1. Semester an der Duale Hochschule Baden-Württemberg | Karteikarten & Zusammenfassungen

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TESTE DEIN WISSEN

Erklären Sie bitte das Bohr'sche Atommodell! Gehen Sie dabei auf den Aufbau, Energie, Energiequellen und Ruhezustand ein.

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TESTE DEIN WISSEN

Atome haben einem positiv geladenen Atomkern (positive Protonen, ungeladene Neutronen)

Negativ geladene Elektronen bewegen sich auf einzelnen Bahnen um den Kern. Jede dieser Bahnen kann dabei ein bestimmter Energiewert W zugeordnet werden (größerer Bahnradius – größere Energie)

Der Abstand ΔW zwischen zwei Linien entspricht der Energie, die nötig ist, um das Elektron von einer inneren Bahn auf eine Bahn weiter außen zu bringen 


Mögliche Energiequellen sind die Thermische Energie und die Elektromagnetische Strahlung (z.B. Licht)

Im Ruhezustand nehmen die Elektronen den energetisch niedrigsten Zustand ein (die Elektronen befinden sich auf den innersten Bahnen)

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Was passiert bei einer Wechselwirkung zwischen Atomen?

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Die Energiezustände von Elektronen in einem Festkörper lassen sichin dem so genannten Bänderdiagramm darstellen. Bei T = 0K ist das Valenzband vollständig mit Elektronen besetzt, während sich indem Leitungsband keine Elektronen befinden.


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Erläutern Sie die Leitfähigkeit von Metallen, Halbleitern und Isolatoren!

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Je kleiner der Bandabstand Wg, um so leichter können Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband gelangen und desto höher ist die Leitfähigkeit des Materials.


Ist der Bandabstand sehr gering oder, wie bei Metallen, nicht vorhanden, handelt es sich um elektrisch gut leitende Materialien.


Bei sehr großem Bandabstand (Wg > 3 eV) können Elektronen nur sehr schwer die Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband überwinden; man spricht in diesem Fall von Isolatoren.


Materialien mit einem Bandabstand im Bereich von etwa 1 eV, wie z.B. Silizium, bezeichnet man als Halbleiter, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Isolatoren liegt.

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Was sind dotierte Halbleiter? 

Gehen Sie dabei kurz auf n-dotierte und p-dotierte Halbleiter ein.

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Zur Herstellung von elektronischen Bauelementen werden Halbleiter benötigt, bei denen eine Ladungsträgerart dominiert, was durch Einbau von Fremdatomen, das so genannte Dotieren, erreicht werden kann.


Je nachdem ob in dem Halbleiter mehr Elektronen oder mehr Löcher vorhanden sind bezeichnet man diesen als n-oder p-dotierten Halbleiter.

Bei der p-Dotierung werden Fremdatome implantiert, die als Elektronen-Akzeptoren dienen. 

Bei der n-Dotierungwerden hingegen Elektronen-Donatoren implantiert.

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Erklären Sei die Funktion von einem n-dotierten Halbleiter!

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Einen Halbleiter, bei dem im thermodynamischen Gleichgewicht mehr freie Elektronen als Löcher vorhanden sind, nennt man n-Typ Halbleiter

Dies lässt sich dadurch erreichen, dass bei der Herstellung der Siliziumkristall mit einem fünfwertigen Element wie z.B. Phosphor dotiert, d.h. verunreinigt wird, dabei bleibt eine Bindung der fünfwertigen Phosphoratome in dem Kristallgitter ungesättigt.


Da die Bindungsenergie dieses ungesättigten Elektrons an das Phosphoratom sehr gering ist, genügt bereits die thermische Energie bei Raumtemperatur, um das Phosphoratom zu ionisieren. Man erhält dann ein freies Elektron sowie ein ortsfestes positiv ionisiertes Phosphoratom P+ 


Beachte: Der Halbleiter bleibt bei den beschriebenen Vorgängen nach außen stets neutral, da jedem Elektron ein positiv ionisiertes Dotierungsatom gegenübersteht 


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Erklären Sei die Funktion von einem p-dotierten Halbleiter! 

Gehen Sie dabei auch auf die Begriffe Majoritäts- und Minoritätsladungsträger, sowie auf das Wandern von Löchern ein.


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Bei einem p-Typ Halbleiter sind im thermodynamischen Gleichgewicht mehr Löcher als freie Elektronen vorhanden

Einen solchen Halbleiter erhält man durch Dotieren von Silizium mit einem dreiwertigen Element, wie z.B. Bor. 


Das Boratom wirkt dabei im Kristallgitter als so genannter Akzeptor, d.h. es nimmt im Kristallgitter sehr leicht ein viertes Elektron auf


Dabei entsteht ein negativ ionisiertes Boratom und ein Loch an der Stelle, an der sich das Elektron zuvor befand, wobei der Halbleiter insgesamt jedoch neutral bleibt.


Die Löcherdichte liegt bei einem p-Typ Halbleiter im thermodynamischen Gleichgewicht also deutlich über der Elektronendichte so dass man die Löcher auch als Majoritätsladungsträger und die Elektronen als Minoritätsladungsträger bezeichnet


An die Stelle des fehlenden Elektrons kann nun ein Elektron von einer benachbarten Bindung gelangen, welches dann seinerseits wieder ein Loch an der Stelle hinterlässt, an der sich das Elektron zuvor befand

Dieses Wandern von Löchern im Valenzband kann daher ebenfalls zum Ladungstransport beitragen, so dass wir Löcher als eigenständige Teilchen betrachten können, die eine positive Ladung besitzen.  

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Für die elektrische Leitfähigkeit sind bewegliche Ladungsträger essentiell. 

Nennen Sie mögliche Ladungträger und ihre Eigenschaften!

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Freie Elektronen

Treten insbesondere in Metallen auf


Valenzelektronen, Elektronen der äußeren Schale, die sich sehr leicht vom Atomrumpf lösen

Valenzelektronen können nicht mehr einem bestimmten Atom zugeordnet werden ->Bezeichnung als „freie Elektronen


Verhalten ähnlich der Moleküle eines Gases –> Bezeichnung als „Elektronengas“ 


Defektelektronen (auch Löcher genannt)

Insbesondere bei p-dotierten Halbleitern


Fremdatom nimmt leicht ein Valenzelektron eines benachbarten Halbleiteratoms auf

Dadurch wird das Fremdatom negativ und das Nachbaratom positiv aufgeladen

Die Stelle, an der sich ein derartiges positives Atom befindet, bezeichnet man als Defektelektron oder als positives Loch.

Eigentliche Bewegung von positiven Löchern ist also ein ständiges Springen der Valenzelektronen von Nachbaratomen in freie Plätze, so dass diese scheinbar weiterwandern


Ionen:

Elektrisch geladene Atome


Sind Ionen in flüssiger Materie, so ist eine Bewegung dieser Ladungsträger und damit ein Ladungstransport möglich.

Solch ein Ladungstransport verursacht einen Massetransport


Technische Nutzung des Materialtransports z.B. beim Galvanisieren


Die Ionen enthaltende Flüssigkeiten (Elektrolyte) können sich durch den Ladungstransport chemisch verändern 

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Was ist ein Coulomb?

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Q = I * t


C= A * s


Ein Coulomb ist also diejenige elektrische Ladung, die bei einer Stromstärke von einem Ampere in jeder Sekunde durch den Leiterquerschnitt fließt.

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Was ist die elektrische Spannung?

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Die in Spannungsquellen wirkende elektrische Größe, die das Fließen eines Stromes verursacht, bezeichnet man als elektrische Spannung. 


Formelzeichen: U

Einheit: Volt [V]

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Wie berechnet man die Ströme nach dem Maschenstromverfahren?

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siehe S. 56 2.2.6 Netzwerkberechnung nach dem Maschenstromverfahren

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Was sind Maschenströme?

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Die Zweigströme (z.B. I1, I2 und I3) fassen wir als Maschenströme auf, die ausschließlich jeweils eine Masche durchfließen. Sind sie bekannt, so lassen sich alle übrigen Zweigströme in einfacher Weise bestimmen.

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Wie kann man reale Stromquellen in reale Spannungsquellen und umgekehrt umwandeln?

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Ohm'sches Gesetz

wenn unsicher watch youtube

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Q:

Erklären Sie bitte das Bohr'sche Atommodell! Gehen Sie dabei auf den Aufbau, Energie, Energiequellen und Ruhezustand ein.

A:

Atome haben einem positiv geladenen Atomkern (positive Protonen, ungeladene Neutronen)

Negativ geladene Elektronen bewegen sich auf einzelnen Bahnen um den Kern. Jede dieser Bahnen kann dabei ein bestimmter Energiewert W zugeordnet werden (größerer Bahnradius – größere Energie)

Der Abstand ΔW zwischen zwei Linien entspricht der Energie, die nötig ist, um das Elektron von einer inneren Bahn auf eine Bahn weiter außen zu bringen 


Mögliche Energiequellen sind die Thermische Energie und die Elektromagnetische Strahlung (z.B. Licht)

Im Ruhezustand nehmen die Elektronen den energetisch niedrigsten Zustand ein (die Elektronen befinden sich auf den innersten Bahnen)

Q:

Was passiert bei einer Wechselwirkung zwischen Atomen?

A:

Die Energiezustände von Elektronen in einem Festkörper lassen sichin dem so genannten Bänderdiagramm darstellen. Bei T = 0K ist das Valenzband vollständig mit Elektronen besetzt, während sich indem Leitungsband keine Elektronen befinden.


Q:

Erläutern Sie die Leitfähigkeit von Metallen, Halbleitern und Isolatoren!

A:

Je kleiner der Bandabstand Wg, um so leichter können Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband gelangen und desto höher ist die Leitfähigkeit des Materials.


Ist der Bandabstand sehr gering oder, wie bei Metallen, nicht vorhanden, handelt es sich um elektrisch gut leitende Materialien.


Bei sehr großem Bandabstand (Wg > 3 eV) können Elektronen nur sehr schwer die Bandlücke zwischen Valenz- und Leitungsband überwinden; man spricht in diesem Fall von Isolatoren.


Materialien mit einem Bandabstand im Bereich von etwa 1 eV, wie z.B. Silizium, bezeichnet man als Halbleiter, deren elektrische Leitfähigkeit zwischen der von Leitern und Isolatoren liegt.

Q:

Was sind dotierte Halbleiter? 

Gehen Sie dabei kurz auf n-dotierte und p-dotierte Halbleiter ein.

A:

Zur Herstellung von elektronischen Bauelementen werden Halbleiter benötigt, bei denen eine Ladungsträgerart dominiert, was durch Einbau von Fremdatomen, das so genannte Dotieren, erreicht werden kann.


Je nachdem ob in dem Halbleiter mehr Elektronen oder mehr Löcher vorhanden sind bezeichnet man diesen als n-oder p-dotierten Halbleiter.

Bei der p-Dotierung werden Fremdatome implantiert, die als Elektronen-Akzeptoren dienen. 

Bei der n-Dotierungwerden hingegen Elektronen-Donatoren implantiert.

Q:

Erklären Sei die Funktion von einem n-dotierten Halbleiter!

A:

Einen Halbleiter, bei dem im thermodynamischen Gleichgewicht mehr freie Elektronen als Löcher vorhanden sind, nennt man n-Typ Halbleiter

Dies lässt sich dadurch erreichen, dass bei der Herstellung der Siliziumkristall mit einem fünfwertigen Element wie z.B. Phosphor dotiert, d.h. verunreinigt wird, dabei bleibt eine Bindung der fünfwertigen Phosphoratome in dem Kristallgitter ungesättigt.


Da die Bindungsenergie dieses ungesättigten Elektrons an das Phosphoratom sehr gering ist, genügt bereits die thermische Energie bei Raumtemperatur, um das Phosphoratom zu ionisieren. Man erhält dann ein freies Elektron sowie ein ortsfestes positiv ionisiertes Phosphoratom P+ 


Beachte: Der Halbleiter bleibt bei den beschriebenen Vorgängen nach außen stets neutral, da jedem Elektron ein positiv ionisiertes Dotierungsatom gegenübersteht 


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Q:


Erklären Sei die Funktion von einem p-dotierten Halbleiter! 

Gehen Sie dabei auch auf die Begriffe Majoritäts- und Minoritätsladungsträger, sowie auf das Wandern von Löchern ein.


A:

Bei einem p-Typ Halbleiter sind im thermodynamischen Gleichgewicht mehr Löcher als freie Elektronen vorhanden

Einen solchen Halbleiter erhält man durch Dotieren von Silizium mit einem dreiwertigen Element, wie z.B. Bor. 


Das Boratom wirkt dabei im Kristallgitter als so genannter Akzeptor, d.h. es nimmt im Kristallgitter sehr leicht ein viertes Elektron auf


Dabei entsteht ein negativ ionisiertes Boratom und ein Loch an der Stelle, an der sich das Elektron zuvor befand, wobei der Halbleiter insgesamt jedoch neutral bleibt.


Die Löcherdichte liegt bei einem p-Typ Halbleiter im thermodynamischen Gleichgewicht also deutlich über der Elektronendichte so dass man die Löcher auch als Majoritätsladungsträger und die Elektronen als Minoritätsladungsträger bezeichnet


An die Stelle des fehlenden Elektrons kann nun ein Elektron von einer benachbarten Bindung gelangen, welches dann seinerseits wieder ein Loch an der Stelle hinterlässt, an der sich das Elektron zuvor befand

Dieses Wandern von Löchern im Valenzband kann daher ebenfalls zum Ladungstransport beitragen, so dass wir Löcher als eigenständige Teilchen betrachten können, die eine positive Ladung besitzen.  

Q:

Für die elektrische Leitfähigkeit sind bewegliche Ladungsträger essentiell. 

Nennen Sie mögliche Ladungträger und ihre Eigenschaften!

A:

Freie Elektronen

Treten insbesondere in Metallen auf


Valenzelektronen, Elektronen der äußeren Schale, die sich sehr leicht vom Atomrumpf lösen

Valenzelektronen können nicht mehr einem bestimmten Atom zugeordnet werden ->Bezeichnung als „freie Elektronen


Verhalten ähnlich der Moleküle eines Gases –> Bezeichnung als „Elektronengas“ 


Defektelektronen (auch Löcher genannt)

Insbesondere bei p-dotierten Halbleitern


Fremdatom nimmt leicht ein Valenzelektron eines benachbarten Halbleiteratoms auf

Dadurch wird das Fremdatom negativ und das Nachbaratom positiv aufgeladen

Die Stelle, an der sich ein derartiges positives Atom befindet, bezeichnet man als Defektelektron oder als positives Loch.

Eigentliche Bewegung von positiven Löchern ist also ein ständiges Springen der Valenzelektronen von Nachbaratomen in freie Plätze, so dass diese scheinbar weiterwandern


Ionen:

Elektrisch geladene Atome


Sind Ionen in flüssiger Materie, so ist eine Bewegung dieser Ladungsträger und damit ein Ladungstransport möglich.

Solch ein Ladungstransport verursacht einen Massetransport


Technische Nutzung des Materialtransports z.B. beim Galvanisieren


Die Ionen enthaltende Flüssigkeiten (Elektrolyte) können sich durch den Ladungstransport chemisch verändern 

Q:

Was ist ein Coulomb?

A:

Q = I * t


C= A * s


Ein Coulomb ist also diejenige elektrische Ladung, die bei einer Stromstärke von einem Ampere in jeder Sekunde durch den Leiterquerschnitt fließt.

Q:

Was ist die elektrische Spannung?

A:

Die in Spannungsquellen wirkende elektrische Größe, die das Fließen eines Stromes verursacht, bezeichnet man als elektrische Spannung. 


Formelzeichen: U

Einheit: Volt [V]

Q:

Wie berechnet man die Ströme nach dem Maschenstromverfahren?

A:

siehe S. 56 2.2.6 Netzwerkberechnung nach dem Maschenstromverfahren

Q:

Was sind Maschenströme?

A:

Die Zweigströme (z.B. I1, I2 und I3) fassen wir als Maschenströme auf, die ausschließlich jeweils eine Masche durchfließen. Sind sie bekannt, so lassen sich alle übrigen Zweigströme in einfacher Weise bestimmen.

Q:

Wie kann man reale Stromquellen in reale Spannungsquellen und umgekehrt umwandeln?

A:

Ohm'sches Gesetz

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