Besser ist es, einige Leitungen als „Zeilen“ zu nutzen und andere als „Spalten“, wie bei einer Tabelle. An jede Kreuzung können nun zwei LED antiparallel geschaltet werden. Wenn man also beispielsweise sechs Ausgänge hat, kann man bei der zuerst erklärten direkten Ansteuerung 6 LED betreiben. Mit dem hier erklärten Multiplexing hat man 3 Zeilen und 3 Spalten und kann mit der gleichen Anzahl an Leitungen 2x3x3=18 LED betreiben. Jede LED wird hier in der Grafik als ein Kreis symbolisiert.
Damit Multiplexing generell funktioniert, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

1. Es müssen sogenannte Tri-State-Ausgänge sein, die nicht nur High und Low kennen, sondern auch hochohmig, also auf Z, geschaltet werden können. Das ist heute üblich.
2. Die LEDs müssen ihre eigene Betriebsspannung oder besser noch die der digitalen Ausgänge auch als Sperrspannung vertragen. Auch das ist heute üblich.

Um eine LED zum Leuchten zu bringen, schaltet man also die Ausgänge, zwischen denen sie hängt, passend auf High und Low. Die anderen Ausgänge sind auf Z. Umgekehrt wird damit klar, dass immer nur eine LED gleichzeitig leuchten kann. Um nun den Eindruck mehrerer leuchtender LEDs zu erzeugen, wird man sie schnell hintereinander schalten und nutzt dazu die Trägheit unserer Augen aus.

Zur Sache

Charles M. Allen, ein Ingenieur der Firma Maxim, hatte 2001 eine Idee, wie man mit den sechs Leitungen insgesamt 6×5=30 LED ansteuern kann. Er hob die Trennung zwischen Zeile und Spalte auf und schaltete zwischen je zwei verschiedene Leitungen zwei LEDs antiparallel. Ihm zu Ehren wird dieses Verfahren Charlieplexing genannt. In der Grafik rechts sind die beiden LEDs dieser antiparallelen Paare in der dreieckigen Gruppe links unten und rechts oben. Auf der Diagonale sind die Zeilen und Spalten miteinander verbunden. Hier kann natürlich keine LED sitzen. Daher kommt das -1 in der Tabelle unten.

Allgemein gilt also bei N Ausgängen für die maximale Anzahl an ansteuerbaren LEDs:

Betrachtet man diese Formeln für kleine Zahlen, so sieht man gleich, dass an einer Leitung naheliegenderweise kein Multiplexing gemacht werden kann. Bei zwei Leitungen bringt es auch noch keinen Vorteil. Aber ab drei Leitungen sieht man, dass klassisches Multiplexing noch nicht viel bringt, Charlieplexing jedoch schon Platz für sechs LEDs bietet. Wenn also die etwas kompliziertere Programmierlogik für die Ansteuerung nicht stört, kann man mit Charlieplexing viele Ausgänge einsparen und hat so Platz für andere Komponenten oder kann einen einfacheren Controller einsetzen.

Für die Vorwiderstände der LED lohnt es sich genauer ins Datenblatt des Controllers zu schauen. Viele Ausgänge sind kurzschlussfest und liefern nur wenige mA. Hier kann man sich den Vorwiderstand ganz sparen. Sollten doch welche benötigt werden, halbiert man den benötigten Wert und schaltet an jeden Ausgang den halben Wert.

Noch mehr?

Wenn man den Strombedarf der LED und die Treiberleistung der Ausgänge genau abstimmt, kann man mit einem etwas verrückten Trick noch mal mehr LEDs ansteuern. Man hängt zusätzlich zu den LEDs in der Matrix noch von jedem Ausgang je zwei LEDs in Serie gegen die Versorgungsspannung und gegen Masse. Diese LED werden dann nur leuchten, wenn nur ein Ausgang auf High oder Low liegt. Wegen des höheren Spannungsabfalls von zwei LEDs in Serie können sie nicht leuchten, wenn eine LED aus der Matrix leuchtet. Das zu justieren ist aber ziemlich fummelig und ich empfehle diesen Trick nur anzuwenden, wenn man keine Ausgänge mehr übrig hat und unbedingt noch ein paar LEDs mehr benötigt.

Aufmerksamen Lesern wird auffallen, dass einiges davon voraussetzt, dass die Ausgänge vergleichbar gut gegen High wie gegen Low treiben können. Tatsächlich ist das heute der Fall. Wenn der Ausgang also auch Tri-State, also Z, beherrscht, dann funktioniert der letzte Trick natürlich auch ohne Multiplexing. Und damit können bei direkter Ansteuerung also 2N LED angesteuert werden.

Mehrere gleichzeitig

Bei allen Multiplex-Verfahren stellt sich nun die Frage, wie man mehrere LEDs gleichzeitig zum Leuchten bringt. Das ist meist ein recht normaler Anwendungsfall. Dazu nutzt man die Trägheit des menschlichen Auges aus und steuert die eigentlich gleichzeitig leuchtend gewünschten LED immer nur kurz und immer rundherum an.

Dabei sollte man einen Stroboskop-Effekt vermeiden, besonders wenn sich der Betrachter oder die Anzeige bewegt. Die Frequenz darf also nicht zu niedrig sein. Zum anderen ist dieses zeitliche Multiplexing auf der elektrischen Ebene ein Rechtecksignal, hat also viele Oberwellen, die Störungen verursachen können. Die Leitungen sollten also so geführt werden, dass sie nicht als Antennen wirken.

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Also wo bekommt man die Sachen her? Zum einen gilt: „Support your local dealer!“. Bei vielen Fachhändlern vor Ort hat man auch einen kompetenten Ansprechpartner bei der Planung und Umsetzung seiner Projekte. So jemand vor Ort zu haben, ist sicher unterstützenswert.

Dann kann man sich im Ortsverband umhören, ob jemand überschüssig hat, was man benötigt. Der eine wird los, was er nicht mehr benötigt und der andere spart vielleicht noch Geld. Allgemein spart man so das Porto, bei Kleinteilen ein nicht ganz unerheblicher Anteil im Versandgeschäft.

In den einschlägigen Zeitschriften unseres Hobbys finden sich Kleinanzeigen, in denen man vielleicht das Gewünschte findet.

Auf vielen lokalen Veranstaltungen gibt es einen Flohmarkt oder es sind Händler anwesend. So ganz nebenbei trifft man neue Leute und kann sich gleich über das Hobby austauschen.

Sollte nun lokal nichts zu machen sein und die bekannten Händler im Internet haben das Benötigte auch nicht, muss man sich neue Quellen suchen. Dazu bedient man sich der üblichen Suchmaschinen. Zum einen kann man genau nach dem suchen („googeln“), was man haben möchte.

Dabei wird man feststellen, dass jeder das Teil ein wenig anders nennt. Es ist oft hilfreich, sich diese neuen Namen zu notieren und auch danach zu suchen, um den besten Händler zu finden. „Der beste“ muss nicht unbedingt der billigste sein. Verschiedene Aspekte können auch wichtig sein:

• Ist ein Händler so nah, dass Selbstabholung infrage kommt?
• Ist der Händler so weit weg, dass der Zoll bezahlt werden muss?
• Nutzt der Händler einen für mich günstigen Paketdienst?
• Bieter er eine für mich günstige Bezahlart an?
• Hat er noch andere Teile, die ich benötige oder für andere gleich mitbestellen kann?
• Was sagen Erfahrungsberichte über ihn?

Wie überall gibt es auch schwarze Schafe. Deshalb sollte man besonders bei der ersten Bestellung bei einem Händler noch beachten, ob das Angebot plausibel ist. Der aktuelle High-End-Transceiver, in ufb-mint-condition, praktisch nicht benutzt für halben Neupreis mag ein Schnäppchen sein, sollte aber zumindest ein wenig misstrauisch machen. Ähnliches gilt für Bauteile, die es sonst nirgends mehr gibt und noch von genau einem als „NOS“ im 100er-Pack angeboten werden. Es gab Fälle, in denen OMs dann anstelle des raren BF245 eine Tüte mit BC546 geliefert bekamen….

Wenn man nun keine Idee hat, wonach man erst mal im Internet suchen soll, hier noch einige Ideen für initiale Suchbegriffe, einfache in die eigene Lieblings-Suchmaschine kopieren:

Elektronik Bauteile kaufen

Amateurfunkgeräte kaufen

Kleinanzeigenmarkt Amateurfunk

Flohmarkt Amateurfunk

Flohmarkt Elektronik

Noch ein genereller Tipp für Suchmaschinen im Internet: Wenn die Ergebnisse beim Scrollen nach unten immer abwegiger werden, lohnt es sich meist nicht, noch weiter zu scrollen. Die Algorithmen bei Google, Bing und Co. sind heute schon so schlau, das Ganze sinnvoll zu sortieren, besser wird es dann meistens nicht mehr. Schlauer ist es, sich die ersten Suchergebnisse anzusehen und zu überlegen, ob man den Suchbegriff nicht abwandeln oder variieren kann, um bessere Ergebnisse zu bekommen.

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Akkus verändern ihre chemische Zusammensetzung beim Laden und Entladen. Die beteiligten chemischen Elemente bleiben dabei natürlich gleich, aber die Moleküle ändern ihren Aufbau. Im Bleiakku, wie ihn typischerweise Autos als Starterbatterie haben, wird beim Laden Schwefelsäure aus Bleisulfat erzeugt. Der Trick besteht also darin, chemische Verbindungen zu finden, bei denen dieser Prozess einfach durch Aufnahme und Abgabe elektrischer Energie beliebig umkehrbar ist. Wenn die angelegte Spannung höher ist als die Leerlaufspannung wird der Akku geladen, sonst wird er entladen. Beim Bleiakku geht das sehr bequem, weil er hochohmig wird, wenn er voll ist. Die Laderegelung ist also sehr einfach.

Sogenannte „Batterien“, wie man sie als Einwegzellen kaufen kann, sind sozusagen die primitive Variante des Akkus: Ihr chemischer Aufbau erlaubt die einmalige Entnahme elektrischer Energie. Der Prozess ist aber nicht umkehrbar. Deswegen kann man sie nicht wieder aufladen.

Beim Kondensator dagegen verändert sich der chemische Aufbau nicht. Er muss nicht mal chemische Elemente enthalten. Er würde auch im Vakuum funktionieren. Zwischen jeden leitfähigen Flächen existiert eine Kapazität. Wo wird nun die elektrische Energie gespeichert? Das geschieht im elektrischen Feld. Anschaulich gesagt bestimmen die Stärke oder Dichte der Feldlinien, wie viel Energie gespeichert ist. Der für die HF-Technik wesentliche Unterschied zum Akku ist, dass die Gesetzmäßigkeiten, mit denen das Feld auf- und abgebaut werden kann, rein physikalisch sind und praktisch beliebig schnell ablaufen können. Das bedeutet zum einen, dass das zeitliche Verhalten sehr genau definiert ist und zum anderen, dass es auch einen genau definierten Zusammenhang zwischen dem Ladestrom und der Spannung am Kondensator gibt. In der Praxis begrenzen zwei Effekte diesen theoretisch perfekten Kondensator: Zum einen hat der Aufbau eines Kondensators immer auch eine Induktivität. Zum anderen begrenzt das gewählte Dielektrikum auch die HF-Eigenschaften des Kondensators. Deshalb sind Elkos und gewickelte Kondensatoren nicht so HF-tauglich wie flache Aufbauten.

Induktivitäten und die Energie im magnetischen Feld

Bei den Funkwellen haben wir gelernt, dass elektrisches Feld und magnetisches Feld sich prinzipiell gleich verhalten. Wieso gibt es dann keinen magnetischen, dauerhaften Speicher für elektrische Energie? Die Spule erzeugt ein magnetisches Feld, welches natürlich auch eine bestimmte Energie enthält. Das bemerkt man beim abrupten Abschalten einer Relais-Spule, wo die Energie mithilfe der sogenannten Freilaufdiode abgeführt werden muss, damit sie keine Bauteile zerstört. Aber dieses magnetische Feld hängt direkt am fließenden Strom. Ein Strom fließt aber nur, wenn auch eine Spannung anliegt. Und der Strom muss auch gegen den ohmschen Widerstand des Leiters arbeiten, er „verbraucht“ sich also. Spulen taugen also nichts als dauerhafte Energiespeicher.

Wenn der gewünschte Effekt nicht die Energiespeicherung ist, sondern ein magnetisches Feld dauerhaft zu erzeugen, kann es sich lohnen, die Spule aus supraleitendem Material zu machen. Da das aber enorm aufwendig ist, wird es nur selten gemacht; in der Funktechnik gar nicht, aber beispielsweise in der Medizin bei der Kernspintomografie.

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Parallelschaltung

Bei mehreren Widerständen nebeneinander hat jeder seine eigene Masche, also seinen eigenen Strom. Aber die Spannung U ist bei allen gleich. Also betrachten wir die einzelnen Ströme:

• I1 = U / R1
• I2 = U / R2
• I3 = U / R3

Da die drei Maschen in einem Knoten zusammenlaufen, ergibt sich hier der Gesamtstrom als Summe der Teilströme:

I_gesamt = I1 + I2 + I3 = U (1/R1 + 1/R2 + 1/R3)

Durch den Vergleich mit der Grundform des Ohm’schen Gesetz ergibt sich hier, dass der Kehrwert des Gesamtwiderstands die Summe der Kehrwerte der Teilwiderstände ist.

Das Gleiche gilt auch für die Parallelschaltung von Induktivitäten und die Reihenschaltung(!) von Kondensatoren.

Reihenschaltung

Bei mehreren Widerständen hintereinander befinden sich alle auf der gleichen Kante einer Masche. Es fließt also durch alle der gleiche Strom I. Nehmen wir z. B. drei Widerstände und betrachten wir die Spannungen:

• U1 = R1 I
• U2 = R2 I
• U3 = R3 I

Da die drei in der gleichen Masche sind, summiert sich die Spannung:

U_gesamt = U1 + U2 + U3 = (R1 + R2 + R3) I

Durch Vergleich mit der Grundform des Ohm’schen Gesetz ergibt sich, dass der Gesamtwiderstand die Summe der Teilwiderstände ist.

Das Gleiche gilt auch für die Reihenschaltung von Induktivitäten und die Parallelschaltung(!) von Kondensatoren.

Spannungsteiler

Von der Reihenschaltung ist es nun nur noch ein kleiner Schritt zum Spannungsteiler. Betrachten wir also eine Reihenschaltung mit nur 2 Widerständen. Über beide Widerstände gemeinsam fällt die Gesamtspannung ab und als Gesamtwiderstand gilt die Summe der beiden Teilwiderstände. Durch beide Teilwiderstände fließt der gleiche Strom. Und damit fällt an den Teilwiderständen jeweils eine Teilspannung proportional zu ihrem Widerstandswert ab.

I = U_gesamt / R_gesamt = U2 / R2

Das kann man nun umstellen in die übliche Schreibweise:

U2 / U_gesamt  = R2 / R_gesamt

Jetzt wird auch klar, warum das nur für den unbelasteten Spannungsteiler stimmt. Sobald man eine Last anschließt, wirkt die wie ein Widerstand parallel zu R2. Man muss das Ganze also durchrechnen wie eine Parallelschaltung von R2 und R_Last.

Sonderrolle Kondensator

Warum verhalten sich die Kapazitätswerte eines Kondensators genau umgekehrt wie die Werte von Widerstand und Spule? Eigentlich betrachten wir hier immer das Verhalten von Widerständen. Jetzt ist die Induktivität einer Spule proportional zu ihrem imaginären Widerstand. Die Kapazität eines Kondensators ist aber genau umgekehrt proportional zu seinem imaginären Widerstand. Deshalb verhält er sich scheinbar genau entgegengesetzt. Mehr dazu steht im Artikel über den Schwingkreis.

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Wie im Artikel über die Leiter beschrieben, hängt die Leitfähigkeit von der Beweglichkeit der Elektronen ab. Bei Metallen sind die Elektronen ohnehin beweglich, weil sie ungehindert in das Leitungsband wechseln können. Diese hohe Leitfähigkeit wird aber behindert durch die thermische Bewegung der Atome. Je wärmer es ist, desto mehr bewegen sich die Atome und desto häufiger stoßen die Elektronen auf ihrer Bewegung durch das Metall mit ihnen zusammen. Die Leitfähigkeit sinkt. Das ist z. B. der Grund, warum der Einschaltstrom einer traditionellen Glühlampe recht hoch ist. Erst wenn sie die Betriebstemperatur erreicht hat, hat sie auch den höheren Widerstand, passend zu ihrer Nennleistung. Misst man den Widerstand im kalten Zustand mit einem Ohmmeter, kommt man auf eine zu hohe Leistungsaufnahme. Um die Leistung einer Glühlampe zu messen, muss man im Betrieb Spannung und Strom messen. Glühlampen gehen typischerweise daher am Ende ihrer Lebensdauer genau beim Einschalten kaputt.

Ein Halbleiter dagegen hat noch eine kleine Lücke zwischen Valenz- und Leitungsband. Im kalten Zustand leitet er schlecht. Erst die thermische Energie bringt die Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband. Der Halbleiter gewinnt also an Leitfähigkeit mit der Temperatur. Sein Widerstand sinkt. Deshalb „sterben“ Transistoren in schlecht ausgelegten Schaltungen auch leicht den Hitzetod. Ein im kalten Zustand sauber eingestellter Arbeitspunkt verschiebt sich bei steigender Temperatur zu höherer Leistung, was dann noch mehr Leitfähigkeit und noch mehr Leistung und noch mehr Temperatur bedeutet. Schnell ist dann die maximal zulässige Verlustleistung überschritten und das Bauteil geht kaputt.

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Der Atomkern

Wem das alles zu hoch ist, der scrollt runter zu “PN-Übergang”. Da wird es wieder etwas praktischer .

Erst einmal besteht jeder Stoff, egal ob Leiter oder Nichtleiter aus Atomen. Atome bestehen zum einen aus einem Atomkern, der aus Protonen (hier rot) und Neutronen (hier grau) besteht. Er stellt den positiv geladenen Mittelpunkt dar. Die Anzahl der Protonen im Kern definiert die Ordnungszahl oder auch Kernladungszahl des Elements im Periodensystem und darüber auch die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Elements. Normalerweise würden sich die Protonen als gleichnamige Ladungen gegenseitig auf so engem Raum abstoßen. Die Neutronen dienen hier gewissermaßen als „Kleber“. Umgekehrt würden Neutronen für sich allein mit einer Halbwertszeit von gut 10 Minuten zerfallen. Man kann sich das nun so vorstellen, dass die Neutronen durch die Nähe der Protonen stabilisiert werden. Die Gesamtanzahl von Protonen und Neutronen ergibt die Atommasse. Typischerweise sind im Atomkern etwa genau so viele Neutronen wie Protonen. Protonen und Neutronen wiegen etwa gleich viel. Diese Masse nennt man atomare Masseneinheit u. Also wiegt ein Atom in u angegeben etwa doppelt so viel wie seine Kernladungszahl. In Gramm nennt man diese Masse dann ein Mol. Die Anzahl der Atome in einem Mol nennt man Avogadro-Konstante.

Silizium hat insbesondere eine Ordnungszahl von 14 und eine Atommasse von 28 u. Ein Mol Silizium wiegt also 28 g und enthält gut 6 * 10²³ Atome. Diese unvorstellbar große Anzahl ist der Grund dafür, dass wir in unserer „normalen“ makroskopischen Welt von den einzelnen Atomen wenig mitbekommen. Die Materie ist für unsere alltägliche Erfahrung zu fein strukturiert.

Die Elektronenhülle

Um diesen Kern sind im neutralen, ausgeglichenen Zustand genau so viele Elektronen in der Elektronenhülle wie Protonen im Kern vorhanden. Falls das mal nicht der Fall ist, wurde das Atom ionisiert und wird dann als Ion bezeichnet.

Eine Laune der Natur hält die Elektronen davon ab, in den Kern zu stürzen. Sie halten gleichermaßen einen Sicherheitsabstand ein, um nicht mit den Protonen zu kollidieren. Durch eine andere Laune der Natur können Elektronen, die an einen Kern gebunden sind, nicht exakt die gleiche Bindungsenergie an den Kern haben. Man kann sich das vorstellen wie ein Lagerregal. Man wird versuchen, aus praktischen und statischen Gründen das Regal von unten aufzufüllen, aber wenn die unteren Regalböden voll sind, muss man auf die weiter oben ausweichen. Das bedeutet, im normalen Ruhezustand sind rund um den Atomkern die untersten Energie-Niveaus durch Elektronen besetzt. Da die Elektronen erheblich leichter sind als die Protonen, tragen Elektronen so gut wie nichts zur Atommasse bei.

Wir stellen diese Energie-Niveaus hier zur Veranschaulichung als räumlichen Abstand dar. In Wirklichkeit sind es aber verschiedene Energie-Niveaus, die erst mal so direkt nichts mit einem Abstand zu tun haben.

Mit etwas mehr Abstraktionsvermögen kommt man der Wahrheit noch etwas näher: Die Energie der einzelnen Elektronen kann man sich auch als einen Satz Koordinaten vorstellen. Die der Energie entsprechende Geschwindigkeit der Elektronen ergibt zusammen mit ihrer Masse einen Impuls, der genau wie der Ort der Elektronen Koordinaten hat. Und im sogenannten Impulsraum belegt jedes Elektron ebenso wie im Ortsraum seinen Platz, an dem kein anderes Elektron sein kann. Noch genauer betrachtet handelt es sich bei diesen Energien um die sogenannten Quantenzahlen. Diese besondere Eigenheit der Elektronen wird Pauli-Prinzip genannt.

Bänder

Die Bindungsenergie genau oberhalb des obersten im neutralen Zustand noch gefüllten Regalboden, nennt man Fermi-Niveau, hier gelb eingezeichnet. Die obersten Elektronen genau darunter nennt man Valenz-Elektronen, hier dunkelblau. Das sind genau die, mit denen sich die chemischen Bindungen und Reaktionen abspielen. Die Energie-Niveaus oberhalb nennt man Leitungs-Bänder, hier hellblau. Von Bändern sprechen wir, wenn die Energie-Niveaus („Regalböden“) kontinuierlich ineinander übergehen; also anschaulich, wenn wir die Elektronen gleichmäßig übereinander stapeln können. Das passiert, wenn wir nicht nur einzelne Atome betrachten, sondern massive Körper aus vielen Atomen.

Im Valenzband, also unterhalb des Fermi-Niveaus, sind die Elektronen fest an den Atomkern gebunden. Ihre kinetische Energie reicht nicht aus, um sich davon wegzubewegen. Die Elektronen im Valenzband tragen nicht zur Leitfähigkeit bei.

Im Leitungsband dagegen, also oberhalb des Ferminiveaus, wo „normalerweise“ keine Elektronen sind, sind die Elektronen frei beweglich. Sie können sich also im gesamten Körper ungehindert bewegen; hier tragen sie zur Leitfähigkeit bei.

Nichtleiter

Sind Valenzband und Leitungsband voneinander getrennt, so wie oben in der Grafik bei „Bänder“ haben wir einen Nichtleiter. Die Elektronen sind unbeweglich und wir haben keine Leitfähigkeit. Solche Stoffe sind geeignet, Leiter voneinander zu trennen. Man benutzt sie als Isolator. Typische Vertreter sind klassische Kunststoffe, Glimmer, Leder und Glas.

Leiter

Wenn nun das Valenzband über das Fermi-Niveau nahtlos in das Leitungsband übergeht, genügen kleinste Energiemengen um die Elektronen ins Leitungsband zu befördern. Schon eine beliebig kleine Energie, also wirklich wörtlich unendlich kleine, reicht dafür aus. Genau das sind die Leiter. Leiter sind dadurch definiert, dass Elektronen sich völlig frei vom Valenzband ins Leitungsband bewegen können, wo sie zur Leitfähigkeit beitragen. Typische Vertreter der Leiter sind Metalle.

Halbleiter

Ein Grenzfall sind Halbleiter. Perfekt reine Halbleiter sind nahezu Nichtleiter. Aber schon geringe Dotierungen, also gezielte Verunreinigungen, sorgen dafür, dass sie Leiter werden. Für sich genommen, ist das noch wenig hilfreich. Aber es gibt zwei Arten dieser Dotierungen. Halbleiter haben, einfach gesagt, halb gefüllte Valenzbänder. Sie stehen im Periodensystem in der Mitte bei der Gruppe 4 wie Si oder Ge oder haben im Mittel die 4, wie bei den sogenannten 3-5 oder 2-6 Halbleitern wie GaAs. Bringt man nun als Dotierung Stoffe ein, die diese ausgewogene Mitte ins Ungleichgewicht bringen, sind entweder zu viele oder zu wenige Elektronen vorhanden. Halbleiter mit zu vielen Elektronen nennt man n-dotiert (negativ). Solche mit zu wenigen Elektronen nennt man p-dotiert (positiv). Die positiven Dotierungen nennt man auch „Löcher“, weil sie sich fast wie fehlende Elektronen verhalten. Und diese fehlenden Elektronen verhalten sich wie positive Ladungen.

In den folgenden Grafiken beziehen sich das Pluszeichen und die Kennfarbe Rot auf die p-dotierten Bereiche und das Minuszeichen und die Kennfarbe Blau auf die n-dotierten Bereiche.

PN-Übergang

Die interessanten Dinge passieren, wenn man p-dotierte und n-dotierte Halbleiter direkt nebeneinander erzeugt. Die in der sogenannten Grenzschicht, hier grau, direkt nebeneinanderliegenden überzähligen Elektronen und Löcher neutralisieren einander, sodass die Grenzschicht an freien Ladungsträgern verarmt und sich wieder wie ein undotierter Halbleiter verhält, also zum Isolator wird. Legt man eine Spannung mit der positiven Seite an die p-dotierte Seite des Halbleiters und mit der negativen Seite auf die n-dotierte, dann treibt man die Ladungsträger in die Verarmungszone und sie wird leitend; ein Strom fließt. Legt man die Spannung umgekehrt an, so zieht man die Ladungsträger zu den Anschlüssen hin, also von der Verarmungszone weg. Sie verarmt also stärker und es fließt kein Strom. Dieses Verhalten nennt man Gleichrichter. Ein so aufgebautes Bauteil nennt man Diode.

Eine Variante davon ist, dass man eine dotierte Seite durch Metall ersetzt. So entsteht eine Schottky-Diode. Da der aktive Bereich kleiner ist als beim PN-Übergang, schaltet sie schneller zwischen den Durchlass- und Sperrrichtung um. Damit ist sie gut als Detektor geeignet und hat auch weniger Verluste in Schaltnetzteilen. Zudem ist ihre Durchlassspannung geringer.

Z-Diode

Erhöht man die Spannung in Sperrrichtung weiter, so wird das elektrische Feld so stark, dass es bei geeignetem Aufbau der Diode ausreicht, Ladungsträger freizusetzen. Die Diode wird leitend, und zwar viel schneller, also mit steilerer Kennlinie, als in normaler Leit-Richtung. Diesen Feldstärke-Effekt nennt man nach seinem Erfinder den Zener-Effekt. Er funktioniert bis etwa 5V. Solche Zener-Dioden werden zur Spannungs-Stabilisierung eingesetzt.

Wenn die Diode nicht durch den Zener-Effekt leitfähig wird und man die Spannung weiter erhöht, ist ab einer bestimmten Spannung die Beschleunigung der Elektronen des sogenannten Leckstroms so groß, dass ihre kinetische Energie ausreicht, weitere Elektronen freizusetzen. Diesen Effekt nennt man nach dem französischen Wort für Lawine den Avalanche-Effekt. Avalanche-Dioden verhalten sich wie Zener-Dioden, nur bei höheren Spannungen. Gemeinsam nennt man sie Z-Dioden, weil ihre Kennlinie mit etwas Fantasie die Form eines schrägen Z hat.

Rauschdiode

Betreibt man Z-Dioden mit minimalem Strom ganz knapp an ihrer Durchbruchspannung, so rauschen sie sehr stark. Für den Betrieb zur Spannungs-Stabilisierung ist das unerwünscht. Man wird sie also meist mit einem höheren Strom betreiben. Aber man kann dieses Verhalten auch nutzen, um gezielt Rauschen zu erzeugen, wie es in der Messtechnik gebraucht wird.

Kapazitätsdiode

Betrachtet man die Diode in Sperrrichtung unterhalb ihrer Z-Spannung, so ähnelt der Aufbau einem Kondensator. Nahe der Anschlüsse sind Ladungsträger und dazwischen ist ein Isolator, der wie ein Dielektrikum wirkt. Die Plattengröße dieses Kondensators ist konstant, aber sein Plattenabstand wird mit zunehmender Spannung größer, die Kapazität wird also kleiner. Dioden, die speziell für dieses Verhalten hergestellt werden, nennt man Kapazitätsdioden oder Varikaps. Sie können zum Beispiel in VCO oder zur Frequenzmodulation eingesetzt werden.

Leuchtdiode

Die üblichen Halbleitermaterialien setzen die Energie der Elektronen, die beim Überschreiten des Bandübergangs frei wird, in Wärme um. Es ist also eine Verlustleistung. Mit besonderen Halbleitermaterialien dagegen ist es möglich, die Elektronen dazu zu bringen, diese Energie in Form von Photonen, also als Licht, freizusetzen. Die Farbe dieser Photonen hängt vom Bandabstand ab. Heute ist es möglich solche Dioden vom Infrarot-, über den optisch sichtbaren, bis in den Ultraviolett-Bereich hinein herzustellen. Solche Dioden nennt man Leuchtdioden.

Fotodiode

Geeignet aufgebaute Dioden können Photonen in der Verarmungszone einfangen und zur Ladungstrennung nutzen. Einfallendes Licht wird so zu einer Spannung an der Diode. Das kann man zum einen zum Messen der Lichtmenge nutzen oder aber in sogenannten Solarzellen zum Erzeugen von elektrischer Energie aus Sonnenlicht. Umgekehrt bedeutet das, dass „normale“ Halbleiter in licht-geschützten Gehäusen untergebracht sein müssen, damit sich ihr Verhalten nicht mit der Beleuchtung ändert.

Tunneldiode

Normalerweise dotiert man Halbleiter so wenig, dass die entstehenden „Fehler“ im Halbleiterkristall gewissermaßen für sich allein stehen. Dotiert man erheblich stärker, verschieben sich die Bänder und es tritt der Effekt ein, dass nach einem normalen Beginn der Kennlinie eine weitere Erhöhung der Spannung ein Gebiet folgt, in dem der Strom erst mal wieder abnimmt. Der differenzielle oder auch lokale Widerstand in diesem Spannungsbereich ist also negativ. Mit diesem Verhalten lassen sich Oszillatoren aufbauen, weil dieser negative Widerstand den Resonator entdämpft. Ein solcher Aufbau wird nach seinem Erfinder Esaki-Diode oder nach dem physikalischen Prinzip Tunneldiode genannt.

PIN-Diode

Lässt man zwischen der P- und der N-Schicht einen undotierten Bereich stehen, nennt man diese Schicht „intrinsisch“, was in diesem Fall so viel bedeutet wie „eigenleitend“. Dieser von Natur aus verarmte Bereich hat nun verschiedene Eigenschaften, die diese Diode für viele Dinge nützlich machen. Zum einen ist dieser Aufbau besonders gut dafür geeignet, um mit einem Gleichstrom im Arbeitspunkt eingestellt zu werden, um ihn dann im HF-Bereich als variables Dämpfungsglied zu benutzen. Zum anderen ist bei ihr die Z-Spannung besonders hoch. Sie ist also besonders spannungsfest. Wegen ihres Aufbaus nennt man sie PIN-Diode.

Gunn-Element

Bei Verbindungshalbleitern wie GaAs gibt es zwei Leitungsbänder. Bei reiner n-Dotierung ergeben sich für Elektronen im höheren Band spezielle Bedingungen, die in einer niedrigen Beweglichkeit resultieren. Für Löcher gibt es keinen vergleichbaren Effekt. Daher gibt es keine p-dotierten Versionen. Auch ist das Gunn-Element keine Diode im Sinne eines pn-Übergangs, sondern nur aufgrund seiner richtungsabhängigen Funktionsweise. Bei geeignetem Aufbau und entsprechend hoher Betriebsspannung entstehen Scheiben-förmige Pakete an Ladungsträgern an der Kathode, die mit recht niedriger Geschwindigkeit durch den Halbleiter zur Anode wandern. Solange ein Paket unterwegs ist, ist die Feldstärke zu niedrig, als dass sich ein weiteres Paket an der Kathode ablösen könnte. Der Stromfluss schwankt also im Rhythmus der Reisezeit eines Pakets. Mit verhältnismäßig geringem Aufwand lassen sich so Schwingungen im GHz-Bereich erzeugen. Der Name kommt vom Entdecker des Effekts, J. B. Gunn.

Bipolarer Transistor

Bringt man zwei PN-Übergänge entgegengesetzt direkt nebeneinander in einen Halbleiter ein, so entsteht ein NPN- oder PNP-Übergang. Der Bereich zwischen den beiden Übergängen muss dabei sehr schmal sein. Betreibt man nun vom mittleren Anschluss zu einem der äußeren Anschlüsse den PN-Übergang in Leit-Richtung, so wird auch der andere PN-Übergang leitfähig. Er wird zwar in Sperrrichtung betrieben, aber er wird von dem Übergang in Leit-Richtung gewissermaßen mit Ladungsträgern überflutet. Ein so aufgebautes Bauteil nennt man bipolarer Transistor.

Thyristor, TRIAC und DIAC

Bringt man drei PN-Übergänge abwechselnd entgegengesetzt in einen Halbleiter ein, so entsteht ein NPNP-Übergang. Auch er wird durch ein Steuersignal an einer der mittleren Dotierungen leitfähig. Aber er bleibt auch leitfähig, solange ein Strom fließt. Solch ein Bauteil nennt man Thyristor. Zwei Thyristoren entgegengesetzt parallel geschaltet bilden einen TRIAC, der in beiden Richtungen leitfähig wird und so Wechselstrom schalten kann. Damit das Einschalten zuverlässig funktioniert, soll der Einschaltimpuls eine hohe Steilheit aufweisen. Ein solcher Impuls kann mithilfe einer Vierschichtdiode, die DIAC, Dinistor oder nach ihrem Erfinder auch Shockley-Diode genannt wird, erzeugt werden. Ein heute üblicher DIAC besteht aus 5 Schichten, bei denen die äußeren Anschlüsse jeweils an die beiden äußeren Schichten kontaktiert sind. Der Aufbau ist also etwa so: (NP)N(PN).

Feldeffekttransistor

Macht man die Dotierung an einer Stelle sehr dünn und bringt durch eine isolierende Schicht getrennt eine Elektrode auf, so kann man durch eine an der Elektrode angelegte Spannung den Stromfluss durch die dünne Stelle beeinflussen. Solch ein Bauteil nennt man Feldeffekt-Transistor FET. Im Gegensatz zum bipolaren Transistor fließt über die steuernde Elektrode kein Strom durch den Transistor; er ist also hochohmig; respektive er arbeitet mit wenig Steuerleistung.

Integrierte Schaltung

Eine integrierte Schaltung IC ist eine Zusammenfassung möglichst vieler Bauelemente auf einem Halbleiterkristall. Man versucht dabei auch Bauteile, die man sonst nicht in Halbleiter-Technik baut, hier mit Halbleitern zu realisieren, wie z. B. Widerstände.

Dabei werden auch Schaltungskonzepte genutzt, die sonst eher unüblich sind, um Bauteile zu vermeiden, die sich nicht gut integrieren lassen, wie z. B. Spulen.  So gibt es Spannungswandler mit kapazitiven Ladungspumpen als IC. Traditionell würde man einen Spannungswandler mit einer Speicherdrossel bauen.

ICs gibt es heute für jeden erdenklichen Anwendungszweck. Obwohl sie selbst kein eigener Halbleitertyp sind, haben sie doch die Elektronik auf eine ganz eigene Art verändert.

Und sonst?

Über die elektrischen Eigenschaften gibt es noch viel zu sagen. Wir nutzen die Verschiebung der elektrischen Ladungsträger in Nichtleitern für das Dielektrikum in Kondensatoren. Die Beeinflussung des Magnetfelds ist wichtig für die Kerne von Spulen. Nichtleiter sind unterschiedlich gut als Isolator geeignet, je nachdem wie leicht sie sich durch starke elektrische Felder ionisieren lassen.

Bei den Leitern gibt es „Exoten“ wie Grafit, was für Schleiferbahnen in Potis genutzt wird. Heute nutzt man dafür gern leitfähige Kunststoffe, weil diese abriebfester sind. Auch die chemischen Eigenschaften sind wichtig. So wird man in Schaltern und anderen Kontakten nur selten einfache Eisenverbindungen oder Aluminium finden, weil die Oberflächen oxidieren und dann schlecht leiten. Man bevorzugt edlere Metalle wie Silber und Gold oder hochwertige Legierungen.

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