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Der pn-Übergang — die Sperrschicht anschaulich

Zehn Übungen zu Diffusion, Sperrschicht und den beiden möglichen Polungen des pn-Übergangs im Detail und mit Skizzen. Mit ausführlichem Lösungsweg zu jeder einzelnen Aufgabe.

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Übungsaufgaben

Alle Übungen fortlaufend nummeriert — zuerst die interaktiven Übungen zum Klicken, Ziehen und Knobeln, danach die Rechen- und Textaufgaben. Jede Übung gibt dir sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen dir die gestuften Tipps.

A1
Was gilt für den pn-Übergang?
AFB I

Drei der sechs Aussagen sind richtig. Welche?

Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
In der Sperrschicht fehlen nur die beweglichen Ladungsträger — die ortsfesten Rümpfe sind geladen, auf der n-Seite positiv. Fremdatome sitzen fest im Gitter.
A2
Stimmt's? — Fünferserie
AFB I

Fünf Behauptungen rund um die Sperrschicht.

Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5

Die Breite der Sperrschicht ist nichts Festes: Sie hängt an der angelegten Spannung.
A3
Lückentext mit Wortbank
AFB I

Setze die Fachbegriffe an die richtige Stelle — ein Wort bleibt übrig.

Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.

Weil auf der n-Seite viel mehr freie Elektronen sitzen als auf der p-Seite, wandern Elektronen durch über die Grenze. Im p-Gebiet besetzen sie Löcher — dieser Vorgang heißt . Zurück bleibt ein ladungsträgerarmer Streifen, die . Die geladenen Atomrümpfe darin sind und bauen ein Feld auf, bis Diffusion und Feld im .

Gleichrichtung beschreibt erst, was ein fertiges Bauteil mit einer Wechselspannung macht — am blanken pn-Übergang gibt es dazu noch nichts.
A4
Welcher Betriebszustand ist gemeint?
AFB I

Sortiere jede Aussage nach der Polung, zu der sie gehört.

Ziehe jede Karte in den passenden Korb — oder wähle sie mit Enter aus und drücke dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1Durchlassrichtung
2Sperrrichtung
3ohne äußere Spannung
Entscheidend ist allein, an welcher Seite der Pluspol liegt — alles Weitere folgt daraus.
A5
Blitzrechnung
AFB I

Die Sperrschicht einer Diode ist 1 µm breit, der ganze Kristall ist 0,5 mm lang. Welchen Anteil der Länge nimmt die Sperrschicht ein? Gib das Ergebnis in Prozent an.

Rechne selbst und trage das Ergebnis ein — Enter prüft direkt.
Beide Längen in dieselbe Einheit bringen: 1 µm = 0,001 mm. Dann 0,001 mm : 0,5 mm = 0,002 — und 0,002 sind 0,2 %. Der Faktor 100 wird dabei oft vergessen.
A6
Wie die Sperrschicht entsteht
AFB II

Bringe die vier Schritte und ihr Ergebnis in die richtige Reihenfolge.

Ziehe die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Auf der n-Seite sitzen viele freie Elektronen, auf der p-Seite viele Löcher.
2Elektronen diffundieren aus dem n-Gebiet in das p-Gebiet.
3Im p-Gebiet besetzen sie Löcher — beide Ladungsträger verschwinden.
4Zurück bleiben ortsfeste Ladungen: n-Seite positiv, p-Seite negativ.
5Das entstehende Feld bremst die Diffusion — es herrscht Gleichgewicht.
Am häufigsten werden die letzten beiden Schritte vertauscht. Erst muss Ladung zurückbleiben, dann kann daraus ein Feld entstehen.
A7
Rechenkette
AFB II

Ein Silizium-pn-Übergang hat die Diffusionsspannung 0,70 V. Du legst nacheinander verschiedene äußere Spannungen an. Gefragt ist jeweils die Spannung, die insgesamt gegen die Diffusion wirkt.

Rechne die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft.
  1. 0,30 V, Pluspol am p-Gebiet V
  2. 0,50 V, Pluspol am p-Gebiet V
  3. 1,50 V, Pluspol am n-Gebiet V
  4. Ab welcher Durchlassspannung wäre sie rechnerisch null? V
In Durchlassrichtung wird die äußere Spannung abgezogen, in Sperrrichtung addiert. Genau deshalb wird die Sperrschicht einmal schmaler und einmal breiter.
A8
Begriff und Bedeutung
AFB II

Verbinde jeden Fachbegriff mit seiner Bedeutung.

Klicke links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Frage zuerst: Beschreibt der Begriff einen Vorgang oder einen Zustand? Damit sind die Paare schon halb sortiert.
A9
Fehlersuche im Schulheft
AFB II

Sechs Sätze aus einem Schulheft — drei davon sind falsch. Finde sie.

In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Der Klassiker in Klassenarbeiten ist Zeile 4: „ladungsträgerarm“ wird mit „ladungsfrei“ verwechselt.
A10
Wie breit wird die Sperrschicht?
AFB III

Ein Silizium-pn-Übergang mit der Diffusionsspannung 0,7 V. Schätze für jede Zeile ein, was passiert — ohne zu rechnen.

Wähle für jede Zeile eine Stufe: 1 = viel schmaler, 2 = etwas schmaler, 3 = unverändert, 4 = etwas breiter, 5 = viel breiter. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = viel schmaler5 = viel breiter
Du legst gar keine äußere Spannung an.
Du legst 5,0 V an, Pluspol am n-Gebiet.
Du legst 0,2 V an, Pluspol am p-Gebiet.
Du legst 0,8 V an, Pluspol am p-Gebiet.
Du legst 0,5 V an, Pluspol am n-Gebiet.
Pluspol am p-Gebiet macht die Sperrschicht schmaler, Pluspol am n-Gebiet breiter — und je größer die Spannung, desto stärker der Effekt. Ab etwa 0,7 V in Durchlassrichtung ist sie praktisch verschwunden.