Von der Tatsache ausgehend, dass viele für uns heute selbstverständliche technische Anwendungen wie Computer, Digitalkameras oder Energiesparlampen ohne die Halbleitertechnologie nicht machbar wären, wird zunächst an einfachen Schaltungen aus Glühlampen, Schaltern und Dioden gezeigt, wie die eben genannten Bauteile in einem Stromkreis geschaltet werden müssen, um einen bestimmten Stromfluss zu erhalten. An der etwas aufwendigeren Grätz-Schaltung können die Lernenden erkennen, wie der aus der Steckdose kommende Wechselstrom durch Gleichrichtung zu einem pulsierenden Gleichstrom wird.
Halbleiterphysik für Einsteiger – Beispiele und Anwendungen
Unterrichtseinheit
In dieser Unterrichtseinheit werden die Schülerinnen und Schüler anhand von Beispielen mit verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten für Dioden vertraut gemacht. Im Anschluss daran wird an einer kleinen Zahl von technischen Anwendungen wie etwa der LED (Leuchtdiode) oder dem nicht minder bekannten Kassenscanner für Strichcodes den Lernenden die Vielzahl von Möglichkeiten für technische Anwendungen der Halbleitertechnologie aufgezeigt. Sie können darin erkennen, wie aus relativ "einfachen" Halbleiter-Bauelementen kompliziert aussehende technische Geräte geschaffen werden können, die unser Alltagsleben massiv erleichtern.
- Technik / Sache & Technik
- Sekundarstufe I
- 2 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt, Ablaufplan
- 3 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Anhand eines Lehrerversuches (wenn in der Sammlung vorhanden auch Schülerversuches) wird die Schaltung nach Abbildung 2 aufgebaut. Anschließend werden die verschiedenen Schalterstellungen ausprobiert und besprochen beziehungsweise erklärt (Arbeitsblatt 1 und 3).
30 Minuten -
Vertiefung
Die Grätz-Schaltung wird als Versuch gezeigt und mittels einer Folie analog zu Arbeitsblatt 1 besprochen (Arbeitsblatt 1 und 3).
10 Minuten -
Hausaufgabe
Als Hausaufgabe sollen die Schülerinnen und Schüler das Beispiel Nummer 1 (Arbeitsblatt 1) bearbeiten.
5 Minuten -
Ergebnisbesprechung
Die Ergebnisse aus der Hausaufgabe werden diskutiert und besprochen (Arbeitsblatt 3).
5 Minuten -
Vertiefung des Gelernten
Die Anwendungen der Halbleitertechnologie werden der Reihe nach besprochen und erklärt (Folien, Arbeitsblatt 2 und 4).
40 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Halbleiterphysik im Unterricht – Beispiele und Anwendungen
Mit einfachen Beispielen werden die Schülerinnen und Schüler zu speziellen Anwendungen wie LEDs, elektrische Zahnbürste und Scanner hingeführt. Sie lernen dabei, dass für manche Anwendungen neben den hauptsächlichen Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium auch solche aus Galliumphosphid oder Indium-Gallium-Nitrid benötigt werden. Bei LEDs beispielsweise werden spezielle Halbleitermaterialien benötigt, die es ermöglichen, Licht im sichtbaren Bereich und mit unterschiedlichen Farben darzustellen.
Vorkenntnisse
Grobe Vorkenntnisse von Lernenden können nur dahingehend angenommen werden, dass alle Lernenden wohl wissen, dass es stromsparendes LED-Licht gibt. Dass dieses mithilfe von Halbleitertechnik erzeugt wird, dürfte den meisten ebenso neu sein wie mit Halbleitern funktionierende Scanner.
Didaktische Analyse
Bei der Behandlung des Themas sollte man darauf hinweisen, dass die Halbleitertechnologie einer technischen Revolution gleichkommt, da diese Möglichkeiten mit ihrer unglaublichen Vielfalt noch vor 50 Jahren so gut wie unbekannt waren. Der stetige Fortschritt mit heutigen Smartphones, die ein Vielfaches früherer Tischcomputer können, ist nur der Halbleitertechnologie mit immer kleineren Chips mit vielfacher Speicherkapazität zu verdanken.
Methodische Analyse
Es gibt nur wenige Versuche, die einen sofort sichtbaren und damit nachvollziehbaren Einblick in die aufwendige Technologie bieten. Deshalb ist es nötig, mithilfe von aussagekräftigen Abbildungen, Folien, Animationen und gut gemachten Videos den Unterricht, wenn möglich, zu ergänzen.
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- halbleiterphysik-anwendungsbeispiele-arbeitsblatt-01.pdf
Auf diesem Arbeitsblatt wird mithilfe von Beispielen die Relevanz und der Einsatz von Halbleiterphysik in unserem Alltagsleben verdeutlicht.
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Auf diesem Arbeitsblatt wird mithilfe von Rechnungen die Funktionsweise der Halbleitertechnologie erklärt.
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Auf diesem Arbeitsblatt wird mithilfe von Rechnungen die Funktionsweise der Halbleitertechnologie erklärt.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- wissen um die Bedeutung der Halbleitertechnologie in der heutigen Technik.
- können Schaltungen mit Dioden unterscheiden, die in- oder entgegen der Duchlassrichtung geschaltet sind.
- können Anwendungen wie LEDs oder Scanner beschreiben und erklären.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet.
- können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen.
Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team.
- setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen.
- erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.
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