Experiment: LED-Grundversuch 36.1 Du brauchst: Batterie (9 V), LED, Vorwiderstand (1 kΩ), Steckplatine E2 a) Baue die Versuchsanordnung wie in 36.1 auf. Verbinde den längeren Draht (Anode) mit dem Pluspol und den kürzeren Draht (Kathode) mit dem Minuspol der Batterie. Beschreibe, was du beobachtest. E3 b) Stecke nun die LED so um, dass die Anode am Minuspol und die Kathode am Pluspol der Batterie liegt. Stelle eine Vermutung über den Versuchsausgang auf. Was kannst du beobachten? Erläutere das Versuchsergebnis mit eigenen Worten. Beschreibe, welche Eigenschaften eine Diode bezüglich des Stromflusses hat. Zeichne dazu ein entsprechendes Schaltbild. E3 c) Vertausche nun in der Versuchsanordnung den Widerstand und die LED. Welche Wirkung kannst du beobachten? Stelle zuerst eine Vermutung auf. Die Sperrschicht (36.2): Durch die thermische Bewegung wandern frei bewegliche Elektronen über die Kontaktfläche vom n- zum p-Leiter und füllen Elektronenlöcher. Daher fehlen in der Grenzschicht bewegliche Ladungsträger. Im n-Leiter bleiben positive Donator-Ionen zurück, das n-Gebiet wird dadurch positiv. Im p-Leiter fehlen die positiven Elektronenlöcher, das führt zu einer negativen Aufladung. Dadurch entsteht ein elektrisches Feld, das die weitere Wanderung von Ladungen über die Kontaktfläche verhindert. Da freie Ladungsträger fehlen, steigt der Widerstand der Grenzschicht, sie wird zur Sperrschicht. a) Sperrrichtung (36.3): Legt man an den pn-Übergang eine Spannung so an, dass der Minuspol am p-Leiter und der Pluspol am n-Leiter liegen, so werden die freien Elektronen des n-Leiters zum Pluspol, die Elektronenlöcher des p-Leiters zum Minuspol gezogen: Die Sperrschicht wird breiter, es kann kein Ladungstransport durch die Kontaktfläche erfolgen. Die Diode sperrt. b) Durchlassrichtung (36.4): Legt man den Minuspol einer Spannungsquelle an den n-Leiter, den Pluspol an den p-Leiter, so werden die freien Elektronen bzw. Löcher in die Sperrschicht gedrängt. Diese wird schmäler. Überschreitet schließlich die angelegte Spannung einen bestimmten Schwellenwert (Schwellenspannung), dann kompensiert sie das Feld der Ionen in der Sperrschicht, die Sperrschicht verschwindet und Strom kann fließen, indem an der Grenzschicht die einströmenden Elektronen und Löcher rekombinieren. Experiment: Kennlinie einer Leuchtdiode (LED) 36.2 Du brauchst: LEDs, Spannungsquelle, Voltmeter und Amperemeter E2 In einem Stromkreis werden verschiedene LEDs (z. B. rot und grün) in Durchlassrichtung eingebaut. Untersuche z. B. mit der Schaltung 36.5 die Abhängigkeit der Stromstärke von der Spannung bei den unterschiedlichen LEDs und stelle diesen Zusammenhang (Kennlinie) grafisch dar. Erkläre den Verlauf der einzelnen Kennlinien. Beobachte: Erst wenn die anliegende Spannung einen bestimmten Mindestwert (Schwellenspannung) überschreitet, beginnt Strom zu fließen. (Beachte: Die Maximalstromstärke für LEDs beträgt ca. 20 mA. Reguliere die Spannung vorsichtig!) Der Transistor Bereits in den späten 1930er Jahren suchte William Shockley (1910–1989) am Forschungslabor der amerikanischen Firma Bell nach einem elektronischen Schalter, mit dem die elektromechanischen Schalter in den damaligen Telefonzentralen ersetzt werden konnten. Shockleys Forschungen zur Halbleiterphysik wurden durch den Zweiten Weltkrieg unterbrochen. Gemeinsam mit John Bardeen (1908–1991) und Walter Brattain (1902–1987) konnte er 1947 erstmals die Verstärkerwirkung eines Transistors (schwaches Eingangssignal wird in ein größeres Ausgangssignal umgewandelt) zeigen (Nobelpreis 1956). Damit setzte eine stürmische Entwicklung ein. Industriell wurden Transistoren ab 1950 produziert, das erste Transistorradio kam in den USA 1954 auf den Markt. 36.1 Schaltbild LED-Grundversuch 36.2 p- und n-Leiter in Kontakt (ohne äußere Spannung): Über die pn-Grenzfläche diffundieren Elektronen und Löcher (a). Durch ihre Rekombination verringert sich die Anzahl der freien Ladungsträger an der Grenzzone (b) und wird zur Sperrschicht (großer Widerstand). Das elektrische Feld wirkt der weiteren Diffusion von Ladungsträgern entgegen. (A−, D+ stellen Akzeptor- und Donator-Ionen dar.) + + - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + AAD+ D+ AAD+ D+ AAD+ D+ AAD+ D+ AAD+ D+ AAD+ D+ AAD+ D+ AAD+ D+ AAD+ D+ AAD+ D+ AAD+ D+ AAD+ D+ p p n n a) b) 36.3 pn-Übergang in Sperrrichtung: Legt man an den p-Leiter den Minuspol, an den n-Leiter den Pluspol einer Spannungsquelle, werden die freien Ladungsträger abgesaugt, die Sperrschicht verbreitert sich. p n 36.4 pn-Übergang in Durchlassrichtung: Legt man an den p-Leiter den Pluspol, an den n-Leiter den Minuspol einer Spannungsquelle, werden die freien Ladungsträger in die Sperrschicht getrieben, diese wird abgebaut und Strom kann fließen. p n 36.5 Schaltbild Kennlinie einer LED A V R 36 Erweiterung 3 Halbleiter y3g5sa Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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