1. Elektrik III – Halbleiter und Kennlinien
1.1 Rückgriff – Was du aus Elektrik 2 brauchst
Erklärung: Die fünf Größen kurz wiederholt
In Elektrik 3 baust du auf den Begriffen und Gesetzen aus Elektrik 2 auf. Falls du dich erinnerst – kurze Selbstkontrolle:
| Größe | Symbol | Einheit | Formel |
|---|---|---|---|
| Ladung | Q | C | Q = I · t |
| Stromstärke | I | A | I = Q / t |
| Spannung | U | V | U = E / Q |
| Widerstand | R | Ω | R = U / I |
| Leistung | P | W | P = U · I |
| Energie | E | J / kWh | E = P · t |
Stromrichtungs-Konvention: Strompfeile in Schaltplänen zeigen vom Plus- zum Minuspol (technische Richtung). Elektronen wandern umgekehrt.
Reihen-/Parallelschaltung: Reihe – I gleich, U addiert. Parallel – U gleich, I addiert.
Erklärung: Was kommt jetzt Neues?
Bisher hast du Bauteile betrachtet, deren Widerstand R = U / I einfach konstant ist (Ohmsches Gesetz). In Elektrik 3 geht es um:
- Welche Stoffe leiten Strom – und warum? → Leiter, Halbleiter, Isolatoren
- Wie liest man das Verhalten eines Bauteils aus einem Diagramm ab? → I-U-Kennlinien (ohmsche und nicht-ohmsche Bauteile)
- Wie funktionieren moderne Halbleiter-Bauteile? → LED, Solarzelle, LDR, Transistor
Wie Strom entsteht und übertragen wird (Induktion, Generator, Transformator, Stromnetz, nachhaltige Stromversorgung) findest du in Elektrik 4.
1.2 Elektrische Leitfähigkeit verschiedener Stoffe
Erklärung: Welche Stoffe leiten Strom?
Ob ein Stoff elektrischen Strom leitet, hängt davon ab, ob frei bewegliche Ladungsträger vorhanden sind.
- Metalle (z. B. Kupfer, Eisen, Aluminium): sehr gute Leiter. Im Metallgitter gibt es ein „Elektronengas" – viele frei bewegliche Elektronen.
- Wasser: Reines Wasser leitet kaum. Leitungs- oder Salzwasser leitet gut, weil gelöste Ionen die Ladung transportieren.
- Glas: Isolator. Keine freien Ladungsträger bei Raumtemperatur. Erst bei sehr hoher Temperatur leitfähig.
- Keramik: in der Regel guter Isolator (z. B. Porzellan an Hochspannungsleitungen). Spezielle Keramiken können aber auch Halbleiter oder sogar Supraleiter sein.
Merksatz: Strom braucht bewegliche Ladungsträger – Elektronen (Metalle) oder Ionen (Salzwasser, Säuren, Laugen).
Beispiel: Anwendungen im Alltag
- Kupfer in Stromleitungen – sehr guter Leiter, gut formbar.
- Porzellanisolatoren an Hochspannungsmasten – verhindern, dass der Strom in den Mast fließt.
- Glas und Kunststoff als Isolatoren in Steckdosen und Kabelmänteln.
- Salzwasser ist gefährlich: Deshalb keine elektrischen Geräte im Badezimmer in Reichweite der Wanne.
Zeichnung: Vergleich: Freie Ladungsträger in vier Stoffen
Experiment: Leitfähigkeit von Wasser Klasse: 9–10 | Dauer: 20 min | Schwierigkeit: einfach
Material
- Netzteil (regelbare Gleichspannungsquelle)
- Amperemeter
- 2 Kabel mit Krokodilklemmen / Bananensteckern
- Becherglas
- Salz
- Wasser (destilliert)
Aufgabe
Überprüfe Aufbau und Leitfähigkeit von destilliertem Wasser und Salzwasser. Gehe sparsam mit dem destillierten Wasser um.
Durchführung
1. Schließe das Amperemeter in Reihe mit den beiden Kabelenden ans Netzteil an.
2. Tauche die beiden Kabelenden so ins Becherglas, dass sie sich nicht berühren.
3. Stelle am Netzteil eine feste Spannung ein (z. B. 1,5 V).
4. Messung 1: Fülle destilliertes Wasser ein und notiere die Stromstärke.
5. Messung 2: Gib eine Prise Salz hinzu, rühre um und notiere die Stromstärke erneut.
Auswertung
- Vergleiche die beiden Stromstärken.
- Was bedeutet das für die frei beweglichen Ladungsträger im Wasser?
- Erkläre, warum reines Wasser kaum leitet, Salzwasser aber gut.
Erwartetes Ergebnis
Destilliertes Wasser leitet fast nicht (I ≈ 0). Beim Auflösen des Salzes entstehen Ionen (Na⁺ und Cl⁻) als Ladungsträger – die Stromstärke steigt deutlich an.
1.3 Kennlinien – das Verhalten eines Bauteils ablesen
Erklärung: I-U-Kennlinien lesen
Eine Kennlinie zeigt im Diagramm, wie die Stromstärke I durch ein Bauteil von der angelegten Spannung U abhängt. Sie ist der „Fingerabdruck" des Bauteils.
Ohmscher Widerstand: Die Kennlinie ist eine Gerade durch den Ursprung. Verdoppelt man U, verdoppelt sich I. Die Steigung entspricht 1/R – je steiler die Kennlinie, desto kleiner der Widerstand.
Nicht-ohmsche Bauteile: Die Kennlinie ist gekrümmt. R = U / I ist nicht mehr konstant, sondern hängt vom Arbeitspunkt ab.
- Glühlampe: Bei kleinen Spannungen ist der Glühdraht kalt – R ist klein, die Kennlinie steigt zunächst steil. Mit zunehmender Spannung wird der Draht heißer, der Widerstand steigt → die Kennlinie flacht ab.
- Diode / LED: Unterhalb der Schwellspannung U_S fließt praktisch kein Strom (die Kennlinie liegt auf der U-Achse). Wird U_S überschritten, steigt der Strom fast senkrecht an.
Merksatz: Ohmsch = Gerade durch (0|0). Alles andere = nicht-ohmsch.
Beispiel: Widerstand aus der Kennlinie ablesen
An einem ohmschen Bauteil liest man aus der Kennlinie ab: Bei U = 6 V fließt I = 30 mA.
- R = U / I = 6 V / 0{,}03 A = 200 Ω.
Bei einem ohmschen Widerstand gilt dieser Wert für jede Spannung – die Kennlinie ist überall gleich steil. Bei einer Glühlampe nur an diesem einen Punkt der Kennlinie; an einer anderen Stelle hat die Glühlampe einen anderen Widerstand.
Zeichnung: I-U-Kennlinien im Vergleich
Experiment: Kennlinie von Widerstand und Glühlampe aufnehmen Klasse: 9–10 | Dauer: 30 min | Schwierigkeit: einfach
Material
- Regelbares Netzteil (0–12 V Gleichspannung)
- Amperemeter (A-Meter)
- Voltmeter (V-Meter)
- Ohmscher Widerstand R = 100 Ω
- Glühlämpchen (12 V / 250 mA)
- Steckplatte
- 5 Kabel
Aufgabe
Nimm für beide Bauteile eine I-U-Kennlinie auf: Erhöhe die Spannung schrittweise und miss jeweils die Stromstärke. Trage die Wertepaare in eine Tabelle ein und zeichne anschließend beide Kennlinien in ein gemeinsames Diagramm.
Durchführung
1. Baue die Schaltung nach Skizze auf: A-Meter in Reihe mit dem Bauteil, V-Meter parallel zum Bauteil.
2. Stelle am Netzteil U = 0 V ein und schalte ein.
3. Erhöhe die Spannung in Schritten von 1 V bis maximal 12 V. Lies bei jedem Schritt I und U ab und notiere die Werte in der Tabelle.
4. Wiederhole die Messreihe mit dem zweiten Bauteil.
5. Wichtig: Bei der Glühlampe nicht über die Nennspannung hinausgehen (sonst durchgebrannt).
| U in V | I in mA (R = 100 Ω) | I in mA (Glühlampe bis 12V/250mA) |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 | ||
| 5 | ||
| 6 | ||
| 7 | ||
| 8 | ||
| 9 | ||
| 10 | ||
| 11 | ||
| 12 |
Auswertung
- Zeichne beide Wertepaar-Reihen in ein U-I-Diagramm (U auf x-Achse, I auf y-Achse).
- Welche Kennlinie ist eine Gerade durch den Ursprung, welche ist gekrümmt?
- Berechne den Widerstand der Glühlampe bei U = 1 V und bei U = 12 V. Was fällt auf?
- Erkläre die Beobachtung mit der Temperatur des Glühdrahtes.
Erwartetes Ergebnis
- Widerstand 100 Ω: Die Messwerte liegen auf einer Geraden durch (0|0). R = U / I ist über alle Punkte hinweg konstant ≈ 100 Ω – ein ohmsches Bauteil.
- Glühlampe: Die Kennlinie startet steil und flacht zunehmend ab. Bei kleinen Spannungen ist der Draht kalt → R klein; mit zunehmender Spannung erhitzt er sich → R steigt deutlich an. R bei 12 V ist etwa 5–10× so groß wie R bei 1 V – ein klar nicht-ohmsches Bauteil.
Erweiterte Information: Differentieller Widerstand (für Interessierte)
Bei nicht-ohmschen Bauteilen unterscheidet man zwei Widerstandsbegriffe in einem Arbeitspunkt:
- Statischer Widerstand: R = U / I (Verhältnis am Punkt).
- Differentieller Widerstand: r = ΔU / ΔI (Steigung der Tangente an die Kennlinie).
Bei einer Diode ist r oberhalb der Schwellspannung sehr klein (Kennlinie nahezu senkrecht). Bei einer Glühlampe wird r mit steigender Spannung größer, weil die Kennlinie immer flacher wird.
1.4 Halbleiter und Bändermodell
Erklärung: Werkstoffe zwischen Leiter und Isolator
Bändermodell (vereinfacht):
Elektronen in einem Festkörper besetzen Energiebänder.
- Valenzband: hier sitzen die gebundenen Elektronen.
- Leitungsband: hier können Elektronen frei fließen.
- Dazwischen liegt eine Bandlücke (verbotene Zone).
| Stoff | Bandlücke | Leitfähigkeit |
|---|---|---|
| Leiter | keine / überlappend | sehr gut |
| Halbleiter | klein (~1 eV) | mittel |
| Isolator | groß (> 5 eV) | praktisch keine |
Bei Halbleitern reicht Wärme oder Licht, um einzelne Elektronen aus dem Valenz- ins Leitungsband zu „heben" – dann fließt Strom.
Dotierung: Einbau von Fremdatomen verändert die Leitfähigkeit gezielt.
- n-Typ: zusätzliche freie Elektronen (z. B. Silizium mit Phosphor).
- p-Typ: „Löcher" (z. B. Silizium mit Bor).
Beispiel: Warum Silizium?
Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste – billig, ungiftig, mit einer Bandlücke von ~1,1 eV ideal für Elektronik. Praktisch alle Computerchips, Solarzellen und LEDs basieren auf dotiertem Silizium oder verwandten Halbleitern.
Zeichnung: Bändermodell: Leiter, Halbleiter (rein/n-dotiert/p-dotiert), Isolator
1.5 Leuchtdioden (LEDs)
Erklärung: Vom Strom zum Licht
Eine LED (_Light Emitting Diode_) ist eine Halbleiterdiode mit einem p-n-Übergang, die in Durchlassrichtung Licht aussendet.
Funktion:
- Elektronen aus dem n-Bereich und Löcher aus dem p-Bereich treffen sich am p-n-Übergang.
- Beim Rekombinieren geben sie Energie als Lichtquant (Photon) ab.
- Die Farbe des Lichts hängt von der Bandlücke des Halbleitermaterials ab (rot, grün, blau, weiß).
Eigenschaften:
- Sehr hoher Wirkungsgrad (kaum Verlust als Wärme).
- Lange Lebensdauer (>20.000 Stunden).
- Brauchen einen Vorwiderstand, um den Strom zu begrenzen.
Schaltzeichen: Diodendreieck mit zwei Pfeilen nach außen (Licht).
Beispiel: LEDs im Alltag
Bildschirme, Ampeln, Autoscheinwerfer, Energiesparlampen, Statusanzeigen. Eine moderne LED-Lampe braucht etwa 1/8 der Energie einer alten Glühbirne bei gleicher Helligkeit.
Zeichnung: LED: Schaltzeichen und Kennlinie I(U)
1.6 Solarzellen
Erklärung: Vom Licht zum Strom
Eine Solarzelle wandelt Lichtenergie direkt in elektrische Energie um – sie ist sozusagen die Umkehrung der LED.
Funktion:
- Licht (Photonen) trifft auf einen p-n-Übergang in einer dünnen Siliziumscheibe.
- Die Photonen schlagen Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband – es entstehen freie Ladungspaare (Elektron + Loch).
- Das elektrische Feld am p-n-Übergang trennt die Ladungen → Spannung entsteht.
- Schließt man einen Verbraucher an, fließt Gleichstrom.
Wichtige Größen:
- Leerlaufspannung einer Silizium-Solarzelle: ca. 0,5–0,7 V.
- Höhere Spannungen werden durch Reihenschaltung vieler Zellen erreicht (Solarmodul).
- Wirkungsgrad typischer Module: ~20 %.
Beispiel: Solarzellen in der Praxis
- Taschenrechner: wenige Zellen reichen.
- Hausdach-Anlage: viele Module, oft mit Wechselrichter (DC → AC) und Speicherbatterie.
- Raumsonden und Satelliten: Solarzellen sind dort die einzige praktikable Energiequelle.
Zeichnung: Solarzelle: p-n-Übergang mit einfallendem Licht
1.7 Photowiderstände (LDR)
Erklärung: Widerstand, der auf Licht reagiert
Ein LDR (_Light Dependent Resistor_, Photowiderstand) ist ein Halbleiterbauteil, dessen elektrischer Widerstand bei Belichtung sinkt.
Funktion:
- Im Dunkeln: wenige freie Ladungsträger → hoher Widerstand (oft MΩ).
- Bei Licht: Photonen heben Elektronen ins Leitungsband → niedriger Widerstand (wenige Ω bis kΩ).
Unterschied zur Solarzelle: Ein LDR erzeugt keine Spannung selbst – er ändert nur seinen Widerstand. Man braucht eine zusätzliche Spannungsquelle.
Typisches Material: Cadmiumsulfid (CdS).
Beispiel: Wo LDRs eingesetzt werden
- Dämmerungsschalter für Straßenlaternen.
- Automatische Helligkeitsregelung bei Bildschirmen und Smartphones.
- Belichtungsmesser in Kameras.
- Lichtschranken (zusammen mit einer Lichtquelle).
Zeichnung: LDR-Kennlinie: Widerstand fällt mit Beleuchtungsstärke
1.8 Transistoren
Erklärung: Der elektronische Schalter und Verstärker
Ein Transistor ist ein Halbleiterbauteil mit drei Anschlüssen, das einen Strom schalten oder verstärken kann. Es ist das wichtigste Bauteil moderner Elektronik – in einem Mikrochip stecken Milliarden davon.
Bipolartransistor (npn): Drei Halbleiterschichten – n-p-n – mit den Anschlüssen
- Basis (B) – Steuerelektrode
- Kollektor (C) – Stromaufnahme
- Emitter (E) – Stromabgabe
Prinzip:
- Ein kleiner Basisstrom I_B steuert einen viel größeren Kollektorstrom I_C.
- Schalterfunktion: wenig Strom an der Basis → Transistor leitet (durchgeschaltet); kein Basisstrom → Transistor sperrt.
- Verstärkerfunktion: kleine Schwankungen von I_B → große Schwankungen von I_C.
Daneben gibt es Feldeffekttransistoren (FET / MOSFET), bei denen eine Spannung statt eines Stroms steuert – Grundlage aller Computerchips.
Beispiel: Transistoren überall
- Computer und Smartphones: Milliarden MOSFETs schalten in jedem Prozessor.
- Verstärker in Radios, Lautsprechern, Mikrofonen.
- Schaltrelais in Steuerungen, z. B. Lichtsensor schaltet Lampe über einen Transistor.
Zeichnung: Schaltzeichen npn-Transistor
1.9 Sicherheit beim Arbeiten mit Halbleitern
Erklärung: Sicher arbeiten mit Halbleitern
Halbleiterbauteile (LEDs, Transistoren, ICs) sind empfindlich gegen:
- Falsche Polung: LEDs gehen in Sperrrichtung kaputt, wenn die Spannung zu hoch ist.
- Zu hohen Strom: Eine LED ohne Vorwiderstand brennt sofort durch. Faustregel: passenden Vorwiderstand berechnen mit R = (U_quelle − U_LED) / I_LED.
- Elektrostatische Entladung (ESD): Schon das Anfassen eines Chips kann ihn zerstören. Profis tragen beim Arbeiten ESD-Armbänder, die statische Ladung ableiten.
Beim Reparieren von Elektronik:
- Geräte immer vom Netz trennen.
- Vorsicht bei Kondensatoren (z. B. in Mikrowellen oder Bildschirmen) – sie können auch nach dem Ausschalten noch lebensgefährliche Spannung speichern.
- Aufgeblähte oder beschädigte Lithium-Akkus nicht weiter verwenden – sie können in Brand geraten.
Aufgabenpool 1.9.1: Sicherheit – Selbsttest [0/2]
Lade Aufgabe...
1.10 Wie geht es weiter?
Erklärung: Induktion und Stromnetz in Elektrik 4
Du hast in diesem Kapitel die wichtigsten Halbleiter-Bauteile und das Lesen von Kennlinien kennengelernt. Wie der Strom überhaupt erzeugt wird (Induktion, Generator), wie er als Wechselstrom übertragen wird (Transformator, Hochspannungsnetz) und wie die nachhaltige Stromversorgung der Zukunft aussieht, findest du im nächsten Kurs: