Halbleitertechnologie ist die Voraussetzung für viele technische Anwendungen – von der Solarzelle über LEDs bis hin zu Transistoren. Ohne Halbleiter wäre die immer wichtiger werdende Digitalisierung nicht denkbar. Anhand von aussagekräftigen Abbildungen oder Animationen werden die theoretischen Grundlagen besprochen: Bei tiefen Temperaturen sind Halbleiter Isolatoren – erst durch Energiezufuhr (zum Beispiel Erwärmung) lassen sich Elektronen aus ihren Paarbindungen lösen, so dass Leitungselektronen und Löcher entstehen. Legt man dann eine äußere Spannung an, beginnen die Elektronen zu wandern. Mit Abbildungen und/oder Animationen werden die Lernenden mit Begriffen wie Elektronenstrom, Löcherstrom und Eigenleitung bekannt gemacht.
Halbleiterphysik für Einsteiger – theoretische Grundlagen
Unterrichtseinheit
Die Unterrichtseinheit "Halbleiterphysik für Einsteiger" macht die Schülerinnen und Schüler mit einer Technologie bekannt, die aus unserem Alltagsleben nicht mehr wegzudenken ist. Die theoretischen Grundlagen beruhen auf der Erkenntnis, dass es neben Leitern und Nichtleitern auch Materialien gibt, die unter bestimmten Voraussetzungen zum Leiter werden können – die so bezeichneten Halbleiter. Am Beispiel des strukturellen Atomaufbaus von Silizium sehen die Lernenden zunächst, welche Voraussetzungen ein Stoff besitzen muss, um zum Halbleiter werden zu können. Zudem werden die Lernenden an die Möglichkeiten der Beimischung bestimmter anderer Stoffe (Dotierung) herangeführt, was völlig neue Möglichkeiten für kontaktlose elektrische Schaltungen eröffnet.
- Physik / Astronomie / Technik / Sache & Technik
- Sekundarstufe I
- 2 Unterrichtsstunden
- Arbeitsblatt, Didaktik/Methodik, Ablaufplan
- 2 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
In einem kurzen historischen Abriss wird auf die Bedeutung von Halbleitern in der digitalen Welt hingewiesen.
5 Minuten -
Hinführung
Am Beispiel des Siliziumatoms werden die Unterschiede von Leitern, Nichtleitern und Halbleitern erarbeitet (Arbeitsblatt 1). Mittels Abbildungen werden Begriffe wie Elektronenstrom, Löcherstrom und Eigenleitung hergeleitet.
35 Minuten -
Hausaufgabe
Als Hausaufgabe sollen die Schülerinnen und Schüler herausfinden, was unter dem Begriff Dotierung mit Phosphor oder Bor zu verstehen ist (Arbeitsblatt 1).
5 Minuten -
Ergebnisbesprechung
Die Ergebnisse aus der Hausaufgabe werden diskutiert und anhand von Abbildungen (Folien) genau besprochen (Arbeitsblatt 1).
15 Minuten -
Vertiefung
Das Gelernte wird nun dadurch vertieft, dass n-dotiertes Silizium und p-dotiertes Silizium kombiniert werden, was zur Erstellung von Halbleiterdioden hinführt (Arbeitsblatt 1).
30 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Halbleiterphysik
Die Halbleiterphysik basiert auf verschiedenen Grundstoffen wie Silizium oder Germanium, die man mit geeigneten Stoffen wie dem fünfwertigen Phosphor P5+ oder dem dreiwertigen Bor B3+ dotiert. Dabei enthält ein Kubikmillimeter bis zu 2,4×1017 Fremdatome, was eine riesige Zahl von frei beweglichen Ladungsträgern zur Folge hat. Mit diesen grundlegenden Fakten lassen sich nun die unterschiedlichsten Anwendungen herstellen – im einfachsten Fall Dioden – bis hin zu komplizierten Schaltungen von Transistoren.
Vorkenntnisse
Vorkenntnisse von Lernenden werden eher nicht zu erwarten sein, da sich die wenigsten Gedanken machen werden, wie ihre Smartphones, LEDs oder moderne Fernseher funktionieren. Gleichzeitig ist es aber sehr wichtig den Lernenden zu zeigen, welche Grundbausteine nötig sind, um die obigen Geräte zu bauen beziehungsweise die Digitalisierung voranzutreiben.
Didaktische Analyse
Bei der Besprechung der Grundlagen der Halbleiterphysik ist es besonders wichtig, den extremen Grad der Miniaturisierung hervorzuheben, ohne die viele Geräte nicht einmal ansatzweise gebaut werden könnten. Allerdings sind die Vorgänge nicht – wie in der Makrophysik – mit dem Auge verfolgbar, was zur Folge hat, dass Versuche nicht im Detail zu sehen sind, sondern nur über Messinstrumente nachverfolgt werden können.
Methodische Analyse
Bei der Erarbeitung des Stoffes ist es wichtig, dass aussagekräftige Abbildungen und gegebenenfalls Animationen oder brauchbare Videos zur Erklärung herangezogen werden – nur so können die teilweise nur schwer nachvollziehbaren Vorgänge deutlich gemacht werden.
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Unterrichtsmaterial "Halbleiterphysik für Einsteiger" zum Download
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Auf diesem Arbeitsblatt werden mithilfe von Fragestellungen und den zugehörigen Abbildungen die theoretischen Grundlagen der Halbleiterphysik hergeleitet.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- kennen die Besonderheiten von Halbleitern im Gegensatz zu Leitern beziehungsweise Nichtleitern.
- wissen um die Bedeutung von Fremdatomen beim Dotieren von Halbleitermaterialien.
- beschreiben und erläutern die Wirkungsweise einer Halbleiterdiode.
Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet.
- überprüfen die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit und ordnen sie ein.
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, Freunden etc. wertfrei diskutieren zu können.
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