Ein Blick in ein Siliziumatom
AFB I–IISilizium ist das wichtigste Halbleitermaterial. Es hat die Ordnungszahl 14 und steht in der 4. Hauptgruppe des Periodensystems. Das häufigste Isotop trägt die Massenzahl 28.
- Nennen Sie die drei Bausteine eines Atoms mit ihrer jeweiligen Ladung.
- Bestimmen Sie für das neutrale Atom Si-28 die Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Proton: positiv geladen, im Kern. Neutron: ungeladen, im Kern. Elektron: negativ geladen, in der Hülle.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Protonen: \(Z = 14\).
Neutronen: \(N = A - Z = 28 - 14 = 14\).
Elektronen: im neutralen Atom genauso viele wie Protonen, also 14.
Antwort: Si-28 besitzt 14 Protonen, 14 Neutronen und 14 Elektronen.
Wenn ein Elektron das Atom verlässt
AFB II–IIIUm ein Außenelektron vollständig aus einem einzelnen Siliziumatom zu lösen, sind rund 8,2 eV nötig. Im Siliziumkristall genügen dagegen etwa 1,1 eV, um ein Elektron aus einer Bindung zu befreien. Es gilt \(1\,\mathrm{eV} = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{J}\); die Elementarladung beträgt \(e = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{C}\).
- Erklären Sie warum ein Atom nach außen keine Ladung zeigt, obwohl es geladene Bausteine enthält.
- Berechnen Sie die Energie in Joule, die zum Befreien eines Elektrons im Siliziumkristall nötig ist.
- Beurteilen Sie die Aussage: „Ein einzelnes Siliziumatom leitet den elektrischen Strom.“
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Ein Atom enthält genauso viele positive Protonen wie negative Elektronen. Beide Ladungen sind betragsgleich und heben sich in der Summe auf — deshalb wirkt das Atom nach außen neutral. Erst durch Abgabe oder Aufnahme von Elektronen entsteht ein geladenes Ion.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Ansatz: \(E = 1{,}1 \cdot 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{J}\).
Rechnung: \(E = 1{,}76 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{J}\).
Antwort: Es sind rund \(1{,}8 \cdot 10^{-19}\,\mathrm{J}\) nötig.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Aussage trifft nicht zu. Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung frei beweglicher Ladungsträger über eine Strecke; ein einzelnes Atom bietet weder freie Elektronen noch einen Weg. Der Vergleich 8,2 eV zu 1,1 eV zeigt zudem: Erst im Kristallverband sind die Elektronen schwach genug gebunden, um sich zu lösen. Vollständig ist eine Antwort mit klarem Urteil und mindestens einer dieser beiden Begründungen.
