Physik Festkörperphysik – Halbleiter
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15 KartenWas unterscheidet einen Halbleiter von einem Isolator und einem Leiter?
Rückseite
Halbleiter haben eine Bandlücke von ca. 0,5–3 eV – kleiner als Isolatoren (>3 eV), aber groß genug, dass bei Raumtemperatur nur wenige Elektronen thermisch angeregt werden.
Was passiert bei intrinsischer Leitung in einem Halbleiter?
Rückseite
Thermische Anregung hebt Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband, wodurch freie Elektronen und Löcher als Ladungsträger entstehen – deren Konzentrationen sind gleich (n = p = ni).
Wie verändert n-Dotierung die Ladungsträgerkonzentration?
Rückseite
Donatoratome (z. B. Phosphor im Silicium) geben ein zusätzliches Elektron ab, das nahe dem Leitungsband liegt – das Fermi-Niveau rückt Richtung Leitungsband, Elektronen werden Majoritätsladungsträger.
Wie verändert p-Dotierung die Ladungsträgerkonzentration?
Rückseite
Akzeptoratome (z. B. Bor im Silicium) erzeugen ein Energieniveau nahe dem Valenzband, nehmen Elektronen auf – Löcher werden Majoritätsladungsträger, das Fermi-Niveau rückt Richtung Valenzband.
Was besagt das Massenwirkungsgesetz für Halbleiter?
Rückseite
Das Produkt der Elektronen- und Lochkonzentration ist konstant: n · p = ni² (Temperaturabhängigkeit nur über ni), gilt für dotierte und intrinsische Halbleiter im thermischen Gleichgewicht.
Wie entsteht die Sperrschicht an einem pn-Übergang?
Rückseite
Diffusion von Majoritätsladungsträgern über die Grenzfläche hinterlässt ionisierte Dotieratome – es bildet sich ein raumladungsfreier Bereich mit eingebautem elektrischem Feld, das weitere Diffusion verhindert.
Was passiert an einem pn-Übergang in Vorwärtsrichtung?
Rückseite
Externe Spannung verringert die eingebaute Potentialbarriere, Majoritätsladungsträger diffundieren über den Übergang – es fließt ein exponentiell ansteigender Strom (Diffusionsstrom dominiert).
Was passiert an einem pn-Übergang in Sperrrichtung?
Rückseite
Externe Spannung vergrößert die Sperrschicht und das Potentialgefälle – nur geringer Leckstrom durch Minoritätsladungsträger (Driftstrom), bis Durchbruch bei hoher Feldstärke eintritt.
Welche Strom-Spannungskennlinie beschreibt eine ideale Diode?
Rückseite
Shockley-Gleichung: I = I₀ · (e^(qU/kT) - 1) mit Sättigungsstrom I₀, Elementarladung q, Boltzmann-Konstante k, Temperatur T.
Was ist der Zener-Durchbruch?
Rückseite
Bei stark dotierten pn-Übergängen (< 5 V Durchbruchspannung) tunneln Elektronen durch die schmale Sperrschicht vom Valenz- ins Leitungsband – quantenmechanischer Tunneleffekt.
Was ist der Lawinen-Durchbruch?
Rückseite
Bei schwach dotierten Übergängen (> 5 V) beschleunigt das hohe Feld Minoritätsladungsträger so stark, dass sie durch Stossionisation neue Elektron-Loch-Paare erzeugen – Lawinenvervielfachung.
Wie funktioniert ein bipolartransistor (npn) im Durchlassbetrieb?
Rückseite
Basis-Emitter-Strecke in Vorwärtsrichtung injiziert Elektronen in die Basis; die dünne, schwach dotierte Basis lässt die meisten in den Kollektor diffundieren – Stromverstärkung β = IC/IB.
Was unterscheidet einen MOSFET von einem Bipolartransistor?
Rückseite
MOSFET ist ein spannungsgesteuerter Feldeffekttransistor (Gate isoliert durch Oxid), Bipolartransistor ist stromgesteuert – MOSFET hat hohe Eingangsimpedanz, keine Gate-Ströme.
Wie entsteht der Inversionskanal bei einem n-Kanal-MOSFET?
Rückseite
Positives Gate-Spannung zieht Elektronen an die Si/SiO₂-Grenzfläche, biegt Bänder so stark, dass sich ein leitender n-Kanal zwischen Source und Drain bildet (starke Inversion).
Welche Rolle spielt die effektive Masse in Halbleitern?
Rückseite
Sie beschreibt, wie Ladungsträger auf externe Felder reagieren (m* = ħ² / d²E/dk²) – sie unterscheidet sich von der freien Elektronenmasse durch Kristallgitter-Wechselwirkung und ist tensorwertig.