An einfachen Beispielen werden die Lernenden mit Schaltskizzen und den jeweiligen Strom- und Spannungsverläufen in Abhängigkeit von der technischen Stromrichtung vertraut gemacht. Mit Widerständen können dabei die Stromstärken und Spannungen so gewählt werden, wie es für die Strombegrenzung und den zugehörigen Spannungsabfall nötig ist. Durch Auswertung vorgegebener Wertetabellen lernen die Schülerinnen und Schüler unter anderem, welche Bedeutung Begriffe wie Eingangskennlinie, Stromsteuerkennlinie und Ausgangskennlinie für die Basisstromstärke und die Kollektorstromstärke in Hinblick auf den Verstärkungsfaktor B haben.
Halbleiterphysik für Fortgeschrittene – Fragestellungen und Übungsaufgaben zum Bipolartransistor
Unterrichtseinheit
Zunächst lernen die Schülerinnen und Schüler in dieser Unterrichtseinheit die Unterschiede zwischen der Bewegungsrichtung von Elektronen (Minus nach Plus) und der willkürlich festgelegten technischen Stromrichtung (Plus nach Minus) kennen, was bei Schaltbildern und mathematischen Berechnungen sehr wichtig wird. Zudem werden die unterschiedlichen, den Transistor beschreibenden Kennlinien besprochen und in der Dreiquadranten-Darstellung aufgezeigt.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe I
- 2 bis 3 Unterrichtsstunden
- Ablaufplan
- 2 Arbeitsmaterialien
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
-
Einstieg
Anhand eines aussagekräftigen Arbeitsblattes wird der Unterschied zwischen Elektronenflussrichtung und technischer Stromrichtung (Arbeitsblatt 1 und Folie).
10 Minuten -
Vertiefung
Einfache Stromkreise sollen von den Lernenden entsprechend Aufgabe 2 (Arbeitsblatt 1) zusammengebaut werden – wenn in der Sammlung vorhanden!!
30 Minuten -
Hausaufgabe
Als Hausaufgabe sollen die Schülerinnen und Schüler die Stromrichtung in die Schaltskizze einzeichnen und die jeweilige Richtung begründen (Arbeitsblatt 1).
5 Minuten -
Ergebnisse herleiten
Die Ergebnisse aus der Hausaufgabe werden diskutiert und gegebenenfalls verbessert (Arbeitsblatt 1 und 2).
5 Minuten -
Erweiterung des bisher Gelernten
Anhand der Übungsaufgaben 3 und 4 (Arbeitsblatt 1) werden Begriffe wie Eingangskennlinie, Ausgangskennlinie gemeinsam besprochen und berechnet.
30 Minuten -
Hausaufgabe
Aufgabe 5 (Arbeitsblatt 1) wird kurz vorbesprochen und dann als Hausaufgabe bearbeitet.
10 Minuten -
Vertiefung des bisher Gelernten
Nach Besprechung der Hausaufgabe wird die Aufgabe 6 (Arbeitsblatt 1) in Kleingruppen bearbeitet und anschließend gemeinsam ausgewertet (Arbeitsblatt 2).
45 Minuten
Didaktisch-methodischer Kommentar
Halbleiterphysik und Bipolartransistoren als Unterrichtsthema
Ohne Transistoren wäre die für uns alle selbstverständliche digitale Technologie nicht möglich, die auch von Laien ohne Kenntnis der dafür notwendigen Technik und Infrastruktur mit etwas Übung problemlos bedient werden kann. Dennoch sollten Schülerinnen und Schüler in dieser hochtechnisierten Welt mit einer Vielzahl von neuen Berufen im Hochtechnologiesektor einen Einblick in die grobe Funktionsweise im Rahmen des Schulunterrichts bekommen.
Vorkenntnisse
Grobe Vorkenntnisse können von Lernenden erwartet werden, die sich von klein an mit Elektronik in Form von Baukästen beschäftigt haben – für alle anderen wird die Halbleitertechnologie und im Besonderen der Transistor Neuland sein. Deshalb sollte im Unterricht auf gut nachvollziehbare Beispiele und Anwendungen zurückgegriffen werden. Es bietet sich zudem an, zuvor die Unterrichtseinheit Grundlagen des Bipolartransistors im Unterricht durchzunehmen.
Didaktische Analyse
Bei der Behandlung dieses Themas muss man darauf achten, dass Schülerinnen und Schüler nicht überfordert werden, was bei der Komplexität vieler Schaltungen mit Transistoren schnell passieren kann. Dies sollte den Teilnehmerinnen und Teilnehmern der Kurse in der Sekundarstufe II vorbehalten bleiben.
Methodische Analyse
Anhand überschaubarer Schaltskizzen in Verbindung mit Elektronikbaukästen – falls in der Physiksammlung vorhanden – können den Lernenden die Grundzüge der Funktions- und Anwendungsweise gut nähergebracht werden.
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Unterrichtsmaterial "Halbleiterphysik: der Bipolartransistor" zum Download
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Das umfassende Arbeitsblatt 1 enthält sowohl Fragestellungen zum Bauprinzip des Bipolartransistors als auch Übungsaufgaben, die sich mit seinen Anwendungsmöglichkeiten beschäftigen.
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Das umfassende Arbeitsblatt 1 enthält sowohl Fragestellungen zum Bauprinzip des Bipolartransistors als auch Übungsaufgaben, die sich mit seinen Anwendungsmöglichkeiten beschäftigen.
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Dieses Arbeitsblatt enthält die Lösungen zu den Fragestellungen und Übungsaufgaben.
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Vermittelte Kompetenzen
Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler
- wissen, dass man Transistoren als Schalter und Verstärker sowie vor allem als Speichermedium in extrem miniaturisierter Form für Computer dienen.
- kennen die verschiedenen Bauweisen von Transistoren (npn-Transistor und pnp-Transistor).
- können einfache Übungsaufgaben – wie etwa zur Stromverstärkung – erklären und berechnen.
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 Mitschüler auseinandersetzen 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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