Anwendung der np junction: Wichtige Halbleiterbauelemente

1. Anwendung der np junction:Wichtige Halbleiterbauelemente

2. Inhalt • Photodiode • Halbleiterzähler • Leuchtdiode • Peltier-Effekt

3. Die Photodiode

4. Photoeffekt an der np Junction n leitend p leitend • Energiezufuhr erzeugt Ladungsträger, indem sie vom Valenz- ins Leitungsband gehoben werden („Innerer Photoeffekt“) • Die Ladungsträger werden von der Feldstärke an der np junction in die ihnen entsprechenden Bereiche gezogen

5. Stromfluss an der Photodiode n leitend p leitend • Der Stromfluss der Photodiode entspricht dem Strom an der np junction in Sperr-Richtung • Anwendung: Solarzellen • Hochreines Si vermeidet Rekombination der Ladungsträger auf ihrem Weg zur Anode bzw. Kathode durch Kollision mit „Störstellen“

6. Versuch • Spannung an einer „Solarzelle“ bei Beleuchtung

7. Halbleiterzähler Verstärker

8. + ─ Stromfluss im Halbleiterzähler n leitend p leitend • Polung in Sperr-Richtung: Zunahme des Stroms in Sperrichtung (Abnahme des Widerstands) bei Ankunft eines Quants

9. Versuch • Halbleiterzähler

10. Zusammenfassung Photodiode und Halbleiterzähler • Wird eine n-p junction mit sichtbarem Licht bestrahlt, dann erhöht sich die Anzahl der freien Ladungsträger, weil sie vom Valenz- ins Leitungsband gehoben werden • „Innerer Photoeffekt“ - im Gegensatz zum äußeren mit Elektronen Abgabe ins Vakuum • Das Feld in der Grenzschicht zieht Elektronen in das n-leitende Gebiet, die Löcher in das p-leitende • Photostrom fließt in Sperr Richtung - das Element liefert eine der Intensität entsprechende Spannung • Halbleiterzähler: Bei Anschluss einer Spannung in Sperr-Richtung bewirkt der Photoeffekt eine Zunahme des Stroms (Abnahme des Widerstands) bei Ankunft eines Quants

11. Versuch • Leuchtdiode

12. Widerstand (~300 ) Halbleiter als Leuchtdiode

13. Leuchtdiode • Spannung liegt in Flussrichtung • Elektronen wandern in die p-Schicht und rekombinieren mit den Löchern • Bei manchen Halbleitern wird die dabei frei werdende Energie in Form von sichtbarem Licht abgestrahlt • Strombegrenzung durch einen Widerstand in Reihe

14. ─ + Stromfluss in der Leuchtdiode n leitend p leitend • Die Leuchtdiode wird in Flussrichtung gepolt • Bei der Rekombination von Elektronen und Defekelektronen wird Energie frei, dabei entsteht in manchen Halbleitern sichtbares Licht

15. Der Peltier-Effekt

16. Peltier-Effekt im Halbleiter • Elektronen, die in einer Diode aus dem Leitungsband in Flussrichtung fließen, rekombinieren mit den energetisch tiefer liegenden Defektelektronen des Valenzbands: • Die Elektronen geben Energie an das Gitter ab, die Kontaktfläche erwärmt sich • In Sperrrichtung umgekehrt: Die Elektronen nehmen Energie aus dem mechanischen Schwingungsspektrum (den Phononen) auf, der Kontakt kühlt sich ab • Mit speziell dotierten Halbleitern (z. B. Selen dotiertes Wismut-Tellurid) werden Temperaturdifferenzen bis zu 50°C erreicht

17. Versuch • Peltier Effekt

18. Zusammenfassung Photodiode und Peltier-Effekt • Stromfluss in Flussrichtung führt zur Rekombination der Ladungsträger in Nähe der np junction • Die dabei freiwerdende Energie erscheint als Wärme und in Photodioden als Licht • Die np junction erwärmt sich • Bei Stromfluss in Sperrichtung nehmen Elektronen Energie aus dem „Wärmebad der Gitterschwingungen“ auf, • np junctionkühlt sich ab • Anwendung im Peltier-Element • Z. B. zur Kühlung in Kühltaschen für den Anschluss an die Steckdosen im Auto

19. ─ + Stromfluss in der Leuchtdiode n leitend p leitend • Die Leuchtdiode wird in Flussrichtung gepolt • Bei der Rekombination von Elektronen und Defekelektronen wird Energie frei, dabei entsteht in manchen Halbleitern sichtbares Licht

20. Aggregatzustand, Ladungsträger und Leitfähigkeit