Elektrische Leitung

Question 1

Was ist Voraussetzung für die elektrische Leitung?

Answer 1

Das Vorhandensein von beweglichen Ladungsträgern.

Question 2

Welche Formen der elektrischen Leitung werden unterschieden?

Answer 2

1. Elektronenleitung -> z.B. bei Festkörpern, im Vakuum
2. Ionenleitung -> z.B. in Flüssigkeiten und Gasen
   => Die Mechanismen des Ladungstranportes sind in verschiedenen Aggregatzuständen sehr unterschiedliche. Die transportierte Ladungsmenge ist aber immer ein ganzzahliges Vielfaches der elektrischen Elementarladung (1,602*10^-19 C)

Question 3

Was ist die Ursache für die elektrische Leitung?

Answer 3

Die Kraftwirkung eines elektrischen Feldes wirkt auf die Ladungsträger und bewegt negative Ladungsträger I[-] von minus nach plus / positive Ladungsträger I[+] von plus nach minus
-> Gesamtstrom ergibt sich als Summe beider gleichwertiger Ladungsträgerbewegungen I=I[+]+I[-]
=> gilt für alle Arten der elektrischen Leitung

Question 4

Was passiert beim Schließen eines Stromkreises?

Answer 4

• die Ladungsträger werden durch die wirkende Kraft des Feldes in eine beschleunigte Bewegung versetzt
• > die Geschwindigkeit der Ladungsträger wächst, bis die beschleunigende Kraft des Feldes und die Widerstandskraft des Leiters entgegengesetzt gleich sind.

Question 5

Was versteht man unter der Konzentration der Ladungsträger?

Answer 5

Den Quotienten aus der Anzahl N der bewegungsfähigen Ladungsträger und dem Volumen V
-> n=N/V

Question 6

Wovon hängt die Menge der transportierten Ladung ab?

Answer 6

• von der Zeit dt
• von der Querschnittsfläche A des Leiters
• von der Durchschnittsgeschwindigkeit v[d]
  (Driftgeschwindigkeit)
  -> N=nAv[d]dt => Q=Ne (bei Ladungsträgern mit einer Elementarladung)
  [I=dQ/dt -> I=neA*v[d] | I/A=J (J-> Stromdichte) J~E

Question 7

Wie ist die Driftgeschwindigkeit definiert?

Answer 7

folgt aus der Stromdichte J=nev[d]=chiE
v[d]=chiE/ne=chiU/nel (chi-> elektrische Leitfähigkeit =1/rho; E-> elektrische Feldstärke; n-> Konzentration der Ladungsträger; l-> Länge des Leiters)

Question 8

Was versteht man unter der Beweglichkeit von Ladungsträgern?

Answer 8

Der Verhältnis ihrer Geschwindigkeit zur elektrischen Feldstärke.
-> u=v[d]/E=chi/n*e (u-> Beweglichkeit; chi-> elektrische Leitfähigkeit =1/rho; n-> Konzentration der Ladungsträger

Question 9

Was versteht man unter dem Begriff “räumliche Ladungsdichte”?

Answer 9

Ist das Produkt aus Konzentration der Ladungsträger n und der Elementarladung e
-> ne=Ne/V=Q/V (N-> Anzahl der bewegungsfähigen Ladungsträger)

Question 10

Wie werden Festkörper bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit eingeteilt?

Answer 10

1. Leiter -> Metalle
2. Halbleiter
3. Nichtleiter -> Isolatoren
   -> ihnen Gemeinsam ist der kristalline Aufbau
   => Atome dieser Kristalle bilden ein regelmäßiges Raumgitter, welches für den jeweiligen Stoff charakteristisch ist

Question 11

Was versteht man unter dem Begriff “Energieniveau”?

Answer 11

Einzelne Elektronen eines Atoms unterscheiden sich in ihrer Energie -> alle bei einer bestimmten Atomart möglichen Energiewerte (Energieniveaus) werden in einem so genannten Termschema dargestellt.

Question 12

Was versteht man unter den Energiebändermodell?

Answer 12

Infolge von Wechselwirkungen spalten sich einzelne Niveaus auf (bei Molekülen), im Kristallgitter ist diese Wechselwirkung so groß, dass sich die Niveaus zu Bändern entarten.

• > jedes Energieband besteht aus einer Vielzahl von unmittelbar benachbarten Energieniveaus
• > jedes Energieniveau kann von je zwei Elektronen mit entgegengesetzter Spinrichtung besetzt sein
• > Bereiche zwischen den Bändern entsprechen Energie, die nicht auftreten können -> werden “verbotene Zonen” genannt

Question 13

Was ist das Valenzband?

Answer 13

So wird das letzte voll besetzte Energieband bezeichnet, es reicht bis zur Energie E[V].
-> Elektronen in Energiebändern mit voll besetzten Niveaus sind nicht frei beweglich und ergeben deshalb keine Leitfähigkeit!

Question 14

Was ist das Leitungsband?

Answer 14

So wird das Energieband mit nicht voll besetzten Energieniveaus bezeichnet, seine Energie beginnt bei E[L]
-> es enthält frei bewegliche Elektronen und ermöglichst so die elektrische Leitfähigkeit

Question 15

Worin besteht der Unterschied zwischen Leiter, Halbleiter und Nichtleiter?

Answer 15

In der Breite der verbotenen Zone zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband.
-> Breite kann sogar null sein => Beide Bänder überlappen sich dann.

Question 16

Welche Eigenschaften haben metallische Leiter?

Answer 16

• besitzen viele freie Elektronen (auf etwa 1-10 Atome des Kristallgitters kommen ein freies Elektron)
• freie Elektronen bewegen sich zwischen den Atomen unregelmäßig hin und her (-> freie Elektronen => “Elektronengas”)
• angelegte Spannung erzeugt ein elektrisches Feld -> Kraftwirkung versetzt die Elektronen in eine gerichtete Bewegung (Driftgeschwindigkeit ist sehr klein -> ~mm/s)
• Widerstand in metallischen Leitern ist temperaturabhängig (stärkere Schwingungen der Gitteratome bei höheren Temperaturen hemmen die Bewegung der Elektronen)
• in der Nähe des absoluten Nullpunktes (Sprungtemperatur ) nimmt der Widerstand sprunghaft ab -> Supraleitung
• Anzahl der freien Elektronen ist nicht temperaturabhängig

Question 17

Was versteht man unter “Thermoelektrizität”?

Answer 17

• Austritt frei beweglicher Elektronen aus der Metalloberfläche aufgrund ihrer kinetischen Energie (mindestens gleich der Austritts- oder Ablösearbeit).
• der thermoelektrische Effekt wird auch als Seebeck-Effekt bezeichnet
• ist materialabhängig
• bei Berührung von zwei unterschiedlichen Metalloberflächen gehen einige Elektronen mit niedrigerer Austrittsarbeit in das andere über -> Berührungsspannung (temperaturabhängig)
  [Umkehrung des thermoelektrischen Effekts ist der Peltier-Effekt -> Strom wird durch eine Metallkombination geleitet und erzeugt so eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Berühungsstellen

Question 18

Was ist ein Thermoelement?

Answer 18

Ein System aus zwei verschiedenen Metallen mit zwei Berührungspunkten
-> haben beide die gleiche Temperatur gleichen sich die beiden Berührungsspannungen aus
-> haben die Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen fließt als Folge einer Thermospannung ein Thermostrom (Abhängig vom Stromkreiswiderstand, den Materialien und der Temperaturdifferenz)
[Metalle lassen sich hinsichtlich ihrer Thermospannung in eine thermoelektrische Spannungsreihe einordnen]

Question 19

Welche Eigenschaften hat ein Halbleiter?

Answer 19

• die vier Außenelektronen jedes Atoms sind mit jeweils einem Elektron jedes Nachbaratoms an der Valenzbindung beteiligt
• durch Zufuhr von Energie (Wärme oder Licht) verlieren Elektronen ihre Bindung an die Gitteratome und hinterlassen eine positive Ladung (“Loch” oder “Defektelektron”)
• besitzen bei 0K keine freien Elektronen -> Isolator
• mit höheren Temperaturen bekommen sie eine gewissen Leitfähigkeit
  => ist abhängig von der Breite der verbotenen Zone, also von der Energiedifferenz E[L]-E[V]=dE
  => Der Widerstand eines Halbleitermaterials nimmt bei Temperaturerhöhung ab.
  [Anwendung: Heißleiter (Thermistor) bz. NTC-Widerstand (NTC-> negativ temperature coefficient)]

Question 20

Was versteht man unter Eigenleitung?

Answer 20

• Die Elektrizitätsleitung aufgrund der Bildung von Elektron-Loch-Paaren.
• Unter der Wirkung einer Spannung wandern die Elektronen zum Pluspol und die Löcher zum Minuspol, weil andere frei werdende Elektronen nachrücken.
• Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu
• die Anzahl der Elektron-Defektelektron-Paare ist konstant (Rekombination (Elektronen werden von einem Loch eingefangen -> entsprechender Energieverlust) und Neubildung gleichen sich aus) wenn die Temperatur unverändert bleibt

Question 21

Was versteht man unter dem inneren Fotoeffekt?

Answer 21

Den Übergang von Valenzelektronen in das Leitungsband durch die Bestrahlung mit Licht.
-> Voraussetzung: Lichtquanten müssen eine entsprechende Energie E=h*f besitzen (muss größer als die verbotene Zone, aber kleiner als der die Energiedifferenz der unteren Kante des Valenzbandes zur oberen Kante des Leitungsbandes
=> die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials nimmt mi der Anzahl der auftreffenden Lichtquanten geeigneter Wellenlänge bzw. Frequenz zu.
[technische Anwendung: Fotowiderstand]

Question 22

Was versteht man unter n-Leitung und wie wird diese realisiert?

Answer 22

• Erhöhung der Leitfähigkeit durch Einlagerung von Fremdatomen (in den Halbleiter) -> Dotierung
  => Störung des Gitteraufbaus -> Störleitung (statt Eigenleitung)
• Fremdatome haben mehr Leitungselektronen -> Donatoren (Energieniveau liegt dicht unter dem Leitungsband)
• es gibt mehr Elektronen (Majoritätsträger) als Defektelketronen (Minoritätsträger) => Überschusshalbleiter oder n-Leiter
  => Stromleitung in einem n-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch Elektronen

Question 23

Was versteht man unter p-Leitung und wie wird diese realisiert?

Answer 23

• Erhöhung der Leitfähigkeit durch Einlagerung von Fremdatomen (in den Halbleiter) -> Dotierung
  => an den Störstellen entsteht ein weiteres Loch/Defektelektron (Fremdatome die Elektronen aufnehmen heißen Akzeptoren - Energieniveau liegt dicht über dem Valenzband)
• Zunahme der Defektelektronen (Majoritätsträger) bedingt eine Abnahme der Elektronenkonzentration (Minoritätsträger) => Mangelhalbleiter oder p-Leiter
  => Stromleitung in einem p-Leiter erfolgt fast ausschließlich durch Defektelektronen

Question 24

Was ist ein pn-Übergang?

Answer 24

Halbleitermaterial mit Gebieten unterschiedlicher Dotierung (p oder n) -> zwischen diesen besteht dann eine pn-Grenzschicht, durch die Majoritätsträger in der jeweils andere Gebiet diffundieren, bis sich ein Gleichgewichtszustand einstellt
-> beiderseits der Grenzfläche entsteht eine dünne Schicht die fast frei von beweglichen Ladungsträger ist
-> eine äußere Spannung verändert die Dicke dieser Schicht
=> Pluspol an p-Schicht / Minuspol an n-Schicht -> es gelangen sehr viele Majoritätsträger in die Grenzschicht und rekombinieren dort => es fließt ein relativ starker Durchlassstrom
=> Pluspol an n-Schicht / Minuspol an p-Schicht -> Majoritätsträger wandern weg von der Grenzfläche zu den Polen (nur noch die wenigen Minoritätsträger können rekombinieren) => es fließt ein sehr schwacher Sperrstrom
-> Ein pn-Übergang wirkt als Gleichrichter, er lässt den Strom nur von p nach n fließen

Question 25

Was ist eine Diode?

Answer 25

Ein Halbleiterbauelement mit kombinierter pn-Leitung.
Dient der Gleichrichtung von Wechselströmen.
[Ohmsches Gesetz (U=R*I) ist auf Dioden nicht anwendbar, da die Spannung beim Durchgang durch die Diode relativ konstant abfällt (weitgehend unabhängig von der Stärke des fließenden Stroms)]

Question 26

Was was ist eine Fotodiode?

Answer 26

Eine in Sperrrichtung geschaltete Diode, bei der durch Bestrahlung mit Licht der Sperrstrom vergrößert werden kann (es werden zusätzlich freie Minoritätsträger erzeugt)
-> der Sperrstrom ist proportional zur Beleuchtungstärke (wichtig für Messzwecke)

Question 27

Was ist ein Fotoelement?

Answer 27

Eine ohne äußere Spannung betriebene Fotodiode, welche im Kurzschlußbetrieb verwendet wird.
-> einfallende Lichtstrahlung erzeugt eine elektrische Ladung (fotovoltaischer Effekt) => Umwandlung von optischer Strahlung in elektrische Signale (Strom)

Question 28

Was ist eine Leuchtdiode?

Answer 28

LED = Licht emittierende Diode
Ist eine in Flussrichtung gepolte Diode -> bei der Rekombination wird Energie in Form von Lichtquanten abgestrahlt (Frequenz und Farbe werden vom Halbleitermaterial und der Dotierung bestimmt)

Question 29

Was ist ein bipolarer Transistor und wie funktioniert er?

Answer 29

• Silicium-Kristall mit zwei eng benachbarten pn-Übergängen (es sind Ladungsträger beider Polaritäten beteiligt -> Elektronen und Defektelektronen), welche sich gegenseitig beeinflussen
• es gibt pnp und npn Transistoren (unterscheiden sich lediglich im Vorzeichen der Spannung und Ströme)
• Es gibt die Basis B (mittlere Schicht), den Emitter E und den Kollektor C
• Schaltungen:
• > Basisschaltung: E-B Übergang in Durchlassrichtung, B-C Übergang in Sperrrichtung => wirkt als Leistungsverstärker (etwas geringerer Kollektorstrom, aber deutliche größere Ausgangsspannung)
• > Emitterschaltung: Im Eingangsstromkreis fließt nur der sehr kleine Basisstrom => wirkt als Stromverstärker (Kollektorstrom wird deutlich erhöht)

Question 30

Was ist ein unipolarer Transistor und wie funktioniert er?

Answer 30

• werden auch Feldeffekt-Transistoren genannt (FET, MOSFET, u.a.)
• es sind nur Majoritätsträger an der Stromleitung beteiligt (Elektronen oder Defektelektronen)
• der Stromfluss wird durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld nahezu leistungslos gesteuert (-> keine Erwärmung)
  => es können integrierte Schaltungen mit tausenden von Transistoren auf kleinster Fläche konzentriert werden