Halbleiter-Animation

Dieser Artikel stammt von Prof. Dr. H.-G. Bruchmüller und Roland M. Eppelt

Diese Animation wurde für Studierende der Elektrotechnik im ersten Semester entworfen und soll einen Einblick in das Modell des Elektronenflusses in dotiertem Silizium geben.

Dieses Programm bietet drei didaktisch aufeinander aufbauende Animationen
  • Halbleiter

  • Diode

  • Transistor

Halbleiter

Zunächst sieht der Benutzer nur die Gitterstruktur reinen Siliziums. Der Schalter ist offen, eine Spannung liegt also nicht an.

Die Temperatur beträgt 0°K. Es ist keine Bewegung vorhanden.

Der Schalter wurde geschlossen und die Temperatur erhöht. Erste Elektronen (blau) befreien sich aus dem Atomgitter und hinterlassen Löcher (rot). Man erkennt in der Animation, dass sich unterschiedliche Ladungen anziehen und gleiche Ladungen abstoßen. Auch die Löcher können sich bewegen (natürlich bewegen sich nur die gebundenen Elektronen in der Gegenrichtung) - allerdings wesentlich langsamer als die freien Elektronen. Freie Elektronen können mit Löchern im Atomgitter wieder rekombinieren.

Die Geschwindigkeit der Animation ist einstellbar. Freie Elektronen und Löcher können unabhängig voneinander eingefroren werden, um so einzelne Aspekte isoliert zu demonstrieren. Außerdem können Freisetzung von Elektronen und Rekombination auch manuell durch Mausklick angestoßen werden.


Hier wurde der Zoom auf "Weitwinkel" gestellt und die Temperatur weiter erhöht. Man erkennt zwar immer noch das Atomgitter, die freien Elektronen und die Löscher, allerdings nimmt man aus dieser Perspektive vor allem das "Gewusel" der einzelnen Elektronen wahr.

Nicht im Bild dargestellt: Einzelne Atome können als Akzeptor oder Donator dotiert werden. Außerdem kann eine äußere Spannung angelegt werden, so dass die Elektronen (je nach Spannung) mehr oder weniger schnell in eine Richtung fließen (die Löcher entsprechend in der Gegenrichtung).

 
Diode

Die Diode startet zunächst mit zwei mechanisch getrennten und unterschiedlich dotierten Halbleitern.
Beim "Start" werden beide Hableiter zusammengeführt und es entsteht schon bei Zimmertemperatur eine Raumladungszone im Berührungsbereich.

Dies wird schematisch durch den leuchtenden Übergang zwischen den beiden Halbleitern und die ortsfesten Ladungen symbolisiert.

Statt der Legende können die Raumladungszone und die Ladungsträgerdichte in der Diode als Diagramme dargestellt werden.

Nun kann man den Einfluss der Temperatur und der von außen angelegten Spannung auf die Raumladungszone untersuchen. Der fließende Strom wird symbolisch durch negative (blau) und positive (rot) fließende Ladungsträger dargestellt.

Auch der geringe Strom in Sperrrichtung sowie der Lawinendurchbruch bei Überschreiten der Sperrspannung ist zu beobachten.

Alle Erkenntnisse sind noch einmal in der Strom-Spannungs-Kennlinie für die Diode zusammengefasst. Zur Verdeutlichung wird sie zweimal gezeigt: mit linearer und exponenzieller Skalierung der Stromachse.

Die Kennlinie in Sperrrichtung wird aus didaktischen Gründen erst auf Knopfdruck in das Diagramm eingeblendet.

 
Transistor

Der Transistor startet bereits fertig montiert in einer Schaltung mit zwei Stromquellen und Widerständen. Die beiden Raumladungszonen sind bereits fertig ausgeprägt. Für den Transistor kann die Raumtemperatur nicht mehr verändert werden.

Auf der rechten Seite werden permanent die Strom-Spannungs-Kennlinen für den Basis- und den Kollektorstrom (in Abhängigkeit von der Basis-Spannung) dargestellt.


Nun kann der Proband durch Anlegen von Basis- bzw. Kollektorspannung die Auswirkungen auf die Raumladungszone und die einzelnen Ströme beobachten. Auch hier werden wie bei der Diode der fließende Strom durch symbolische, fließende Ladungsträger dargestellt.

Im Basis-Strom-Spannungs-Diagramm wird jeweils das aktuelle Spannungs-/Strompaar durch einen roten Punkt dargestellt. Im Kollektor-Diagramm wird die aktuelle Kennlinie ebenfalls rot hervorgehoben.

 
Das Programm

Die Halbleiter-Animation hat Roland M. Eppelt im Auftrag und in enger Zusammenarbeit mit Prof. Dr. H.-G. Bruchmüller programmiert.

Das Programm läuft unter Windows (alle Versionen). Sämtliche Fenster können frei skaliert werden.

Die Halbleiter-Animation ist für Forschung und Lehre frei verfügbar.

AVR-Mikrocontroller Programmierung in C

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Heimo & Patrick Gaicher