Leitungsvorgänge in Halbleitern

Die folgenden drei Videos zeigen anhand des Bändermodells, wie Ladungen in Halbleitern bewegt werden.

Das erste Video zeigt ein Halbleitermaterial, das nicht dotiert ist. Man sieht oben das Leitungsband und unten das Valenzband. Ein einzelnes Elektron wird angeregt und bewegt sich ins Leitungsband. Aufgrund eines außen angelegten elektrischen Feldes bewegt sich das Elektron in Richtung des Pluspols.

Die Stelle, an der sich das Elektron befunden hat, ist nun unbesetzt (durch roten Kreis markiert). Das Nachbaratom füllt dieses Loch auf und hinterlässt ebenfalls ein Loch. Dieser Prozess wiederholt sich. Man bezeichnet diesen Leitungsvorgang im Valenzband als Löcherleitung.

Hinweis: Das Video wurde in einer HD-Qualität erstellt. Die Qualität wurde im Youtube-Player nachträglich stark reduziert. Sie können das Video unten in einer hohen Auflösung herunterladen. Um das Video hier in einer halbwegs guten Qualität abzuspielen, muss im Youtube-Player die einstellung “HD 1080p” ausgewählt werden.

Das zweite und das dritte Video zeigen Leitungsvorgänge in dotierten Halbleitern (Solarzellen). Im Inneren hat sich ein PN-Übergang herausgebildet. Aus diesem Grund sind die Energiebänder verzerrt. An den Berührungsstellen des PN-Übergangs entsteht eine Spannung (Raumladungszone). Bewegen sich Ladungen in diesen Bereich, werden sie entsprechend durch das elektrische Feld beschleunigt. Ladungen bewegen sich in Halbleitern immer auch aufgrund von Diffiusion, wenn die Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts ist. Der Drift aufgrund des elektrischen Feldes in der RLZ überlagert die Diffusionsbewegung. Dies hat zur Folge, dass sich Löcher eher in den negativ geladenen P-Bereich und Elektronen eher in den positiv geladenen N-Bereich bewegen. Aufgrund von Diffusion gelangen diese Ladungen im Rahmen ihrer Lebensdauer und Diffusionslänge bis an die Kontakte der Solarzelle. Die hat zur Folge, dass sich an den Kontakten jeweils entgegengesetzte Spannungen bildern.

Aus dem Bändermodell geht hervor, wie die Energie des Lichts ungewandelt wird. Durch das Licht gelangen Elektronen ins Leitungsband. Diese Elektronen haben dann eine höhere kinetische Energie. Beim Übergang in die andere Schicht, wird diese Energie abgegeben und elektrische Energie an den Kontakten gespeichert.

Überblick und Download

TitelLeitungsvorgänge in Halbleitern
ZielgruppeLehrer/innen und Vortragende (Level: Oberstufe, Universität)
LizenzFreeware (für nicht-kommerzielle Nutzung)
DownloadDownload Videos

Mitwirkende

C. Hein, S. Rikowski

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