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Aufgabe

Garagenmodell des Halbleiters

Schwierigkeitsgrad: mittelschwere Aufgabe

Pixabay License, erstellt: SuperBea, bearbeitet: Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Garagenmodell des Halbleiters

Von William Bradford SHOCKLEY (1910 - 1989), (Nobelpreis für Physik 1956 zusammen mit Walter H. BRATTAIN und John BARDEEN „für ihre Untersuchungen über Halbleiter und ihre Entdeckung des Transistoreffekts“) stammt der Vorschlag die Eigenleitung im Halbleiter mit einem Garagenmodell zu erklären:

Im unteren Parkdeck stehen die Autos zunächst dicht, im oberen Parkdeck ist kein Auto. Insgesamt ist keine "Autobewegung" möglich.
Gelangt aber ein Auto mit einem Aufzug aus dem unteren Deck in das obere, so ist in beiden Decks "Autobewegung" möglich.

Stelle die Beziehungen zwischen dem Garagenmodell und der Stromleitung im Halbleiter her.

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Die Ladungsträger in einem Halbleiter sind bei niedriger Temperatur in der Regel gebunden und tragen nicht zur Leitfähigkeit bei. Durch Zuführen von Energie, z.B. durch Wärme, werden die Ladungsträger auf ein energetisch höheres Niveau angeregt, also aus ihrer festen Position herausgelöst. Dadurch können die Ladungsträger nun zur Leitfähigkeit beitragen.

Der Zustand in welchem die Ladungsträger gebunden sind und nicht zur Leitfähigkeit beitragen können, spiegelt sich im Garagenmodell in der Konfiguration wieder, in welcher die Autos in der unteren Ebene dicht an dicht stehen und somit keine Bewegung möglich ist. Der Zustand in welchem die Ladungsträger zur Leitung beitragen ist im Garagenmodell die Konfiguration, in welcher sich das Auto im oberen Parkdeck befindet und somit auf beiden Ebenen ein Bewegung möglich ist. Die Rolle der Energiezufuhr übernimmt hier der Fahrstuhl, der eine Auto von der unteren in die obere Ebene befördert.


In einer umfangreicheren theoretischen Betrachtung benutzt man das Bändermodell und spricht von einer Anregung vom Valenz in Leitungsband.