Grundlagen Elektronik 1
Eigenschaften des Elektrons
-
Elektronen sind die Träger der kleinsten vorkommenden elektrischen
Ladungen.
Dabei spielen zwei Kenngrößen des
Elektrons eine Rolle.
- Ruhemasse m0 des Elektrons =
9,106 x 10-28 g
- Ladung e des Elektrons = -1,60 x 10-19
As
- Daraus ergibt sich e/m0 =
-1,76 x 108 As/g
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nach der Relativitätstheorie von EINSTEIN ist die Masse eines Körpers
nicht konstant. Sie nimmt mit steigender Bewegungsgeschwindigkeit des Körpers
zu.
Einfluß des elektrischen Längsfeldes auf die Elektronenbewegung
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Wird ein Elektron in ein elektrisches Längsfeld gebracht wird es zum
positiven Spannungspol hin beschleunigt.
Die Formel dazu: v = 593,5 x ÖUa Ua =
Spannung zwischen den Platten v = Geschwindigkeit
Diese Gleichung hat Gültigkeit bis zu ca. 10kV.
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Wie man aus der Formel ersehen kann, hat der Abstand der Elektroden
keinen Einfluß auf die Geschwindigkeit.
Einfluß des elektrischen Querfeldes auf die Elektronenbewegung
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Sobald das Elektron in das Querfeld gelangt, wird es nach der positiven
Platte hin beschleunigt.
Der Ablenkwinkel kann durch die
Formel:

l ist die Länge der Ablenkplatten
in cm
a ist der Plattenabstand in cm
Uq ist die Spannung an den
Ablenkplatten in V
Ua ist die Spannung zur Erzeugung
der Eintrittsgeschwindigkeit Vo in V
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Einfluß des magnetischen Feldes auf die Elektronenbewegung
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Bewegt sich ein Elektron in einem Magnetfeld senkrecht zur Flußrichtung,
so entsteht eine Kraft, die zu einer Ablenkung führt.
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Auf ein ruhendes Elektron wird im Gegensatz zum elektrischen Feld keine
Kraft ausgeübt.
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Gelangt das Elektron in ein homogenes Magnetfeld, so fliegt es bei
senkrechtem Eintritt in das Feld auf einer Kreisbahn weiter.
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Gelangt es mit einer schrägen Flugbahn in das Magnetfeld, so bewegt es
sich auf einer spiralförmigen Flugbahn weiter.
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Bei Fernsehbildröhren macht man beispielsweise von der magnetischen
Ablenkung Gebrauch. Mit dieser lassen sich größere Ablenkwinkel und damit
kleinere Baulängen der Bildröhre erreichen.
Elektroden
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bei Elektroden wird das Prinzip der Glühemission ausgenutzt. Durch
Aufheizen einer Elektrode können ab einer bestimmten Temperatur Elektronen
freigesetzt werden. Mit zunehmender Temperatur wird die Elektronenausbeute
größer. Den maximalen Strom, den eine Katode bei vorgegebener Temperatur
liefert, bezeichnet man als Sättigungsstrom.
-
Es gibt verschiede Arten von Elektroden:
- Direkt geheizten Katoden (sind Heizfaden und
Katodenmaterial das Gleiche):
- Direktgeheizte Reinmetallkatoden: die einfachste
Ausführung ist die mit einem Wolframwendel als Heizdraht der zugleich bei
entsprechend hoher Erwärmung Elektroden emittiert.
- Direktgeheizte Oxidkatoden:
2.1 Metallfilmkatoden
sind Katoden bei denen einige Prozent Thoroxid zum Wolframpulver beigemengt
wurden. Somit wird der Elektronenstrom vergrößert, da bei Thoroxid geringe
Austrittsarbeit geleistet werden muß. Die Katode wird bei ca. 1750 Kelvin
betrieben, daß heißt sie wird nicht bis zum Sättigungsstrom beansprucht. Das erhöht
die Lebensdauer.
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- Bei der indirekt geheizten Katode sind Heizfaden
und Katodenmaterial elektrisch getrennt. Dadurch können Brummstörungen
vermieden werden. Der Heizfaden sitzt in einem Nickelröhrchen, der zum
Nickelröhrchen hin isoliert ist. Auf der Oberfläche des Nickelröhrchens
ist das Katodenmaterial aufgebrannt. Es dauert zwar länger bis die Katode
aufgeheizt ist, aber dafür ist sie unempfindlicher gegen
Temperaturschwankungen. Es ist darauf zu achten, daß die Spannung zwischen
Katodenanschluß und Heizfaden nicht überschritten wird, da sonst das
Isoliermaterial durchschlägt und die Katode zerstört.
- Die Elektronen treffen nach ihrem Flug mit großer
Geschwindigkeit auf die Anode. Dabei entsteht Wärme. Man spricht dabei von
der Anodenverlustleistung Pva.
Pva = Ua * Ia
Ua ist die Spannung
zwischen der Katode und der Anode
Ia ist der Anodenstrom (
Elektronenstrom zwischen Katode und Anode)
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Primärelektronen sind Elektronen die aus der Katode austreten und in
richtig der Anode beschleunigt werden.
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Sekundärelektronen entstehen, wenn Primärelektronen mit hoher
Geschwindigkeit auf eine Anode treffen. Es werden dadurch Elektronen aus der
Anode durch den Zusammenstoß mit den Primärelektronen freigesetzt. Sie werden
aus der Anode herausgeschleudert.
Das Verhältnis b zwischen der Zahl der Sekundärelektronen
und der Zahl der Primärelektronen wird als Ausbeute bezeichnet.
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der Röhre durch die angelegte Spannung zwischen Anode
und Katode stoßionisiert. Auf die Ionen wirkt ein
Elektrisches Feld, die Ionen fangen stark zu
schwingen an. Treffen die Ionen auf neutrale Gasmoleküle so
werden diese ionisiert. Somit werden zusätzliche
Landungsträger frei (Stoßionisation). Die angeregten Ionen
senden sichtbares Licht aus. Um die Glimmentladung
einzuleiten muß die Zündspannung erreicht werden,
nach dem zünden reicht die Brennspannung aus. Der
Strom muß durch einen Vorwiderstand begrenzt
werden, da sonst stark ansteigt. Durch den
Vorwiderstand wird der Arbeitspunkt festgelegt.
- Sichtröhren werden in Oszilloskopen, Fernsehgeräten
und Monitoren zur bildlichen Darstellung eingesetzt.
Halbleiter:
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Ein reiner Halbleiter besitzt bei T=0 ( -273 °C) keine freien Ladungsträger und wirkt daher wie ein
Nichtleiter. Mit zunehmender Temperatur brechen Elektronenpaarbindungen auf,
und es entstehen freie Ladungsträger. Die Leitfähigkeit nimmt daher mit zunehmender
Temperatur stark zu.
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Das Aufbrechen der Elektronenpaarbindungen bezeichnet man als Generation,
dabei werden freie Ladungsträger frei. Das wieder Zusammenfügen der
Elektronenpaarbindungen ( das Loch verschwindet) bezeichnet man als Rekombination.
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kann auch sagen n * p = Zi2 . Bei
einem reinen Halbleiter gelten folgende Näherungswerte bei Umgebungstemperatur:
Ge: n » 2.5 * 1013 1/cm3
Si: n » 2 * 1010 1/cm3
Metall: n » 5 * 1022 1/cm3
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Man kann durch Diffusion in das reine Halbleitergitter Fremdatome
mit 5 bzw. 3 Valenzelektronen einbauen. Man sagt, der Halbleiter wird durch
Störatome dotiert.
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5-wertige Fremdatome verursachen einen Elektronenüberschuß, sie sind
also Elektronenspender ( Donatoren). Der Halbleiter wird zu einem n-Halbleiter.
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3-wertige Fremdatome verursachen einen Löcherüberschuß, sie sind
Elektronennehmer ( Akzeptoren). Der Halbleiter wird zu einem p-Halbleiter.
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Die in dotierten Halbleitern überwiegende Art der beweglichen
Landungsträger bezeichnet man als Majoritätsträger. Die in der
Minderzahl vorhandene Art nennt man Minoritätsträger.
Der PN- Übergang:
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Bringt man zwei unterschiedlich dotierte Flächen aneinander so erhält
man an der Grenzstelle einen sogenannten PN-Übergang
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Da die Elektronenkonzentration im N-dotierten Teil höher ist als im
P-dotierten Teil, tritt in Folge des Konzentrationsunterschieds eine Ladungsträgerwanderung
( Diffusion) ein.
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