Festkörperphysik Flashcards
Reine Halbleiter und Isolatoren bei 0K
Voll besetztes VB
Leeres LB
Intrinsische Leitfähigkeit/Eigenleitung
HL mit besonders geringer BL
Schön bei geringen Temp leitfàhig
Anzahl freie e = Anzahl Löcher
Verbesserung Leitfähigkeit hl durch
- therm Anregung
- Opt Anregung
- Dotierung
Ionenbindung
- bei Zusammenführung freisetzung der Coulombenergie
- Isolatoren
kovalente Bindung
- gerichtet
- Überlappung von Elektronenwolken gleicher Atome
- Orbitale der Atome spalten sich auf in bindendes und antibindendes, wobei bindendes als erstes besetzt wird (nach Hund)
- niedrige Temp: Isolatoren
- hohe Temp: HL
el. Leitfähigkeit mit Temp
- HL: nimmt zu mit steigender T
- Metall: nimmt ab mit steigender T
Metallbindung
nicht gerichtet
- positiv geladene Atomrümpfe ww mit frei beweglichen Elektronen
- > Teilung aller VE
- Leiter
Kristallgitter vs amorph
KG: - definierte, strukturierte Anordnung ü ganzes Gitter
- Formation über langsame Abkühlung
- energetisch günstiger
AMORPH: - definierte Ordnung nur zum nächsten Nachbarn
- bei zu schneller Abkühlung
Kristallgittertypen
einfach kubisch: d=2r kubisch raumzentriert (bcc): Wurzel3d=4r kubisch Flächenzentriertes (fcc): Wurzel2d=4r Diamantstruktur
Röntgenstrukturanalyse/Laueverfahren
Feststellung des kristallinen Zustands von Fk
- LV: kontinuierlicher Röntgenstrahl wird durch Kristall gejagt
- Wellenlänger ungefähr so groß wie Atomabstände im Gitter
- Beobachtung: zentraler Fleck, darum regelmäßiges Punktmuster
-> durch Interferenz des an den Gitteratomen gebeugtem Röntgenstrahl
Braggsche Bed für konstruktive Interferenz: 2dsinx=nlampda n: 1,2,3
-> wenn nicht erfüllt destruktive
- Röntgenstrahl wird durchgelassen wenn er kein Atom trifft, reflektiert wenn doch
- Röntgenreflex nur bei kristallinem Material
Wie ändert sich Dichte freier Ladungsträger im dotierten HL mit Temp?
nimmt zu, aber nicht gleichmäßig
bei T= 0K, keine freuen Ladungsträger
wodurch entsteht beim pn Übergang die Verbiegung der Bänder?
durch Diffusionsstrom und Rekombination der Ladungsträger entsteht pos/neg Raumladungszone. Majoritätsträger mpssen um in jeweils andere Zone zu gelangen, RLF und auch inneres Feld überwinden.
Leitungsbandelektronen müssen Potentialberg überwinden -> Verbiegung
Energiegewinn in der Sperrschicht
Rekombination der Ladungsträger: e- fallen unter Energieemission auf tieferes VB
Spannung am pn Übergang: Durchlassrichtung
plus-pol an p
- Majoritätsladungsträger innerhalb der HL fließen in Richtung Sperrschicht.
- Sperrschicht wird geschmälert, bis ganz durchbrochen -> kleinere Bänderverbiegung
- > Stromfluss
Spannung am pn Übergang: Sperrrichtung
- plus pol an n
- Majoritätsladungsträger werden aus Grenzschicht abgesaugt
- RLZ vergrößert sich -> größere Bänderverbiegung
- kein Strompluss
Halbleiterdiode
- bei Wechselstrom nur in eine Richtung durchlässig
- Abwechslung Polung in Sperr- bzw Durchlassrichtung
-> Gleichrichtung von Wechselstrom
I(U)=Is(exp(eU/kT)-1)
Solarzelle
- direkte Stromerzeugung
- Photon trifft auf Solarzelle in pn Übergang, erzeugt Elektron Loch Paar
- Trennung des Paares durch inneres Feld
- e- wandert zu nZone Loch zu pZone
- > Ladungstrennung erzeugt Spannung UL
- > Kurzschluss der Zelle -> Stromfluss Ik
Wie ändert sich Verbiegung der Bänder, wenn Licht auf Solarzelle trifft?
Bandverbierung verringert sich
Bänder gleichen sich an, wenn so viele Elektron-Loch Paare erzeugt wurden, dass RL vollständig abgebaut wurde.
Welche Bedeutung hat der Wirkungsgrad einer Solarzelle, wie ist er definiert und welche Werte werden heute erzielt?
- höchstern: 40% für Tandem Zellen
- sonst um 20%
- Verhältnis elektrische Leistung zu Lichtleistung
wie sieht die Strom spannungskenlinie einer Solarzelle ohne Beleuchtung aus
wie die eine HL Diode
mit Beleuchtung verschiebt sie sich um Ik nach unten
Welche Materialgrößen beeinflussen Wirkungsgrad einer Solarzelle?
- Breite der Energiebandlücke des Materials
- Absorptionskoeffizient (benutze direkten HL mit hohem Epsilon)
Isolator
Banlücke zu groß, als dass e- überwinden könnten
keine freien e-, VB voll besetzt und LB leer
Halbleiter
Silicium
- VB: voll besetzt
- LB: leer
- Zufuhr von geringer therm. Energie reicht aus, um e- in LB anzuregen
- > freie e- da viele freie Plätze in LB
Leiter/Metall
VB u. LB überlappen
e- sind frei beweglich im LB
Leitung ohne energiezufuhr
pHL
zb silicium mit Aluminium
- Al nimmt Si ein e- weg -> Loch an einem der Si Atome
- Loch wird mit e- des Nachbarn aufgefüllt usw.
- Ladungsträger sind Löcher (Majo)
- zusätzliches Akzeptorniveau,
INTRINSICH:
- einige Löcher durch Elektronen (Mino) die ins LB angehoben wurden
-> Eigenleitfähigkeit
nHL
Silicium mit Phosphor
- P liefert überschüssiges elektronen
-> steht als Ladungselektron zur Verfügung
- zusätzliches Donatornieveau -> e- überwinden leicht Bandlücke ins LB
- e- als Majo
INTRINSISCH:
- einige e- aus VB in LB -> hinterlassen Löcher im VB
- geringfügige Lochleitung
bipolarer Transistor, Aufbau und Funktion
- Steuerung und Verstärkung von Strom
- Schichtfolge untersch. dotierter HL
Aufbau: Emitter, Basis, Kollektor - Emitter (n): sendet Ladungsträger aus
- Kollektor (n): sammelt sie ein
bipolarer Transistor Funktionsweise, nicht im Transistorbetrieb
OHNE ÄUSSERE SPANNUNG U:
- Ausbildung Raumladungszonen an np Übergängen -> Bandverschiebung
MIT SPANNUNG U:
egal wie herum gepolt:
1. pn Übergang in Durchlassrichtung -> Stromfluss (siehe Diode)
2. pn Übergang in Sprerrrichtung -> RLZ vergrößert sich
bipolarer Transistor im Betrieb
- Steuerspannung anlegen
- pn Übergang bleibt in Durchlassrichtung gepolt -> Bänder angleichen
- e- aus Emitterleitungsband gelangen in LB der Basis
- in p dotiertem Basisgebiet sind e- Minoritätsladungsträger
- > e- gelangen in Kollektorgebiet und werden von U abgesaugt
Bedingungen für Stromfluss durch den Kollektor
möglichst viele e- sollen in Kollektorgebiert gelangen und nicht in der Basis rekombinieren
- > extrem dünne Basisschicht
- > variable Steuerspannung
- > viele e- in n dotiertem Emittergebiet
Diamagnetismus
xmag < 0 und xmag const - kein Dipolmoment mit äusserem mag. Feld: - induzierter Dipol -> Diamagnetismus reiner Induktionseffekt
Paramagnetismus
- existenz permanenter magnetischer Dipole -> wenn Vschale nicht voll besetzt
- xmag > 0 und xmag = xmag(T) tempabhängig
Curie: xmag = C/T
- xmag > 0 und xmag = xmag(T) tempabhängig
Ferromagnetismus
xmag=xmag(H,T)
- kollektiver Magnetismus
- Gleichrichtung weißscher Bezirke (Bereich paralleler Spins) erfolgt nur unterhalt Curie-Temp
- oberhalb ist Ferrom normaler Paramagnet
Supraleitung
= ideale Leitfähigkeit
- bei kritischer Temp Widerstand fast null
- idealer Diamagnet, da Magnetisierung Induktionsfeld kompensiert
