Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften at Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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2 b)
Was ist die Analogie zw. Wasser in einem E-Feld und einem paramagnetischen Material in einem H-Feld? (2 Stichpunkte)

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2e) Was sagt die Koerzitivfeldstärke aus?

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2e) Was sagt die Remenanzflussdichte aus?

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2f) Diskutiere den prinzipiellen Verlauf der Magentischen Kurve basierend auf Domänen. (4 Große Stichpunkte mit Erklärungen)

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2g) Bis zu welcher Frequenz können sich Wände magn. Domänen verschieben?

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2g) Was bestimmt die Frequenzabhängigkeit der Magnetisierung?

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2a) Wie funktioniert der Polarisationsmechanismus der Orientierungspolarisation?
1. Wodurch makroskopische Polarisation?
2. Wie groß Polarisation, wenn kein Feld?
3. Wie groß Polarisation, wenn Feld an?
4. Wie groß Polarisation, wenn Feld wieder aus?

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3a) Welche der Größen der Formel der spezifischen Leitfähigkeit macht den Unterschied zwischen Halbleitern und Metallen aus?

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3d) Welche Typen von Dotierungen gibt es?
Was sind die jeweiligen Majoritätsladungsträger der Dotiereungen?
Wie werden die relevanten Sorten von Fremdatomen genannt der einzelnen Dotierungen?

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4c) - Warum resultiert aus den  jeweiligen Löcherkonzentrationen ein Strom über den pn-Übergang?

- Wodurch wird er getrieben?
- Von wo nach wo fließt er?

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4f) Im Gleichgewicht werden im p-HL ständig Elektronen-Loch-Paar thermisch angeregt.
Was geschieht mit diesen Elektronen, wenn sie das RLZ erreichen?

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4h) Warum ist Silizium nicht als Halbleitermaterial für eine Leichtdiode geeignet?

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Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

2 b)
Was ist die Analogie zw. Wasser in einem E-Feld und einem paramagnetischen Material in einem H-Feld? (2 Stichpunkte)

- Magnetische Momente im paramagnetischen Material und Dipole im Wasser fluktuieren zufällig ohne Wechselwirkung untereinander.

- Netto-Dipolmoment entsteht durch externes Feld: Orientierungspolarisation

Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

2e) Was sagt die Koerzitivfeldstärke aus?

Die Gegenfeldstärke, welche die Orientierung der Domänen im Mittel aufhebt

Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

2e) Was sagt die Remenanzflussdichte aus?

Magnetische Flussdichte, die nach (vollständiger) vorangegangener Magnetisierung besteht, wenn kein äußeres Feld mehr anliegt.

Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

2f) Diskutiere den prinzipiellen Verlauf der Magentischen Kurve basierend auf Domänen. (4 Große Stichpunkte mit Erklärungen)

1. Kleine Externe Felder: An Defekte gepinnte Domänenwände beulen sich etwas in richtige Richtung aus. --schwacher reversibler Anstieg der Magnetisieren.

2. größere externe Felder: Die am höchsten belasteten Domänenwende reißen sich los, wandern durch Kristall und pinnen sich an den nächsten Defekt an. -- starke irreversible Magnetisierung.


3. Sehr großes externes Feld: Nur noch eine riesige Domäne aber noch nicht in richtige Richtung ausgerichtet. Dreht sich bei steigenden Feld langsam in richtige Richtung. -- Kurve nimmt Sättigung an

4. Abschalten des Feldes: Kurve folgt einer Hystereseschleife, welche durch Remanenz und Koerzitivf. "halbwegs" begrenzt ist.

Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

2g) Bis zu welcher Frequenz können sich Wände magn. Domänen verschieben?

Allgemein MHz-Bereich

Unter Umständen 1 GHz in Spezialstrukturen 

Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

2g) Was bestimmt die Frequenzabhängigkeit der Magnetisierung?

Geschwindigkeit mit der sich Domänenwände verschieben lassen

Drehung der Dipole benötigt Arbeit( da Masse), also endlos schnelle Drehung nicht möglich

Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

2a) Wie funktioniert der Polarisationsmechanismus der Orientierungspolarisation?
1. Wodurch makroskopische Polarisation?
2. Wie groß Polarisation, wenn kein Feld?
3. Wie groß Polarisation, wenn Feld an?
4. Wie groß Polarisation, wenn Feld wieder aus?

1. Es existieren Dipole im Material, welche sich durch ein äußeres Feld beeinflussen lassen.

2. Ohne Feld Polarisation = 0, da es keine Vorzugsrichtung der Dipolmomente gibt, weil ohne Feld alles Zufallausgerichtet ist.

3. Polarisation proportional zu Feldstärke (für kleine Feldstärken), da es nun ein Netto-Dipolmoment gibt. Dipole richten sich im Schnitt eher in eine Richtung aus. Der stattfindenden Ausrichtung wirken Stöße mit dem Nachbarn entgegen.
Es kommt zu einer Erniedrigung der Gesamtenergie.

4.Polarisation klinkt exponentiell auf 0 ab, durch Stöße mit dem Nachbarn.

Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

3a) Welche der Größen der Formel der spezifischen Leitfähigkeit macht den Unterschied zwischen Halbleitern und Metallen aus?

- Die Leitfähigkeit wird vor allem von µ determiniert. Die Beweglichkeit von Ladungsträgern ist bei Metallen allgemein höher.
- Auch die Ladungsträgerdichte n unterscheidet sich. Sie ist bei Halbleitern Temperaturabhängig, während sie bei Metallen fast konstant ist.

Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

3d) Welche Typen von Dotierungen gibt es?
Was sind die jeweiligen Majoritätsladungsträger der Dotiereungen?
Wie werden die relevanten Sorten von Fremdatomen genannt der einzelnen Dotierungen?

p-Dotierung:
- Majoritäsladungsträger Löcher
- Fremdatome: Akzeptoren; 

meist eine niedrigere Gruppe im Periodensystem als das Halbleitermaterial

n-Dotierung:
- Majoritätsladungstrger Elektronen
- Fremdatome: Donatoren; 

meist eine höhere Gruppe im Periodensystem als das Halbleitermaterial

Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

4c) - Warum resultiert aus den  jeweiligen Löcherkonzentrationen ein Strom über den pn-Übergang?

- Wodurch wird er getrieben?
- Von wo nach wo fließt er?

- Unterschiedliche Löcherkonzentrationen = Dichtegradient
- Dichtegradient sorgt wegen Diffusion für einen Strom
- Nach dem 1. Fickschen Gesetz fließt der Diffusionstrom von p-HL in n-HL

Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

4f) Im Gleichgewicht werden im p-HL ständig Elektronen-Loch-Paar thermisch angeregt.
Was geschieht mit diesen Elektronen, wenn sie das RLZ erreichen?

- Die durch Random Walk in die RLZ gelangten Löcher werden durch das E-Feld zum p-Hl beschleunigt.

- Die durch Random Walk in die RLZ gelangten Elektronen werden durch das E-Feld zum n-Hl beschleunigt.

- Es kommt zu Feldströmen von den Löchern und den Elektronen, die "zurück" führen


Besonders Grundlegende Grundlagen der Materialwissenschaften

4h) Warum ist Silizium nicht als Halbleitermaterial für eine Leichtdiode geeignet?

Bandabstand zu klein: Abgegebene Energie hängt von Bandlücke ab, bei Silizium ist diese so klein, dass nur Wärme abgestrahlt wird. Licht hat im Vergleich eine deutlich höhere Energie. 

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