Festkörperphysik

Question 1

Reine Halbleiter und Isolatoren bei 0K

Answer 1

Voll besetztes VB

Leeres LB

Question 2

Intrinsische Leitfähigkeit/Eigenleitung

Answer 2

HL mit besonders geringer BL
Schön bei geringen Temp leitfàhig
Anzahl freie e = Anzahl Löcher

Question 3

Verbesserung Leitfähigkeit hl durch

Answer 3

• therm Anregung
• Opt Anregung
• Dotierung

Question 4

Ionenbindung

Answer 4

• bei Zusammenführung freisetzung der Coulombenergie

- Isolatoren

Question 5

kovalente Bindung

Answer 5

• 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

Question 6

el. Leitfähigkeit mit Temp

Answer 6

• HL: nimmt zu mit steigender T

- Metall: nimmt ab mit steigender T

Question 7

Metallbindung

Answer 7

nicht gerichtet

• positiv geladene Atomrümpfe ww mit frei beweglichen Elektronen
• > Teilung aller VE
• Leiter

Question 8

Kristallgitter vs amorph

Answer 8

KG: - definierte, strukturierte Anordnung ü ganzes Gitter
- Formation über langsame Abkühlung
- energetisch günstiger
AMORPH: - definierte Ordnung nur zum nächsten Nachbarn
- bei zu schneller Abkühlung

Question 9

Kristallgittertypen

Answer 9

einfach kubisch: d=2r 
kubisch raumzentriert (bcc): Wurzel3d=4r
kubisch Flächenzentriertes (fcc): Wurzel2d=4r
Diamantstruktur

Question 10

Röntgenstrukturanalyse/Laueverfahren

Answer 10

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

Question 11

Wie ändert sich Dichte freier Ladungsträger im dotierten HL mit Temp?

Answer 11

nimmt zu, aber nicht gleichmäßig

bei T= 0K, keine freuen Ladungsträger

Question 12

wodurch entsteht beim pn Übergang die Verbiegung der Bänder?

Answer 12

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

Question 13

Energiegewinn in der Sperrschicht

Answer 13

Rekombination der Ladungsträger: e- fallen unter Energieemission auf tieferes VB

Question 14

Spannung am pn Übergang: Durchlassrichtung

Answer 14

plus-pol an p

• Majoritätsladungsträger innerhalb der HL fließen in Richtung Sperrschicht.
• Sperrschicht wird geschmälert, bis ganz durchbrochen -> kleinere Bänderverbiegung
• > Stromfluss

Question 15

Spannung am pn Übergang: Sperrrichtung

Answer 15

• plus pol an n
• Majoritätsladungsträger werden aus Grenzschicht abgesaugt
• RLZ vergrößert sich -> größere Bänderverbiegung
• kein Strompluss

Question 16

Halbleiterdiode

Answer 16

• bei Wechselstrom nur in eine Richtung durchlässig
• Abwechslung Polung in Sperr- bzw Durchlassrichtung
  -> Gleichrichtung von Wechselstrom
  I(U)=Is(exp(eU/kT)-1)

Question 17

Solarzelle

Answer 17

• 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

Question 18

Wie ändert sich Verbiegung der Bänder, wenn Licht auf Solarzelle trifft?

Answer 18

Bandverbierung verringert sich

Bänder gleichen sich an, wenn so viele Elektron-Loch Paare erzeugt wurden, dass RL vollständig abgebaut wurde.

Question 19

Welche Bedeutung hat der Wirkungsgrad einer Solarzelle, wie ist er definiert und welche Werte werden heute erzielt?

Answer 19

• höchstern: 40% für Tandem Zellen
• sonst um 20%
• Verhältnis elektrische Leistung zu Lichtleistung

Question 20

wie sieht die Strom spannungskenlinie einer Solarzelle ohne Beleuchtung aus

Answer 20

wie die eine HL Diode

mit Beleuchtung verschiebt sie sich um Ik nach unten

Question 21

Welche Materialgrößen beeinflussen Wirkungsgrad einer Solarzelle?

Answer 21

• Breite der Energiebandlücke des Materials

- Absorptionskoeffizient (benutze direkten HL mit hohem Epsilon)

Question 22

Isolator

Answer 22

Banlücke zu groß, als dass e- überwinden könnten

keine freien e-, VB voll besetzt und LB leer

Question 23

Halbleiter

Answer 23

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

Question 24

Leiter/Metall

Answer 24

VB u. LB überlappen
e- sind frei beweglich im LB
Leitung ohne energiezufuhr

Question 25

pHL

Answer 25

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

Question 26

nHL

Answer 26

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

Question 27

bipolarer Transistor, Aufbau und Funktion

Answer 27

- Steuerung und Verstärkung von Strom - Schichtfolge untersch. dotierter HL Aufbau: Emitter, Basis, Kollektor - Emitter (n): sendet Ladungsträger aus - Kollektor (n): sammelt sie ein

Question 28

bipolarer Transistor Funktionsweise, nicht im Transistorbetrieb

Answer 28

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

Question 29

bipolarer Transistor im Betrieb

Answer 29

- Steuerspannung anlegen - 1. 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

Question 30

Bedingungen für Stromfluss durch den Kollektor

Answer 30

möglichst viele e- sollen in Kollektorgebiert gelangen und nicht in der Basis rekombinieren - > extrem dünne Basisschicht - > variable Steuerspannung - > viele e- in n dotiertem Emittergebiet

Question 31

Diamagnetismus

Answer 31

``` xmag < 0 und xmag const - kein Dipolmoment mit äusserem mag. Feld: - induzierter Dipol -> Diamagnetismus reiner Induktionseffekt ```

Question 32

Paramagnetismus

Answer 32

- existenz permanenter magnetischer Dipole -> wenn Vschale nicht voll besetzt - - xmag > 0 und xmag = xmag(T) tempabhängig Curie: xmag = C/T

Question 33

Ferromagnetismus

Answer 33

xmag=xmag(H,T) - kollektiver Magnetismus - Gleichrichtung weißscher Bezirke (Bereich paralleler Spins) erfolgt nur unterhalt Curie-Temp - oberhalb ist Ferrom normaler Paramagnet

Question 34

Supraleitung

Answer 34

= ideale Leitfähigkeit - bei kritischer Temp Widerstand fast null - idealer Diamagnet, da Magnetisierung Induktionsfeld kompensiert