Elektronenbewegung < Elektrik < Physik < Naturwiss. < Vorhilfe
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Hallo!
ausgehend davon eine Logik im Bewegungsverhalten der Elektronen in einem Halbleiter zu verstehen, habe ich bei mir folgendes Problem mit drei Dingen, bei denen dieselbe Physik gelten soll:
1. Elektrischer Strom braucht ein Ausbreitungsmedium - Leiter -. Eine unterbrochene Leitung kann daher keinen Strom führen.
2. Elektronen aus einer Glühkatode werden im elektrischen Feld (Aufbau im Vakuum) beschleunigt, spricht man hier von einem Stromfluss? Oder anders gefragt - welche Art von Leiter ist das Vakuum?
3. Im Halbleiter wird in vielen Büchern und Animationen die thermische Bewegung von Elektronen dargestellt. Bei dieser Darstellung bewegen sich desto mehr Elektronen frei im Halbleiter je wärmer er ist. Ist es da nicht möglich mit dem Minuspol ständig Elektronen auf der einen Seite des Halbleiter aufzufüllen und auf der anderen abzusaugen - egal wie hoch die Beweglichkeit der Elektronen des Halbleiters ist? Da sich doch die Elektronen aus dem Minuspol genau wie die freien "thermischen" Elektronen über das Atomgitter und die Orbitale "hinwegsetzen" können? Oder ist grundsätzlich eine Ablöseenergie erfordlich, um aus einem (unbeheizten) Minuspol Elektronen herauszubekommen?
Ich bin sehr dankbar für Verständnishilfe!!
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(Antwort) fertig  | | Datum: | 22:08 Do 26.06.2014 | | Autor: | chrisno |
Es kommt auf den Kontext und das Abstraktionsniveau an.
>....
> 1. Elektrischer Strom braucht ein Ausbreitungsmedium -
> Leiter -. Eine unterbrochene Leitung kann daher keinen
> Strom führen.
Dies ist eine Beschreibung einer Beobachtung, die keine Aussage darüber enthält, was der elektrische Strom ist. Die unterbrochene Leitung ist dann ein Beispiel. Die Situation von der hier ausgegangen wird, ist eine Beschaltung einer Batterie.
>
> 2. Elektronen aus einer Glühkatode werden im elektrischen
> Feld (Aufbau im Vakuum) beschleunigt, spricht man hier von
> einem Stromfluss? Oder anders gefragt - welche Art von
> Leiter ist das Vakuum?
Inzwischen in der Begriff des elektrischen Stroms präzisiert:
Die Anzahl der Ladungen pro Sekunde, die eine bestimmte Fläche durchqueren. Damit kann er auch auf Elektronen im Vakuum angewendet werden. Von dem Begriff des Leiters ist man damit befreit. Denke mal selbst darüber nach: ist destilliertes Wasser ein Leiter?, Trockenes Holz?
>
> 3. Im Halbleiter wird in vielen Büchern und Animationen
> die thermische Bewegung von Elektronen dargestellt. Bei
> dieser Darstellung bewegen sich desto mehr Elektronen frei
> im Halbleiter je wärmer er ist.
Die sind aber ungerichtet unterwegs, solange kein Strom fließt. In Metallen hättest Du das gleiche Bild, nur mit viel mehr Elektronen und geringerer relativer Änderung der Anzahl bei Temperaturerhöhung.
> Ist es da nicht möglich
> mit dem Minuspol ständig Elektronen auf der einen Seite
> des Halbleiter aufzufüllen und auf der anderen abzusaugen
Ja, aber siehe unten.
> - egal wie hoch die Beweglichkeit der Elektronen des
> Halbleiters ist?
Wenn Du die gleiche Stromstärke haben willst, musst Du die Spannung anpassen.
> Da sich doch die Elektronen aus dem
> Minuspol genau wie die freien "thermischen" Elektronen
> über das Atomgitter und die Orbitale "hinwegsetzen"
> können? Oder ist grundsätzlich eine Ablöseenergie
> erfordlich, um aus einem (unbeheizten) Minuspol Elektronen
> herauszubekommen?
>
Sobald die Elektronen im Halbleiter sind, müssen sie sich an die dort geltenden Spielregeln halten. Die besagen, dass für jedes Elektron die Wahrscheinlichkeit gleich groß ist, sich im Leitungsband aufzuhalten. Die zusätzlich eingebrachten Elektronen werden also zum guten Teil im Valenzband verschwinden. Was die nun vorhandene überschüssige negative Ladung in dem Geschehen bewirkt, kann ich nicht so aus dem Handgelenk sagen.
> Ich bin sehr dankbar für Verständnishilfe!!
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Hallo chrisno,
schon mal vielen Dank für die rasche Antwort! Ich muss noch ein bisschen drüber nachdenken, ob mir diese so weiterhilfen wird. Ich finde die Vorgänge im Halbleiter bisher sehr unplausibel, weil die Elektronen für die Wanderung zum Pluspol einerseits den Weg "ohne Löcher" zur Verfügung haben, andererseits den Weg "mit Löchern", die ja so entscheidend sein sollen für eine gute Leitung...
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(Mitteilung) Reaktion unnötig  | | Datum: | 22:42 Do 26.06.2014 | | Autor: | chrisno |
Diese Darstellung ist der Endpunkt einer längeren Betrachtung in der Festkörperphysik. Ausgehend von der Betrachtung der Elektronen als de-Broglie-Wellen wird deren Wechselwirkung mit dem periodischen Potential im Kristallgitter untersucht. Daraus ergeben sich die möglichen Energien, die den Elektronen zu Verfügung stehen und die dazugehörigen Bewegungsmöglichkeiten.
Die einfachen Veranschaulichungen haben ihre Grenzen.
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Hallo chrisno,
OK, damit kann ich schon mal was anfangen, auf wenns nach ner recht komplizierten Wellenfunktion klingt - wobei das Potenzial ja wenigstens, wie ich nachvollziehen kann auf Grund der Symmetrien im Gitter, ein periodisches ist. Also vielen Dank dafür!
Wie ich das Thema anständig unterrichten soll, weiß ich jetzt zwar noch nicht, aber dass die Schüler ein Modell stumpf auswendig lernen und bitte schön ihren kritischen Verstand hinsichtlich Plauibiltät ausschalten sollen, das ist in der Schulphysik für mich inzwischen nix neues mehr :-/...
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(Mitteilung) Reaktion unnötig | | Datum: | 21:52 Mo 30.06.2014 | | Autor: | chrisno |
Punkt 1 kommt ja aus dem Anfangsunterricht. Da ist mein Ziel aber auch von Leiter-Nichtleiter weg zu kommen und ein Kontinuum der Leitfähigkeiten (ohne Zahlen) beizubringen. Dazu dienen Versuche zur Leitfähigkeit mit einem Lämpchen und mit einer Leuchtdiode.
Punkt 3 halte ich in Mittel- und Oberstufe für problematisch. Ich habe es bisher nicht unterrichtet und sehe da auch wegen der didaktischen Reduktion erhebliche Probleme.
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