Sexl Physik 7, Schulbuch

Experiment: LED-Grundversuch 30.1 Du brauchst : Batterie (9V), LED, Vorwiderstand (1 kΩ), Steckplatine E 1 a) Baue die Versuchsanordnung wie in 30.1 auf. Der längere Draht (Anode) ist mit dem Pluspol der Batterie zu verbinden. Die LED müsste nun leuchten. E 1 b) Vertausche nun in der Versuchsanordnung den Widerstand und die LED. Welche Wirkung kannst du beobachten? E 1 c) Stecke nun die LED so um, dass die Anode am Minuspol der Batterie liegt. Was kannst du beobachten? Zeichne dazu ein entsprechendes Schaltbild. Ausbildung einer Sperrschicht ( 30.2 ): Durch die thermische Bewegung wandern frei bewegliche Elektronen über die Kontaktfläche vom n- zum p-Leiter und füllen Elektronenlöcher. Daher fehlen in der Grenzschicht bewegliche Ladungsträger. Im n-Leiter bleiben positive Donator-Ionen zurück, das n-Gebiet wird dadurch positiv. Im p-Leiter fehlen die positiven Elektronenlöcher, das führt zu einer negativen Aufladung. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld, das die weitere Wanderung von Ladungen über die Kontaktfläche verhindert. Da freie Ladungsträger fehlen, steigt der Widerstand der Grenzschicht, sie wird zur Sperrschicht. a ) Der pn-Übergang mit äußerer Spannung ( Sperrrichtung ) Legt man an den pn-Übergang eine Spannung so an, dass der Minuspol am p-Lei- ter und der Pluspol am n-Leiter liegen, so werden die freien Elektronen des n-Lei- ters zum Pluspol, die Elektronenlöcher des p-Leiters zum Minuspol gezogen: Die Sperrschicht verbreitert sich, es kann kein Ladungstransport durch den Übergang erfolgen. Die Diode sperrt ( 30.3 ). b ) Der pn-Übergang mit äußerer Spannung ( Durchlassrichtung ) Legt man den Minuspol einer Spannungsquelle an den n-Leiter, den Pluspol an den p-Leiter, so werden die freien Elektronen bzw. Löcher in die Sperrschicht gedrängt. Diese wird schmäler. Überschreitet schließlich die angelegte Spannung einen be- stimmten Schwellenwert (Schwellenspannung), dann kompensiert sie das Feld der Ionen in der Sperrschicht, die Sperrschicht verschwindet und Strom kann fließen, indem an der Grenzschicht die einströmenden Elektronen und Löcher rekombinie- ren ( 30.4 ). Experiment: Kennlinie einer Leuchtdiode (LED) 30.2 Du brauchst : LED, regelbare Spannungsquelle, Voltmeter, Amperemeter E 2 In einem Stromkreis wird eine LED in Durchlassrichtung eingebaut. Erst wenn die anliegende Spannung einen bestimmten Mindestwert (Schwellenspan- nung) überschreitet, beginnt Strom zu fließen. Die Ladungsträger können die Sperrschicht der Diode überwinden. Untersuche mit Hilfe der Schaltung in 30.5 das Verhältnis von Stromstärke zu Spannung einer LED und stelle die Kennlinie grafisch dar. Welchen Unterschied zu Ohm’schen Widerständen kannst du fest- stellen? (Beachte: Die Maximalstromstärke für LEDs beträgt ca. 20mA. Reguliere die Span- nung vorsichtig!) Der Transistor Bereits in den späten 1930er Jahren suchte W ILLIAM S HOCKLEY (1910–1989) am For- schungslabor der amerikanischen Firma Bell nach einer elektronischen Schaltein- heit, mit der die elektromechanischen Schalter in den damaligen Telefonzentralen ersetzt werden konnten. Shockleys Forschungen zur Halbleiterphysik wurden durch den Zweiten Weltkrieg unterbrochen. Gemeinsam mit J OHN B ARDEEN (1908– 1991) und W ALTER B RATTAIN (1902–1987) konnte er 1947 erstmals an einem einfa- chen Modell die Verstärkerwirkung eines Transistors zeigen (Nobelpreis 1956). Da- mit setzte eine stürmische Entwicklung ein. Industriell wurden Transistoren ab 1950 produziert, das erste Transistorradio kam in den USA 1954 auf den Markt. p n 30.3 pn-Übergang in Sperrrichtung: Legt man an den p-Leiter den Minuspol, an den n-Leiter den Pluspol einer Spannungsquelle, werden die freien Ladungsträger abgesaugt, die Sperrschicht verbreitert sich. p n 30.4 pn-Übergang in Durchlassrichtung: Legt man an den p-Leiter den Pluspol, an den n-Leiter den Minuspol einer Spannungsquelle, werden die freien Ladungsträger in die Sperr- schicht getrieben, diese wird abgebaut und Strom kann fließen. 30.5 Schaltbild Kennlinie einer LED – + A V R = 100  3 V 30.2 p- und n-Leiter in Kontakt (ohne äuße- re Spannung): Über die pn-Grenzfläche diffun- dieren Elektronen und Löcher. Durch ihre Re- kombination verarmt die Grenzzone an freien Ladungsträgern und wird zur Sperrschicht (großer Widerstand). Das elektrische Feld der unkompensierten Gitterionen wirkt der weite- ren Diffusion von Ladungsträgern entgegen. (A–, D+ stellen Akzeptor- und Donator-Ionen dar.) + + - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + A - A - D + D + p p n n 30.1 Schaltbild LED-Grundversuch 30 ERWEITERUNG Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv