DE932824C - Demonstrationsmodell zur Veranschaulichung der Potentialverhaeltnisse in einem p-n-UEbergang von Halbleitern - Google Patents

Description

• Demonstrationsmodell zur Veranschaulichung der Potentialverhältnisse in einem p-n-Übergang von Halbleitern Es ist bekannt, die Potentialverhältnisse in Halbleiteranordnungen an Stellen des Überganges von einem Leitfähigkeitstyp zum anderen Leitfähigkeitstyp durch das sogenannte Bändermodell zu veranschaulichen. In diesem Bändermodell ist auf der Abszisse die räumliche Erstreckung des Halbleiters aufgetragen, während die Ordinate die Energiewerte der Elektronen angibt. Mit Hilfe dieses an sich abstrakten Modells kann man einen jeweiligen Zustand der Potential- und Raumladungsverhältnisse zeichnerisch wiedergeben. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Demonstrationsmodell zu schaffen, welches es ermöglicht, auf einfache Weise auch die Veränderungen der Potentialverhältnisse an einem p-n-Übergang zu demonstrieren, die sich beispielsweise bei einer Veränderung der an einem Halbleiter angelegten äußeren Spannung ergeben. Gemäß der Erfindung besteht das Demonstrationsmodell aus mehreren flächenförmigen Teilen, die je einem der verschiedenen Leitfähigkeitsbereiche zugeordnet und gegeneinander in Ordinatenrichtung verschiebbar sind, wobei die Bandgrenzen durch biegesteife mechanische Elemente, beispielsweise Bänder, Drähte, Gummischläuche od. dgl. dargestellt sind. Diese biegesteifen Elemente sind auf den gegeneinander verschiebbaren Flächen derart angeordnet, daß sie der Schiebebewegung der Flächen gegeneinander nachzugeben vermögen. Die zur Charakterisierung der Potentialverhältnisse innerhalb der Bänder dienenden Symbole, insbesondere Donatoren, Akzeptoren oder sonstige Terme, sowie die Elektronen und Defektelektronen sind ebenfalls in der dem üblichen Bändermodell entsprechenden Weise auf den Flächen durch mechanische Elemente versinnbildlicht. In der Zeichnung ist eine- Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung beispielsweise, und zwar für einen einfachen p-n-Übergang, dargestellt.
• i und 2 bedeuten zwei Sperrholzplatten, welche dem p- und dem n-Bereich eines Halbleiters entsprechen und in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise so angeordnet sind, daß ihre Kanten parallel zu der _die Halbleitererstreckung darstellenden X-Achse (Abszisse) einerseits und der die Energie angebende E-Achse (Ordinate) andererseits verlaufen. Es ist auf dem mechanischen Modell eine verbotene Zone mit den beiden Kanten 3 und 4 dargestellt, von denen die Kante 3 das unterste Leitfähigkeitsband nach unten und die Kante 4 das oberste voll besetzte Band nach oben begrenzt. Insbesondere bedeuten die oberhalb der Kanten 3 liegenden Teile der Platten i und 2 den unteren Teil des untersten Leitfähigkeitsbandes.
• Die beiden Kanten 3 und 4 bestehen in dem mechanischen Modell aus zwei Druckschläuchen. Die beiden Schläuche werden durch eine Reihe von Abstandshaltern 5 auf stets gleichem Abstand gehalten. Die Abstandshalter sind an bestimmten Stellen gelenkig bzw. derart verbiegbar gegenüber den Schläuchen mit diesen verbunden, daß sie eine Verbiegung der Schläuche durch Verschieben der Platten gegeneinander zulassen. Der mittlere Abstandshalter 5' ist in einer aus zwei Ösen 6 und 6' bestehenden Führung parallel zur E-Achse geradegeführt. Die Ösen 6 und 6' sind auf der einen der beiden Platten i und 2 befestigt.
• Die den p- und den n-Bereich charakterisierenden Donatoren und Akzeptoren sind in aus der Zeichnung ersichtlichen Weise durch geometrische Sinnbilder dargestellt, wobei die halbkreisförmigen Zeichen 7 die Donatoren und die dreieckigen Zeichen 8 die Akzeptoren bedeuten. Zur Versinnbildlichung der Elektronen und Defektelektronen, welche von den Donatoren bzw. Akzeptoren erzeugt sind, sind in den beiden Platten Rasten angeordnet, welche gleichzeitig ein Verbiegen der Schläuche an den neutralen Stellen des Halbleiters verhindern. Die die Elektronen bedeutenden Rasten bestehen gemäß dem Ausführungsbeispiel aus auswechselbaren Stiften 9, welche oberhalb des oberen Schlauches 3 in in den Platten vorgesehenen Löcher steckbar sind. Die von den Stiften nicht besetzten Löcher sind durch Strichelung angedeutet und mit 9' bezeichnet. Entsprechende Stifte io mit Löchern io' sind unterhalb des unteren Schlauches 4 vorgesehen. Dia Stifte io entsprechen den Defektelektronen. Zur äußeren Kenntlichmachung sind die Stifte 9 und io verschieden gefärbt bzw. signiert; so sind die Elektronen mit. »-« und die Defektelektronen mit »+« bezeichnet.
• Das Modell wird in der Weise betätigt, daß die z. B. durch Anlegen einer äußeren Spannung sich ändernde Anzahl von Elektronen bzw. Defektelektronen durch Stecken bzw. Ziehen der Stifte 9 und io sichtbar gemacht wird. Gleichzeitig wird die bewegliche Platte 2 relativ zur feststehenden Plätte i entsprechend der sich ergebenden Potentialdifferenz in der Höhe verschoben. Es bildet sich hierbei die aus der Zeichnung ersichtliche Form des durch die beiden elastischen Schläuche 3 und 4 dargestellten Potentialverlaufs selbsttätig aus.
• Eine besondere Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß die Verschiebung der Platte 2 nicht von Hand geschieht, sondern von selbst durch das Eigengewicht der Platte vor sich geht. Die Platte 2 wird so lange am Sinken nach unten. verhindert, wie sämtliche Elektronen- und Defektelektronenstifte in den für sie vorgesehenen Löchern enthalten sind, weil die Stifte. die Schläuche an einer Deformation hindern. Sobald durch Anlegen eines äußeren Feldes Elektronen aus der Mitte des p-ri,-Überganges abgezogen werden und an die Enden des Halbleiters wandern, kann die Platte 2 so weit sinken, wie es die noch in ihren Löchern befindlichen Stifte zulassen.
• Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Es können beispielsweise auch mehrere Energiebänder zur Darstellung kommen. Es können ferner, etwa zur Versinnbildlichung einer Transistoranordnung, noch weitere Platten, insbesondere noch eine dritte Platte vorgesehen sein, so daß man die Veranschaulichung eines p-n-p- bzw. n-p-n-Überganges erhält.
• Die selbsttätige Kopplung zwischen der relativen Verschiebebewegung der Platten gegeneinander und dem Freigeben der Biegefähigkeit der die Bandkanten darstellenden elastischen Glieder, insbesondere der Schläuche 3 und 4 des Ausführungsbeispiels, können auch anders geartete Rasten vorgesehen sein, welche die Elektronen bzw. Defektelektronen versinnbildlichen. Diese Rasten können beispielsweise Klappen sein, welche bei einem Verstellen der beweglichen Platte von Hand bei einem eine gewisse Schwelle überschreitenden Druck der Schläuche 3 und 4 nachgeben, so daß die Schläuche ausrasten und gleichzeitig die klappenförmigen Rasten zum Umklappen bringen, wodurch sich deren Farbe bzw. Signierung ändert, und das Verschwinden des' betreffenden Elektrons bzw. Defektelektrons angezeigt wird.
• Eine andere Abänderung des Ausführungsbeispiels besteht etwa darin,- daß die die Kanten der Energiebänder versinnbildlichenden biegesteifen Glieder gleichzeitig eine gewisse Längselastizität aufweisen, so daß sie unter Umständen an den Enden auf den Platten i und 2 festgemacht werden können. Derart biegesteife und gleichzeitig längendehnbare elastische Glieder lassen sich beispielsweise durch Gummischläuche mit reiner Längselastizität verwirklichen, denen je ein rein biegeelastischer Draht lose verschiebbar eingelagert ist.

Claims (14)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Demonstrationsmodell zur Veranschaulichung der Potentialverhältnisse in einem oder mehreren p-n-Übergängen, in dem das übliche Bändermodell dargestellt ist, auf dessen Abszisse die räumliche Halbleitererstreckung und auf dessen Ordinate die Energie aufgetragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß es aus mehreren, z. B. zwei flächenförmigen Teilen besteht, die je einem der Leitfähigkeitsbereiche (p und n) zugeordnet und gegeneinander in Ordinatenrichtung verschiebbar sind, wobei die die Energiebänder begrenzenden Kanten durch biegesteife elastische Elemente, wie z. B. Drähte, Stahlbänder, Gummischläuche, insbesondere Druckschläuche od. dgl. verwirklicht sind.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in gewissen, vorzugsweise gleichen Abständen Abstandshalter vorgesehen sind, welche die beiden biegesteifen elastischen Glieder überall parallel halten.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den elastischen Gliedern und/oder Abstandshaltern, die die elektrischen Terme, z. B. Donatoren, Akzeptoren oder Haftstellen, versinnbildlichenden Symbole angeordnet sind.
4. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Platten Rasten angeordnet sind, welche ein Verbiegen der biegesteifen Elemente an den elektrisch neutralen Stellen verhindern.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch ¢, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasten die Elektronen und die Defektelektronen versinnbildlichen.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasten auswechselbar sind.
7. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasten bei einer bestimmten, von den biegesteifen Elementen selbst ausgeübten Gegenkraft auslösbar sind. B.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die den Elektronen und den Defektelektronen entsprechenden Rasten verschiedene, den Ladungszustand kennzeichnende Farbe und/oder Formgebung aufweisen.
9. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Symmetrielage des mittelsten Abstandshalters festlegende Geradführung vorgesehen ist, welche bewirkt, daß dieser Abstandshalter in Ordinatenrichtung verschieblich ist. io.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche i bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die biegesteifen elastischen Glieder gleichzeitig längendehnbar sind. ii.
11. Einrichtung nach Anspruch io, dadurch gekennzeichnet, daß die biegesteifen Glieder aus einem reinen biegesteifen und reinen längendehnbaren elastischen Element, beispielsweise .einem nur längendehnbaren Gummischlauch und .einem in diesem verschieblich angeordneten nur biegeelastischen Draht zusammengesetzt sind.
12. 12. Einrichtung nach einem der Ansprüche i bis ii, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Vorgänge zum Unwirksammachen der Rasten einerseits und zum Verschieben der Platten andererseits mechanisch miteinander gekoppelt sind.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastizität der die Bandkanten versinnbildlichenden Glieder und des Gewichtes der verschieblichen Platte derart aufeinander abgestimmt sind, daß die verschiebliche Platte beim Freigeben der Rasten selbsttätig wie das Gewicht einer Federwaage sinkt.
14. 14. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vorsichtigen Verschieben der beweglichen Platte von Hand die einzelnen Teile der biegesteifen Elemente nacheinander aus den sie im Ruhezustand haltenden Rasten ausrastet.