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Diode - suche gute Erklärung
 
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Lorz



Anmeldungsdatum: 18.09.2014
Beiträge: 74

Beitrag Lorz Verfasst am: 11. Feb 2024 22:40    Titel: Diode - suche gute Erklärung Antworten mit Zitat

Hallo!

Bald ist es wieder so weit - ich muss Halbleiter unterrichten.
Ich mag die meisten Physikthemen ja gerne und habe mir da eigentlich gutes Material zu entwickeln können.
Aber die Leitungsvorgänge in einer Diode... puh, da sträubt sich mir alles.

Global habe ich folgendes Problem, wenn es zB um die Lochleitung geht.
Ich lese dort insgesamt folgendes Denkschema heraus:

Ein Elektron habe eine gewisse Energie außerhalb einer Elektronenfehlstelle.
Regel 01: Es ist energetisch günstiger in das Loch zu gehen, dort hat es und es gilt

Regel 02: Ist das Elektron im Loch, so geht es heraus, weil es energetisch günstiger ist, das Loch zu verlassen.
Es gilt also insgesamt

Deshalb mag ich diese Lochleitungserklärung nicht...

Wahrscheinlich wird das ein harter Kampf - aber hat jemand die Muße, mir die Logik des Lochleitungsmodell zu erklären und obigen Widerspruch aufzulösen?
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3388

Beitrag ML Verfasst am: 12. Feb 2024 00:55    Titel: Re: Diode - suche gute Erklärung Antworten mit Zitat

Hallo,

Lorz hat Folgendes geschrieben:

Regel 01: Es ist energetisch günstiger in das Loch zu gehen, dort hat es und es gilt


Puh. Es geht dort auch nur rein, wenn es vor Ort ist, die überschüssige Energie los wird, der Impulserhaltungssatz eingehalten wird u. ä. Nicht umsonst gibt es im Halbleiter den Begriff der "freien Weglänge".

Zitat:

Regel 02: Ist das Elektron im Loch, so geht es heraus, weil es energetisch günstiger ist, das Loch zu verlassen.

So einfach ist das nicht. Um ein Elektron-Loch-Paar zu bilden, muss schon eine entsprechende Energie aufgebracht werden. Ganz ohne Zutun von außen bleibt das Elektron im Loch gefangen.
Bei einer Photodiode geschieht die Bildung eines Elektron-Loch-Paars oft durch Einstrahlung eines Photons.

Aber auch die thermische Energie hat einen großen Einfluss auf die Besetzung der einzelnen Zustände:
https://de.wikipedia.org/wiki/Fermi-Dirac-Statistik


Viele Grüße
Michael
Myon



Anmeldungsdatum: 04.12.2013
Beiträge: 5847

Beitrag Myon Verfasst am: 12. Feb 2024 10:14    Titel: Antworten mit Zitat

Ich verstehe Deine Regeln und was die Energien E1, E2 bedeuten, auch nicht ganz.

Ich denke, dass manche Verständnisprobleme mit der "Lochleitung" darin liegen, dass man sich zuviel darunter vorstellt. Grundsätzlich ist ein Loch ja einfach eine unbesetzte Elektronenstelle in einem Valenzband.

Das Thema Halbleiter ist ein grosses Gebiet, und ich weiss nicht, auf welcher Stufe Du dieses unterrichtest. Qualitativ wären für mich wichtige Punkte:

-Wesentlich für Halbleiter ist das Energiebändermodell. Ursache für das Entstehen von Energiebändern ist das periodische Potential der Gitterionen (Atomrümpfe), in dem sich die äusseren, schwach gebundenen und nicht nur um den Kern herum lokalisierten Elektronen befinden. Das gitterperiodische Potential führt zur Ausbildung von Energielücken ("verbotene" Energieintervalle) im Anregungsspektrum der äusseren Elektronen.

-Bei einem ganz einfachen, undotierten Halbleiter sind im Grundzustand alle Zustände in einem unteren Energieband (Valenzband) besetzt. Darüber befindet sich eine Bandlücke. Nur bei Anregung (thermisch oder wie erwähnt z.B. mit Einstrahlung von Photonen) können Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband angehoben werden.

Ist das Valenzband voll besetzt, können sich Elektronen dort nicht bewegen, da keine freien Plätze vorhanden sind. Erst, wenn Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband angeregt werden werden, entstehen im Valenzband unbesetzte Stellen. Wird eine Spannung an den Halbleiter angelegt, können sich dann die Elektronen im Leitungsband und die Elektronen im Valenzband bewegen. Im Valenzband kann man sich nun vorstellen, dass sich nicht Elektronen bewegen würden, sondern in entgegengesetzter Richtung die unbesetzten Stellen (positiv geladene Löcher). Tatsächlich bewegen sich aber immer Elektronen.

-Durch das Dotieren, das Einbringen von 3- oder 5-wertigen Fremdatomen in 4-wertige Kristalle (Si, Ge), werden die Eigenschaften des Halbleiters nochmals wesentlich verändert.
Bringt man 3-wertige Atome ein (Akzeptoren), so entsteht nahe über dem Valenzband ein Energieniveau, wohin Elektronen mit relativ wenig Energie aus dem Valenzband angeregt werden können, wodurch dort ein "Loch" entsteht. Es entsteht ein p-Halbleiter.
5-wertige Fremdatome (Dontatoren) führen zu einem Energieniveau dicht unter dem Leitungsband, von wo wiederum mit rel. geringer Energie Elektronen ins Leitungsband angehoben werden können (n-Halbleiter).

-Bringt man einen n-HL und einen p-HL zusammen, entsteht ein steiler Gradient von n-Elektronnen im Leitungsband und von p-Löchern im Valenzband. Als Folge davon diffundieren Elektronen in den p-Teil und Löcher in den n-Teil, wo sie jeweils mit den Löchern bzw. Elektronen rekombinieren. Es entsteht eine negative Ladungsdichte im p-Teil und eine positive Ladungsdichte im n-Teil. Das dadurch hervorgerufene E-Feld treibt wiederum Ladungsträger zurück. Als Resultat entsteht am Übergang eine Verarmungszone (Sperrschicht). Die Dicke der Sperrschicht kann durch das Anlegen einer äusseren Spannung geändert werden. Es entsteht der typische Strom-Spannungsverlauf einer Diode.
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3388

Beitrag ML Verfasst am: 12. Feb 2024 11:35    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo Myon,

soweit würde ich alles unterschreiben.

Die Aussage "Tatsächlich bewegen sich aber immer Elektronen" kann leicht zu Missverständnissen führen.

Ergänzt werden sollte, dass die Löchterleitung nicht durch freie Elektronen verursacht wird, was dadurch deutlich wird, dass sie eine effektive Masse ungleich der Elektronenmasse haben.

Darüber hinaus lässt das Vorzeichen der Hall-Spannung auf positive Ladungsträger schließen, wenn ich das richtig recherchiert habe (ich habe es leider noch nie selbst ausprobiert, habe das aber vor).


Viele Grüße
Michael
Frankx



Anmeldungsdatum: 04.03.2015
Beiträge: 981

Beitrag Frankx Verfasst am: 12. Feb 2024 12:21    Titel: Antworten mit Zitat

Zitat:
Bald ist es wieder so weit - ich muss Halbleiter unterrichten.
Ich mag die meisten Physikthemen ja gerne und habe mir da eigentlich gutes Material zu entwickeln können.
Aber die Leitungsvorgänge in einer Diode... puh


Hier ein gutes Beispiel, wie man mit schwierigen physikalisch-technischen Themen pädagogisch richtig umgeht.

https://www.youtube.com/watch?v=7QWosNm5xV8


.
Lorz



Anmeldungsdatum: 18.09.2014
Beiträge: 74

Beitrag Lorz Verfasst am: 13. Feb 2024 00:16    Titel: Antworten mit Zitat

Frankx hat Folgendes geschrieben:
Zitat:
Bald ist es wieder so weit - ich muss Halbleiter unterrichten.
Ich mag die meisten Physikthemen ja gerne und habe mir da eigentlich gutes Material zu entwickeln können.
Aber die Leitungsvorgänge in einer Diode... puh


Hier ein gutes Beispiel, wie man mit schwierigen physikalisch-technischen Themen pädagogisch richtig umgeht.

https://www.youtube.com/watch?v=7QWosNm5xV8


.

Good old memories come back Big Laugh
Lorz



Anmeldungsdatum: 18.09.2014
Beiträge: 74

Beitrag Lorz Verfasst am: 13. Feb 2024 00:30    Titel: Antworten mit Zitat

Myon hat Folgendes geschrieben:

Das Thema Halbleiter ist ein grosses Gebiet, und ich weiss nicht, auf welcher Stufe Du dieses unterrichtest. Qualitativ wären für mich wichtige Punkte:


Schon mal vielen Dank für Deine Erklärungen, die scheinst Du ja aus dem FF schütteln zu können, wow!

Bevor ich das, auch mit Hilfe von Grafiken, versuche nachzuvollziehen, was Du und ML geschrieben ha(s)t - eine einfachere Antwort zur fachlichen Tiefe.

Also das Thema kommt im Rahmen der Elektrik in Klassenstufe 10 vor, das ist das, was bei mir jetzt anliegt.
Vorkommen tut es in der Schule auch in der Sek II beim Halbleiterdetektor (Aufnahme von -Spektren) und Transistoranwendungen, etwa Rückkopplungsschaltung nach Messner.

Unterrichten kann ich Dioden in dem Sinne, dass ich die Bilder im Schulbuch zur Lochleitung zeige. Dieser Part gleicht jedoch mehr dem Auswendiglernen eines Gedichtes. Also es ist dann so, wie Physikunterricht nicht sein sollte - die SchülerInnen lernen einen Ablauf auswendig, es gibt keinen Raum, um wirklich nachzudenken.
Generell ist es für mich ein unbefriedigender Zustand, die Diode (und damit verknüpfte Themen wie Halbleiter und Transistoren) nicht so richtig zu verstehen.
Ich halte diesen Teil bisher kurz zugunsten der Anwendungen, etwa dem Gleichrichter oder dem praktischen Nutzen von Halbleitern bei technischen Anwendungen.

Aber vielleicht ergeben sich ja doch bald Möglichkeiten.
..to be continued..
ML



Anmeldungsdatum: 17.04.2013
Beiträge: 3388

Beitrag ML Verfasst am: 13. Feb 2024 00:44    Titel: Antworten mit Zitat

Hallo,

Lorz hat Folgendes geschrieben:

Schon mal vielen Dank für Deine Erklärungen, die scheinst Du ja aus dem FF schütteln zu können, wow!


grundsätzlich kann man die Halbleiter ja aus zwei Perspektiven betrachten:
a) der makroskopischen Perspektive der Kennlinien und
b) der mikroskopischen Perspektive.

Kennlinien beschreiben das Außenverhalten, d. h. den Zusammenhang zwischen u(t) und i(t) an den Klemmen des Bauelements. Diese lassen sich im Falle der Diode leicht aufnehmen. Im Falle der Photodiode ist es etwas schwieriger, da die Photodiode im 1. und 3. Quadranten als Verbraucher, im 4. Quadranten jedoch als Energieerzeuger fungiert. (Viele Spannungsquellen wollen keine Energie aufnehmen.)

Von der Diodenkennlinie (und den Kennlinien verschiedenfarbiger LEDs) kann man zum PN-Übergang kommen und überlegen, wie es zu der jeweils farbabhänigen Diodenspannung kommt.

Für die mikroskopische Perspektive würde ich folgendes Lehrbuch empfehlen:
https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-662-07579-1

Es ist sicherlich in einer Bibliothek in der näheren Umgebung erhältlich.

Auf einfacherem Niveau kann man auch mit Leifi anfangen:
https://www.leifiphysik.de/elektronik/einfuehrung-die-elektronik/grundwissen/dotierte-halbleiter



Viele Grüße
Michael
Myon



Anmeldungsdatum: 04.12.2013
Beiträge: 5847

Beitrag Myon Verfasst am: 13. Feb 2024 11:22    Titel: Antworten mit Zitat

Lorz hat Folgendes geschrieben:
Schon mal vielen Dank für Deine Erklärungen, die scheinst Du ja aus dem FF schütteln zu können, wow!

Nein, ganz und gar nicht! Ich bin auch nochmals meine Lernkarten, auf denen ich den Stoff ziemlich ausführlich zusammengefasst habe, durchgegangen...
Die Physik der Halbleiter inkl. pn-Übergang etc. wird natürlich auch in jedem Festkörperphysik-Buch ausführlich behandelt. Auch gibt es gute Wikipedia-Artikel zum Thema.
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