Leiter, Halbleiter und Isolatoren

Leiter, Halbleiter und Isolatoren

Warum leitet Kupfer Strom und Plastik nicht? Warum sind Transistoren aus Silizium? Diese Lerneinheit erklärt dir die Grundlagen der elektrischen Leitfähigkeit - von der Berechnung des Drahtwiderstands bis zur Funktionsweise von Halbleitern.

Warum ist das wichtig für den Amateurfunk?

• Antennen & Kabel: Der Widerstand von Kupferleitungen verursacht Verluste
• Halbleiter: Transistoren, Dioden und ICs sind die Grundbausteine moderner Funktechnik
• Temperaturverhalten: Wichtig bei Senderendstufen, die heiß werden

Die drei Materialklassen

Widerstand von Leitungen berechnen (AB101, AB102)

Der Widerstand eines Drahtes hängt von drei Faktoren ab:

Formel: $R = \rho \cdot \frac{l}{A}$

Kupfer: $\rho_{Cu} \approx 0{,}018\,\frac{\Omega \cdot \text{mm}^2}{\text{m}}$

Frage AB101: Widerstand eines Drahtes berechnen

Gegeben: Kupferdraht, $l = 1{,}8\,\text{m}$, Durchmesser $d = 0{,}2\,\text{mm}$

Schritt 1: Querschnitt berechnen
A = π · (d/2)² = π · (0,1 mm)² = 0,0314 mm²

Schritt 2: Widerstand berechnen
R = 0,018 · (1,8 / 0,0314) = 0,018 · 57,3 ≈ 1,02 Ω

Frage AB102: Länge eines Drahtes berechnen

Gegeben: Kupferdraht, $A = 0{,}5\,\text{mm}^2$, $R = 1{,}5\,\Omega$

Formel umstellen: l = (R · A) / ρ

l = (1,5 · 0,5) / 0,018 = 0,75 / 0,018 ≈ 41,7 m

Frage AB103: Temperaturverhalten von Metallen

Frage AB103 fragt: Wie ändert sich der Widerstand eines Metalls mit der Temperatur?

Stell dir vor: Bei höherer Temperatur "zappeln" die Metallatome stärker und behindern die Elektronen beim Durchfließen - wie Menschen, die in einer vollen U-Bahn hin und her schwanken.

Warum sind die anderen Antworten falsch?

• Widerstand sinkt - Das gilt für Halbleiter, nicht für Metalle!
• Widerstand ändert sich nicht - Nur bei speziellen Legierungen (Konstantan)
• Widerstand oszilliert - Das gibt es nicht

Halbleiter verstehen (AB104, AB105)

Frage AB104: Was sind Halbleitermaterialien?

Frage AB104 fragt nach der Definition von Halbleitermaterialien.

Warum sind die anderen Antworten falsch?

• Silizium ist nicht in reinem Zustand ein guter Leiter - es ist ein Isolator!
• Silizium ist kein Elektrolyt (das wären Flüssigkeiten mit Ionen)

Frage AB105: Was ist Dotierung?

Frage AB105 fragt: Was versteht man unter Dotierung?

Stell dir vor: Dotierung ist wie das Hinzufügen von "Störenfrieden" in ein ordentliches Kristallgitter. Diese Störenfriede bringen entweder Extra-Elektronen mit (N-Dotierung) oder "klauen" Elektronen und hinterlassen Löcher (P-Dotierung).

Fragen AB106, AB107: N- und P-Leitung

Fragen AB108, AB109: Der PN-Übergang

Frage AB108: Wie entsteht die Sperrschicht?

Frage AB108 fragt: Wie entsteht die Sperrschicht an einem PN-Übergang?

Stell dir vor: An der Grenze zwischen N und P "vermischen" sich die Ladungsträger wie Wasser zwischen zwei Becken. Die Elektronen fließen dorthin, wo Löcher sind, und füllen diese auf. Übrig bleibt eine "tote Zone" ohne bewegliche Ladungsträger.

Warum sind die anderen Antworten falsch?

• Elektronen wandern nicht von P nach N (im P-Teil gibt es ja kaum welche!)
• Es wandern Elektronen, keine Atome
• Es bildet sich eine isolierende Schicht, keine leitende

Frage AB109: Verhalten der Sperrschicht

Frage AB109 zeigt eine Diode in Sperrrichtung (+ an N, − an P) und fragt: Wie verhält sich die Verarmungszone?

Warum? In Sperrrichtung werden die Elektronen im N-Teil zum Pluspol gezogen und die Löcher im P-Teil zum Minuspol. Beide Ladungsträger wandern weg von der Grenzschicht → die ladungsträgerfreie Zone wird größer.

Zusammenfassung für die Prüfung