Mawi Klausur SS2017 at Christian-Albrechts-Universität Zu Kiel | Flashcards & Summaries

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Lernmaterialien für Mawi Klausur SS2017 an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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TESTE DEIN WISSEN

a) Erläutern Sie umfassend den Polarisationsmechanismus der Orientierungspolarisation:

Wodurch kommt eine makroskopische Polarisation zustande?

Beginnen Sie dabei mit dem Fall, dass zuerst kein äußeres Feld angelegt ist:

Wie groß ist dann die Polarisation, und warum ist das so?


Was ändert sich daran, sobald ein äußeres Feld angelegt wird?


Was passiert, wenn das äußere Feld wieder abgeschaltet wird?

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TESTE DEIN WISSEN

Bei der Orientierungspolarisation liegen ohne ein äußeres Feld bereits elementare Dipole im Material vor, die sich frei im Raum drehen können. 

Ohne äußeres Feld ist die resultierende makroskopische Polarisation gleich null, weil sich die Polarisation als Summe über alle mikroskopischen Dipolmomente ergibt, es aber ohne äußeres Feld keine Vorzugsrichtung im Raum gibt. Das ist Relevant, weil sich am Minimum von G ein Gleichgewicht zwischen der Ordnung U und der Entropie S einstellt 

Die Bewegungen und gegenseitigen Stöße laufen zufällig ab, daher liegen alle möglichen Orientierungen der Dipole mit gleicher Wahrscheinlichkeit vor, weshalb sie sich in der Summe gegenseitig aufheben. 


Wenn ein äußeres Feld angelegt wird, ist die Polarisation nicht mehr null, sondern es resultiert bei der Summe über alle mikroskopischen Dipolmomente ein endliches Netto-Dipolmoment. 

Das liegt daran, dass die mikroskopischen Dipole durch das äußere Feld etwas in Feldrichtung ausgerichtet werden; aufgrund der thermischen Bewegung wirken dem Stöße mit den Nachbarn entgegen. 

Die Ausrichtung durch das Feld bedeutet sowohl eine Erniedrigung der Gesamtenergie als auch eine Erhöhung der Ordnung, d. h. eine Erniedrigung der Entropie. 

Der Gleichgewichtszustand und damit die Stärke der resultierenden Netto-Polarisation wird durch das Minimum der freien Energie bestimmt. 

Die resultierende Polarisation ist bei nicht zu großen Feldstärken in guter Näherung proportional zur Feldstärke. 


Nach Abschalten des Feldes führen die Stöße mit den Nachbarn dazu, dass die Polarisation exponentiell auf null abklingt.

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TESTE DEIN WISSEN

a) Benennen Sie die Größen in der Formel für die spezifische Leifähigkeit: σ = neµ.

Welche davon macht den Unterschied zwischen Halbleitern und Metallen aus

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TESTE DEIN WISSEN

n ist die Ladungsträgerdichte

e ist die (Elementar)ladung

µ ist die Beweglichkeit


Die Ladungsträgerdichte macht den Unterschied zwischen Halbleitern und Metallen.

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TESTE DEIN WISSEN

e) Erläutern Sie die physikalische Bedeutung dieser Punkte (d).

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TESTE DEIN WISSEN

Wird das Magnetfeld wieder abgeschaltet, geht die Flussdichte nicht wieder auf Null zurück, sondern es bleibt eine Restfeldstärke Br (Remanenz). Erst mit einer Gegenfeldstärke von außen wird die Remanenz nach und nach abgebaut. Bei der Koerzitivfeldstärke (Gegenfeldstärke) Hc geht die Magnetisierungskurve wieder auf Null zurück.

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f) Diskutieren Sie den prinzipiellen Verlauf der Magnetisierungskurve basierend auf dem Phänomen der magnetischen Domänen.

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Bei ferromagnetischen Stoffen gibt es Bereiche, in denen die Dipole bereits parallel zueinander ausgerichtet sind. Diese Bereiche werden Domänen genannt und sind statistisch im Material verteilt. 


Wird ein äußeres Magnetfeld angelegt, dehnen sich die Domänen, deren Dipole in etwa in die Richtung des Magnetfelds zeigen, auf Kosten der anderen Bezirke aus. Die Magnetisierungskurve steigt an. 


Bei weiterer ansteigender äußerer Feldstärke kommt es zu sprunghaften Domänenwandverschiebungen. Das heißt , die Domänen klappen ihre Magnetisierungsrichtung so um, dass die Dipole näherungsweise in die Richtung des äußeren Feldes zeigten. 


Kommt es zu einer weiteren Erhöhung der Feldstärke, tritt die Sättigung ein, da alle Dipole in Richtung des Feldes ausgerichtet sind.

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g) Bis zu welcher Frequenz können sich Wände magnetischer Domänen verschieben? Was bestimmt maßgeblich die Frequenzabhängigkeit der Magnetisierung?

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Bis in den GHz-Bereich ist die Magnetisierung frequenzunabhängig, danach ist die Permeabilität µr = 1.

Die Domänenwandverschiebung bestimmt maßgeblich die Frequenzabhängigkeit.

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b) Worin besteht die Analogie zwischen einem paramagnetischen Material das einem homogenen magnetischen Feld ausgesetzt ist und Wasser, das einem homogenen elektrischen Feld ausgesetzt ist?

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Paramagnetische Materialien haben magnetische Dipole mit statistisch verteilten Richtungen, während Wassermoleküle elektrische Dipole mit statistisch verteilten Richtungen haben. Wird bei paramagnetischen Materialien ein homogenen Magnetfeld angelegt, dann werden die Dipole mehr oder weniger stark ausgerichtet, genauso wie bei Wassermolekülen die Dipole in einem Elektrischen Feld ausgerichtet werden.

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b) Beschreiben Sie knapp, welche Temperaturabhängigkeit σ von Halbleitern und Metallen jeweils quantitativ aufweist, und begründen Sie die Unterschiede zwischen Halbleitern und Metallen anhand der Größen in der Formel σ = neµ.

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TESTE DEIN WISSEN

Je höher die Temperatur, desto größer die spezifische Leitfähigkeit von Halbleitern, da sich die Beweglichkeit erhöht und somit mehr frei bewegliche Ladungsträger zur Leitfähigkeit beitragen. Bei Metallen hingegen führt die höhere Temperatur und die damit eingehende erhöhte Beweglichkeit dazu, dass mehr Ladungsträger zusammenstoßen und somit den spezifischen Widerstand erhöhen, wodurch die Leitfähigkeit sinkt. Die Elementarladung ist eine Konstante und somit bei Metallen und Nichtmetallen.

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d) Welche beiden Typen von Dotierung gibt es? 

Geben Sie für jeden Dotierungstyp die jeweilige Sorte der Majoritätsladungsträger an. Wie werden die beiden für den jeweiligen Dotierungstyp relevanten Sorten von Fremdatomen genannt?

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Es gibt p-Dotierung (z.B. Bor) welches 3-armige Atome (Akzeptor) besitzen und dessen Majoritätsladungsträger Löcher sind und es gibt n-Dotierung (z.B. Phosphor) welches 5-armige Atome besitzt (Donator) und dessen Majoritätsladungsträger Elektronen sind.

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b) Geben Sie spezielle Formeln, die sich auf ND und NA beziehen, für die Löcherkonzentration im n. und im p-HL bei Raumtemperatur an.

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nh(p-HL)=NA

nh(n-HL)= (ni)²/ND

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c) Warum resultiert daraus (Aufgabe b) ein Strom über den pn-Übergang, und von wo nach wo fließt er?

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Es resultiert ein Diffusionsstrom, welcher gegen das elektrische Feld in der Raumladungszone des pn-Übergangs fließt

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i) Welcher Materialparameter des verwendeten Halbleiters bestimmt die Farbe des Lichtes einer Leuchtdiode?

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TESTE DEIN WISSEN

Die Größe der Bandlücke bestimmt die Farbe des ausgesendeten Lichts.

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c) Mit welchem anschaulichen Modell kann Diffusion beschrieben werden (Schlagwort)?

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Mit dem "Random Walk"

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Beispielhafte Karteikarten für deinen Mawi Klausur SS2017 Kurs an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel - von Kommilitonen auf StudySmarter erstellt!

Q:

a) Erläutern Sie umfassend den Polarisationsmechanismus der Orientierungspolarisation:

Wodurch kommt eine makroskopische Polarisation zustande?

Beginnen Sie dabei mit dem Fall, dass zuerst kein äußeres Feld angelegt ist:

Wie groß ist dann die Polarisation, und warum ist das so?


Was ändert sich daran, sobald ein äußeres Feld angelegt wird?


Was passiert, wenn das äußere Feld wieder abgeschaltet wird?

A:

Bei der Orientierungspolarisation liegen ohne ein äußeres Feld bereits elementare Dipole im Material vor, die sich frei im Raum drehen können. 

Ohne äußeres Feld ist die resultierende makroskopische Polarisation gleich null, weil sich die Polarisation als Summe über alle mikroskopischen Dipolmomente ergibt, es aber ohne äußeres Feld keine Vorzugsrichtung im Raum gibt. Das ist Relevant, weil sich am Minimum von G ein Gleichgewicht zwischen der Ordnung U und der Entropie S einstellt 

Die Bewegungen und gegenseitigen Stöße laufen zufällig ab, daher liegen alle möglichen Orientierungen der Dipole mit gleicher Wahrscheinlichkeit vor, weshalb sie sich in der Summe gegenseitig aufheben. 


Wenn ein äußeres Feld angelegt wird, ist die Polarisation nicht mehr null, sondern es resultiert bei der Summe über alle mikroskopischen Dipolmomente ein endliches Netto-Dipolmoment. 

Das liegt daran, dass die mikroskopischen Dipole durch das äußere Feld etwas in Feldrichtung ausgerichtet werden; aufgrund der thermischen Bewegung wirken dem Stöße mit den Nachbarn entgegen. 

Die Ausrichtung durch das Feld bedeutet sowohl eine Erniedrigung der Gesamtenergie als auch eine Erhöhung der Ordnung, d. h. eine Erniedrigung der Entropie. 

Der Gleichgewichtszustand und damit die Stärke der resultierenden Netto-Polarisation wird durch das Minimum der freien Energie bestimmt. 

Die resultierende Polarisation ist bei nicht zu großen Feldstärken in guter Näherung proportional zur Feldstärke. 


Nach Abschalten des Feldes führen die Stöße mit den Nachbarn dazu, dass die Polarisation exponentiell auf null abklingt.

Q:

a) Benennen Sie die Größen in der Formel für die spezifische Leifähigkeit: σ = neµ.

Welche davon macht den Unterschied zwischen Halbleitern und Metallen aus

A:

n ist die Ladungsträgerdichte

e ist die (Elementar)ladung

µ ist die Beweglichkeit


Die Ladungsträgerdichte macht den Unterschied zwischen Halbleitern und Metallen.

Q:

e) Erläutern Sie die physikalische Bedeutung dieser Punkte (d).

A:

Wird das Magnetfeld wieder abgeschaltet, geht die Flussdichte nicht wieder auf Null zurück, sondern es bleibt eine Restfeldstärke Br (Remanenz). Erst mit einer Gegenfeldstärke von außen wird die Remanenz nach und nach abgebaut. Bei der Koerzitivfeldstärke (Gegenfeldstärke) Hc geht die Magnetisierungskurve wieder auf Null zurück.

Q:

f) Diskutieren Sie den prinzipiellen Verlauf der Magnetisierungskurve basierend auf dem Phänomen der magnetischen Domänen.

A:

Bei ferromagnetischen Stoffen gibt es Bereiche, in denen die Dipole bereits parallel zueinander ausgerichtet sind. Diese Bereiche werden Domänen genannt und sind statistisch im Material verteilt. 


Wird ein äußeres Magnetfeld angelegt, dehnen sich die Domänen, deren Dipole in etwa in die Richtung des Magnetfelds zeigen, auf Kosten der anderen Bezirke aus. Die Magnetisierungskurve steigt an. 


Bei weiterer ansteigender äußerer Feldstärke kommt es zu sprunghaften Domänenwandverschiebungen. Das heißt , die Domänen klappen ihre Magnetisierungsrichtung so um, dass die Dipole näherungsweise in die Richtung des äußeren Feldes zeigten. 


Kommt es zu einer weiteren Erhöhung der Feldstärke, tritt die Sättigung ein, da alle Dipole in Richtung des Feldes ausgerichtet sind.

Q:

g) Bis zu welcher Frequenz können sich Wände magnetischer Domänen verschieben? Was bestimmt maßgeblich die Frequenzabhängigkeit der Magnetisierung?

A:

Bis in den GHz-Bereich ist die Magnetisierung frequenzunabhängig, danach ist die Permeabilität µr = 1.

Die Domänenwandverschiebung bestimmt maßgeblich die Frequenzabhängigkeit.

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Q:

b) Worin besteht die Analogie zwischen einem paramagnetischen Material das einem homogenen magnetischen Feld ausgesetzt ist und Wasser, das einem homogenen elektrischen Feld ausgesetzt ist?

A:

Paramagnetische Materialien haben magnetische Dipole mit statistisch verteilten Richtungen, während Wassermoleküle elektrische Dipole mit statistisch verteilten Richtungen haben. Wird bei paramagnetischen Materialien ein homogenen Magnetfeld angelegt, dann werden die Dipole mehr oder weniger stark ausgerichtet, genauso wie bei Wassermolekülen die Dipole in einem Elektrischen Feld ausgerichtet werden.

Q:

b) Beschreiben Sie knapp, welche Temperaturabhängigkeit σ von Halbleitern und Metallen jeweils quantitativ aufweist, und begründen Sie die Unterschiede zwischen Halbleitern und Metallen anhand der Größen in der Formel σ = neµ.

A:

Je höher die Temperatur, desto größer die spezifische Leitfähigkeit von Halbleitern, da sich die Beweglichkeit erhöht und somit mehr frei bewegliche Ladungsträger zur Leitfähigkeit beitragen. Bei Metallen hingegen führt die höhere Temperatur und die damit eingehende erhöhte Beweglichkeit dazu, dass mehr Ladungsträger zusammenstoßen und somit den spezifischen Widerstand erhöhen, wodurch die Leitfähigkeit sinkt. Die Elementarladung ist eine Konstante und somit bei Metallen und Nichtmetallen.

Q:

d) Welche beiden Typen von Dotierung gibt es? 

Geben Sie für jeden Dotierungstyp die jeweilige Sorte der Majoritätsladungsträger an. Wie werden die beiden für den jeweiligen Dotierungstyp relevanten Sorten von Fremdatomen genannt?

A:

Es gibt p-Dotierung (z.B. Bor) welches 3-armige Atome (Akzeptor) besitzen und dessen Majoritätsladungsträger Löcher sind und es gibt n-Dotierung (z.B. Phosphor) welches 5-armige Atome besitzt (Donator) und dessen Majoritätsladungsträger Elektronen sind.

Q:

b) Geben Sie spezielle Formeln, die sich auf ND und NA beziehen, für die Löcherkonzentration im n. und im p-HL bei Raumtemperatur an.

A:

nh(p-HL)=NA

nh(n-HL)= (ni)²/ND

Q:

c) Warum resultiert daraus (Aufgabe b) ein Strom über den pn-Übergang, und von wo nach wo fließt er?

A:

Es resultiert ein Diffusionsstrom, welcher gegen das elektrische Feld in der Raumladungszone des pn-Übergangs fließt

Q:

i) Welcher Materialparameter des verwendeten Halbleiters bestimmt die Farbe des Lichtes einer Leuchtdiode?

A:

Die Größe der Bandlücke bestimmt die Farbe des ausgesendeten Lichts.

Q:

c) Mit welchem anschaulichen Modell kann Diffusion beschrieben werden (Schlagwort)?

A:

Mit dem "Random Walk"

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