %44\,\%. Mehr als die Hälfte der Energie wird im Vorwiderstand in Wärme umgesetzt, nicht in der LED.

Übung 3

schwer

a) Erkläre, wie am pn-Übergang die Sperrschicht entsteht.

b) Warum kommt dieser Vorgang von selbst zum Stillstand?

c) Erkläre die Wirkungsweise einer Solarzelle.

d) Warum leuchtet eine Leuchtstoffröhre, obwohl Gase eigentlich Isolatoren sind?

Tipp anzeigen

b) Was bleibt zurück, wenn Elektronen die n-Seite verlassen?

Lösung anzeigen

a) An der Grenzfläche treffen viele freie Elektronen (n-Seite) auf viele Löcher (p-Seite). Elektronen wandern in die p-Schicht und füllen dort Löcher; Löcher wandern in die n-Schicht.

In einem schmalen Streifen um die Grenze gibt es danach keine freien Ladungsträger mehr. Dieser Bereich heißt Sperrschicht und leitet nicht.

b) Weil die wandernden Ladungsträger ortsfeste zurücklassen. Auf der n-Seite fehlen Elektronen, die dortigen Atomrümpfe wirken deshalb positiv; auf der p-Seite sind Elektronen angekommen, sie wird negativ.

Zwischen beiden Seiten entsteht dadurch ein , das genau der weiteren Wanderung entgegenwirkt: Es zieht Elektronen zur positiven n-Seite zurück. Je mehr gewandert ist, desto stärker das Gegenfeld. Bei einer bestimmten Breite halten sich Wanderungsdrang und Gegenfeld die Waage, und der Vorgang stoppt.

Das ist ein schönes Beispiel für ein System, das sich selbst begrenzt.

c) Eine Solarzelle ist ein großflächiger pn-Übergang. Fällt Licht auf die Sperrschicht, löst es dort Elektronen aus ihren Bindungen; es entstehen jeweils ein freies Elektron und ein Loch.

Das innere Feld der Sperrschicht trennt beide sofort: Elektronen werden zur n-Seite geschoben, Löcher zur p-Seite. Ohne dieses Feld würden sie einfach wieder rekombinieren.

Durch die Trennung lädt sich die n-Seite negativ und die p-Seite positiv auf. Zwischen den Anschlüssen liegt dadurch eine (bei Silizium etwa 0,5 V0{,}5\,\text{V} je Zelle), und über einen angeschlossenen Verbraucher fließt Strom.

Weil eine einzelne Zelle nur 0,5 V0{,}5\,\text{V} liefert, schaltet man in einem Modul viele Zellen in Reihe.

d) Gase leiten nicht, solange ihre Teilchen neutral sind. In der Röhre wird das Gas jedoch ionisiert: Eine hohe Zündspannung reißt Elektronen aus den Gasatomen, sodass freie Elektronen und positive Ionen als Ladungsträger entstehen.

Diese Ladungsträger werden im Feld beschleunigt und stoßen weitere Atome an, die dadurch ebenfalls ionisiert werden. So hält sich die Entladung selbst aufrecht.

Angeregte Quecksilberatome senden dabei ultraviolettes Licht aus, das für uns unsichtbar wäre. Die Leuchtstoffschicht auf der Innenwand nimmt es auf und gibt die als sichtbares Licht wieder ab. Über die Zusammensetzung dieser Schicht stellt man die Lichtfarbe ein (warmweiß, neutralweiß, tageslichtweiß).

Ein Vorschaltgerät ist nötig, weil der Widerstand der Gasentladung nach dem Zünden stark sinkt: Ohne Strombegrenzung würde die Röhre sich selbst zerstören, dasselbe Problem wie bei der LED.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

  1. 1

    a) Wie die Sperrschicht entsteht

    An der Grenzfläche treffen viele freie Elektronen (n-Seite) auf viele Löcher (p-Seite). Elektronen wandern in die p-Schicht und füllen dort Löcher, Löcher wandern in die n-Schicht. In einem schmalen Streifen um die Grenze gibt es danach keine freien Ladungsträger mehr, dieser Bereich heißt Sperrschicht und leitet nicht.

  2. 2

    b) Warum der Vorgang von selbst stoppt

    Weil die wandernden Ladungsträger ortsfeste Ladungen zurücklassen: Auf der n-Seite fehlen Elektronen, die dortigen Atomrümpfe wirken positiv; auf der p-Seite sind Elektronen angekommen, sie wird negativ. Zwischen beiden entsteht ein elektrisches Feld, das der weiteren Wanderung entgegenwirkt.

  3. 3

    c) Wie eine Solarzelle daraus entsteht

    Eine Solarzelle ist ein großflächiger pn-Übergang. Fällt Licht auf die Sperrschicht, löst es dort Elektronen aus ihren Bindungen; es entstehen je ein freies Elektron und ein Loch. Das innere Feld der Sperrschicht trennt beide sofort: Elektronen zur n-Seite, Löcher zur p-Seite.

  4. 4

    d) Ergebnis deuten: wie ein Gas leitend wird

    Gase leiten nicht, solange ihre Teilchen neutral sind. In der Röhre wird das Gas jedoch ionisiert: Eine hohe Zündspannung reißt Elektronen aus den Gasatomen, sodass freie Elektronen und positive Ionen als Ladungsträger entstehen. Diese werden im Feld beschleunigt und stoßen weitere Atome an, die ebenfalls ionisiert werden.

Zusammenfassung

Neben Leitern und Nichtleitern gibt es die Halbleiter, deren Widerstand bei Erwärmung sinkt statt zu steigen, weil dort zusätzliche Ladungsträger freisetzt. Durch Dotierung stellt man gezielt Elektronen (n) oder Löcher (p) bereit, ohne dass das Material dadurch geladen wird. Bringt man beide Schichten zusammen, gleichen sich die Ladungsträger an der Grenze aus und hinterlassen eine ladungsträgerfreie Sperrschicht, deren Feld den Vorgang selbst zum Stillstand bringt. Eine äußere macht diese Schicht je nach Polung schmaler oder breiter, und genau deshalb leitet eine Diode nur in einer Richtung. Auf demselben pn-Übergang beruhen die Leuchtdiode und die Solarzelle, während Gase erst nach Ionisation leitfähig werden, wie in der Leuchtstofflampe.