In dieser Unterrichtseinheit zur Halbleiterphysik werden die Lernenden mit dem bipolaren Transistor vertraut gemacht. Bei diesem handelt es sich um ein Halbleiterbauelement, das meistens aus Silizium besteht. Die Lernenden erkennen, dass der Transistor sowohl als Schalter als auch als Verstärker eingesetzt werden kann.Mit entsprechenden Abbildungen, Videos und Animationen werden die Schülerinnen und Schüler mit dem Aufbau des Transistors bekannt gemacht. Sie sehen, dass der Transistor aus drei dünnen Halbleiterschichten aufgebaut ist, die übereinandergelegt sind. Seine Bezeichnung ist aus seiner Funktion abgeleitet. So wird bei einer Widerstandsänderung in einer Halbleiterschicht auch der Widerstand in der anderen Schicht beeinflusst – aus dem Begriff "transfer resistor" entstand die Bezeichnung Transistor. Dabei wird zwischen einem npn- oder pnp-Transistor unterschieden, entsprechend der n- oder p-dotierten Schichten. Die jeweils mittlere Schicht ist verglichen mit den beiden anderen Schichten sehr dünn. Jede Schicht ist mit metallischen Anschlüssen versehen, die aus dem Transistorgehäuse herausführen und mit dem zugehörigen Stromkreis verbunden sind. Die Außenanschlüsse des bipolaren Transistors bestehen aus Kollektor C und Emitter E. Die mittlere Schicht wird als Basis B bezeichnet und dient als Steuerelektrode oder auch als Steuereingang des Transistors. Halbleiterphysik für Fortgeschrittene – Grundlagen des Bipolartransistors Die vielfältigen Möglichkeiten für den Einsatz von Transistoren in Form von Schaltern, Datenspeichern und Verstärkern auf teilweise miniaturisierten integrierten Schaltkreisen haben Technologien möglich gemacht, die unseren heutigen – meist selbstverständlichen – Umgang mit PC, Fernsehgeräten und Smartphone erst ermöglicht haben. Die meist nur noch von spezialisierten Fachleuten durchschaubaren physikalischen Abläufe werden durchschnittlichen Nutzerinnen und Nutzern verborgen bleiben – deshalb ist es wichtig, im Physik-Unterricht zumindest die Grundprinzipien von Transistoren so anschaulich wie möglich zu vermitteln. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse können nur von Lernenden erwartet werden, die sich von klein an mit Elektronik in Form von Baukästen et cetera beschäftigt haben. Für alle anderen wird die Halbleitertechnologie und im Besonderen der Transistor völliges Neuland sein. Didaktische Analyse Bei der Behandlung des Themas muss man darauf achten, dass die prinzipiell gut nachvollziehbare Arbeitsweise eines Transistors so anschaulich wie nur möglich vermittelt wird. Das Modell mit zwei sich ergänzenden Wasserkreisen ist dafür sehr gut geeignet. Methodische Analyse Neben der schrittweisen Heranführung an Bau und Funktion von Transistoren ist es sehr wichtig, durch geeignete Übungsaufgaben die zunächst für viele etwas komplex wirkenden Schaltkreise genau zu beschreiben und zu erläutern. Wichtig wird dabei auch werden, auf den Unterschied zwischen technischer Stromrichtung (von + nach –) im Gegensatz zur tatsächlichen Fließrichtung der Elektronen (von – nach +) einzugehen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können Bau und Funktionsweise eines Bipolartransistors beschreiben und erklären. wissen um die große Bedeutung von Transistoren in der Mikroelektronik. können einfache Berechnungen zur Verstärker-Wirkung von Transistoren ausführen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden et cetera wertfrei diskutieren zu können.

Zunächst lernen die Schülerinnen und Schüler in dieser Unterrichtseinheit die Unterschiede zwischen der Bewegungsrichtung von Elektronen (Minus nach Plus) und der willkürlich festgelegten technischen Stromrichtung (Plus nach Minus) kennen, was bei Schaltbildern und mathematischen Berechnungen sehr wichtig wird. Zudem werden die unterschiedlichen, den Transistor beschreibenden Kennlinien besprochen und in der Dreiquadranten-Darstellung aufgezeigt.An einfachen Beispielen werden die Lernenden mit Schaltskizzen und den jeweiligen Strom- und Spannungsverläufen in Abhängigkeit von der technischen Stromrichtung vertraut gemacht. Mit Widerständen können dabei die Stromstärken und Spannungen so gewählt werden, wie es für die Strombegrenzung und den zugehörigen Spannungsabfall nötig ist. Durch Auswertung vorgegebener Wertetabellen lernen die Schülerinnen und Schüler unter anderem, welche Bedeutung Begriffe wie Eingangskennlinie, Stromsteuerkennlinie und Ausgangskennlinie für die Basisstromstärke und die Kollektorstromstärke in Hinblick auf den Verstärkungsfaktor B haben. Halbleiterphysik und Bipolartransistoren als Unterrichtsthema Ohne Transistoren wäre die für uns alle selbstverständliche digitale Technologie nicht möglich, die auch von Laien ohne Kenntnis der dafür notwendigen Technik und Infrastruktur mit etwas Übung problemlos bedient werden kann. Dennoch sollten Schülerinnen und Schüler in dieser hochtechnisierten Welt mit einer Vielzahl von neuen Berufen im Hochtechnologiesektor einen Einblick in die grobe Funktionsweise im Rahmen des Schulunterrichts bekommen. Vorkenntnisse Grobe Vorkenntnisse können von Lernenden erwartet werden, die sich von klein an mit Elektronik in Form von Baukästen beschäftigt haben – für alle anderen wird die Halbleitertechnologie und im Besonderen der Transistor Neuland sein. Deshalb sollte im Unterricht auf gut nachvollziehbare Beispiele und Anwendungen zurückgegriffen werden. Es bietet sich zudem an, zuvor die Unterrichtseinheit Grundlagen des Bipolartransistors im Unterricht durchzunehmen. Didaktische Analyse Bei der Behandlung dieses Themas muss man darauf achten, dass Schülerinnen und Schüler nicht überfordert werden, was bei der Komplexität vieler Schaltungen mit Transistoren schnell passieren kann. Dies sollte den Teilnehmerinnen und Teilnehmern der Kurse in der Sekundarstufe II vorbehalten bleiben. Methodische Analyse Anhand überschaubarer Schaltskizzen in Verbindung mit Elektronikbaukästen – falls in der Physiksammlung vorhanden – können den Lernenden die Grundzüge der Funktions- und Anwendungsweise gut nähergebracht werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wissen, dass man Transistoren als Schalter und Verstärker sowie vor allem als Speichermedium in extrem miniaturisierter Form für Computer dienen. kennen die verschiedenen Bauweisen von Transistoren (npn-Transistor und pnp-Transistor). können einfache Übungsaufgaben – wie etwa zur Stromverstärkung – erklären und berechnen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern und Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Überlässt man nach einmaliger Aufladung einen elektromagnetischen Schwingkreis sich selbst, so entsteht – vor allem wegen der unvermeidlichen Ohmschen Reibung – eine gedämpfte Schwingung, deren Amplitude sehr schnell gegen null gehen wird. Für viele technische Anwendungen wie etwa Radiowellen oder Mikrowellen benötigt man aber möglichst ungedämpfte Schwingungen, bei denen der stets auftretende Energieverlust durch technische Lösungen ausgeglichen wird. In diesem Beitrag werden beispielhaft zwei Schaltungen vorgestellt, die es ermöglichen ungedämpfte Schwingungen zu erzeugen. Dabei handelt es sich um die "Rückkopplungsschaltung nach Meißner" zur Erzeugung von sinusförmigen elektromagnetischen Schwingungen im niederen und mittleren Frequenzbereich sowie um die "Dreipunktschaltung" als Erweiterung der Rückkopplungsschaltung zur Erzeugung hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen. Beiden Schaltungen ist gemeinsam, dass der jeweilige Schwingkreis aus einer Spule und einem Kondensator besteht. Der ungedämpfte elektromagnetische Schwingkreis – Theorie und Beispiele Die anspruchsvolle Unterrichtseinheit zum ungedämpften Schwingkreis setzt gute bis sehr gute mathematische Kenntnisse voraus. Dies bedeutet, dass dieses Thema zum ungedämpften elektromagnetischen Schwingkreis nur im Rahmen der Kursphase der Sekundarstufe II behandelt werden kann. Vorkenntnisse Voraussetzungen für eine fundierte Beschäftigung mit dem ungedämpften elektromagnetischen Schwingkreis sind – neben Grundkenntnissen zu mechanischen Schwingungen – Kenntnisse über Auflade- und Entladevorgänge bei Kondensatoren, über die elektromagnetische Induktion und die Lenz'sche Regel sowie das Wissen über die Funktionsweise von Triode und Transistor. Didaktische Analyse Die Behandlung des anspruchsvollen Themas im Unterricht soll auch dazu führen, dass sich die Lernenden mit dem Aufbau und der Funktion von Geräten zur Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen näher beschäftigen wollen. Das Thema ist auch sehr gut geeignet, die Bedeutung von Differentialgleichungen zur Erklärung und Berechnung von physikalischen Zusammenhängen den Schülerrinnen und Schülern näher zu bringen – nicht zuletzt in Hinblick auf andere noch ausstehende physikalische Herleitungen in der Kursphase. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können die Funktionsweise von Triode und Transistor in Hinblick auf die Abläufe in einem elektromagnetischen Schwingkreis beschreiben. wissen um die große Bedeutung von elektromagnetischen Schwingungen in vielen Bereichen des täglichen Lebens. können anspruchsvolle Übungsaufgaben zur mathematischen Beschreibung der elektromagnetischen Schwingungen mittels Differentialgleichungen bearbeiten und lösen. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. können die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit hin überprüfen und einordnen. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschüler auseinandersetzen und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden wertfrei diskutieren zu können.

Die Unterrichtseinheit "Halbleiterphysik für Einsteiger" macht die Schülerinnen und Schüler mit einer Technologie bekannt, die aus unserem Alltagsleben nicht mehr wegzudenken ist. Die theoretischen Grundlagen beruhen auf der Erkenntnis, dass es neben Leitern und Nichtleitern auch Materialien gibt, die unter bestimmten Voraussetzungen zum Leiter werden können – die so bezeichneten Halbleiter. Am Beispiel des strukturellen Atomaufbaus von Silizium sehen die Lernenden zunächst, welche Voraussetzungen ein Stoff besitzen muss, um zum Halbleiter werden zu können. Zudem werden die Lernenden an die Möglichkeiten der Beimischung bestimmter anderer Stoffe (Dotierung) herangeführt, was völlig neue Möglichkeiten für kontaktlose elektrische Schaltungen eröffnet.Halbleitertechnologie ist die Voraussetzung für viele technische Anwendungen – von der Solarzelle über LEDs bis hin zu Transistoren. Ohne Halbleiter wäre die immer wichtiger werdende Digitalisierung nicht denkbar. Anhand von aussagekräftigen Abbildungen oder Animationen werden die theoretischen Grundlagen besprochen: Bei tiefen Temperaturen sind Halbleiter Isolatoren – erst durch Energiezufuhr (zum Beispiel Erwärmung) lassen sich Elektronen aus ihren Paarbindungen lösen, so dass Leitungselektronen und Löcher entstehen. Legt man dann eine äußere Spannung an, beginnen die Elektronen zu wandern. Mit Abbildungen und/oder Animationen werden die Lernenden mit Begriffen wie Elektronenstrom, Löcherstrom und Eigenleitung bekannt gemacht. Halbleiterphysik Die Halbleiterphysik basiert auf verschiedenen Grundstoffen wie Silizium oder Germanium, die man mit geeigneten Stoffen wie dem fünfwertigen Phosphor P 5+ oder dem dreiwertigen Bor B 3+ dotiert. Dabei enthält ein Kubikmillimeter bis zu 2,4×10 17 Fremdatome, was eine riesige Zahl von frei beweglichen Ladungsträgern zur Folge hat. Mit diesen grundlegenden Fakten lassen sich nun die unterschiedlichsten Anwendungen herstellen – im einfachsten Fall Dioden – bis hin zu komplizierten Schaltungen von Transistoren. Vorkenntnisse Vorkenntnisse von Lernenden werden eher nicht zu erwarten sein, da sich die wenigsten Gedanken machen werden, wie ihre Smartphones, LEDs oder moderne Fernseher funktionieren. Gleichzeitig ist es aber sehr wichtig den Lernenden zu zeigen, welche Grundbausteine nötig sind, um die obigen Geräte zu bauen beziehungsweise die Digitalisierung voranzutreiben. Didaktische Analyse Bei der Besprechung der Grundlagen der Halbleiterphysik ist es besonders wichtig, den extremen Grad der Miniaturisierung hervorzuheben, ohne die viele Geräte nicht einmal ansatzweise gebaut werden könnten. Allerdings sind die Vorgänge nicht – wie in der Makrophysik – mit dem Auge verfolgbar, was zur Folge hat, dass Versuche nicht im Detail zu sehen sind, sondern nur über Messinstrumente nachverfolgt werden können. Methodische Analyse Bei der Erarbeitung des Stoffes ist es wichtig, dass aussagekräftige Abbildungen und gegebenenfalls Animationen oder brauchbare Videos zur Erklärung herangezogen werden – nur so können die teilweise nur schwer nachvollziehbaren Vorgänge deutlich gemacht werden. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen die Besonderheiten von Halbleitern im Gegensatz zu Leitern beziehungsweise Nichtleitern. wissen um die Bedeutung von Fremdatomen beim Dotieren von Halbleitermaterialien. beschreiben und erläutern die Wirkungsweise einer Halbleiterdiode. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren selbständig Fakten, Hintergründe und Kommentare im Internet. überprüfen die Inhalte von Videos, Clips und Animationen auf ihre sachliche Richtigkeit und ordnen sie ein. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler lernen durch Partner- und Gruppenarbeit das Zusammenarbeiten als Team. setzen sich mit den Ergebnissen der Mitschülerinnen und Mitschülern auseinander und lernen so, deren Ergebnisse mit den eigenen Ergebnissen konstruktiv zu vergleichen. erwerben genügend fachliches Wissen, um mit anderen Lernenden, Eltern, Freunden etc. wertfrei diskutieren zu können.

In dieser Materialsammlung für den Physik-Unterricht sind Unterrichtsmaterialien rund um die Elektrizitätslehre und ihre Teilbereiche gebündelt. Dazu zählen elektrische Ladungen und Strom, elektrische und magnetische Felder, die elektromagnetische Induktion, elektromagnetische Schwingungen und Wellen sowie Grundlagen der Elektronik. Die Elektrizitätslehre umfasst alle Vorgänge, die entweder mit ruhender Ladung (Elektrostatik) oder bewegter Ladung (Elektrodynamik) zu tun haben. Der Begriff selbst leitet sich aus dem griechischen Wort electron (deutsch: Bernstein) ab. Er geht zurück auf den griechischen Naturwissenschaftler und Philosoph Thales von Milet, der mit Bernstein vor etwa 2500 Jahren Versuche durchgeführt und dabei beim Reiben von Bernstein festgestellt hat, dass dieser kleine leichte Teilchen anziehen kann. Lernziele und Lehrplanbezüge für die Elektrizitätslehre im Fach Physik Elektrische Ladungen sind Bestandteile von Atomen und werden als Ladungsträger bezeichnet. Man unterscheidet die negativ geladenen Elektronen (m e = 9,11×10 -31 kg) der Atomhülle von den positiv geladenen Protonen (m p = 1,67×10 -27 kg) des Atomkernes, wobei der Betrag der Ladung bei beiden gleich groß ist. Bedeutsam ist, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen , während sich ungleichnamige Ladungen anziehen . Elektrischer Strom ist ein Naturphänomen und kein Produkt eines genialen Physikers. Es fließen dabei in erster Linie leicht bewegliche Elektronen der Atomhülle durch einen dafür geeigneten Leiter wie etwa Kupfer oder Wolfram . Ein elektrisches Feld entsteht, wenn sich um positive oder negative Ladungen herum infolge der gegenseitigen Anziehung oder Abstoßung bestimmte Kraftwirkungen ergeben, die man mithilfe von Feldlinienbildern darstellen kann. Ein magnetisches Feld hingegen entsteht sowohl durch die Kraftwirkung zwischen Dauermagneten aus Eisen, Kobalt oder Nickel als auch um bewegte elektrische Ladungen herum wie etwa Stromleitungen oder Spulen . Ein für sehr viele technische Entwicklungen äußerst wichtiger Bereich ist die elektromagnetische Induktion , bei der sowohl durch die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld als auch durch Änderung eines von einem Leiter umschlossenen Magnetfeldes (zum Beispiel einer Spule) eine elektrische Spannung und ein elektrischer Stromfluss erzeugt werden. Von großer Bedeutung für die Stromerzeugung (zum Beispiel durch Generatoren) und die Stromübertragung über weite Strecken durch Hochspannung (erzeugt durch sogenannte Transformatoren) ist der Wechselstrom , der uns auch im Haushalt zur Verfügung gestellt wird. Er unterscheidet sich vom Gleichstrom dadurch, dass er regelmäßig seine Richtung ändert (in Deutschland mit 50 Hz, was 100 Richtungsänderungen pro Sekunde entspricht). Von elektromagnetischen Schwingungen spricht man, wenn sich die Feldstärke eines elektrischen Feldes und eines magnetischen Feldes periodisch ändern (zum Beispiel beim Kondensator oder bei Spulen). Zudem senden in einem Leiter beschleunigte oder abgebremste Ladungen elektromagnetische Felder aus, die sich im Raum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Dabei ändern sich die Stärken des elektrischen und magnetischen Feldes sowohl räumlich als auch zeitlich periodisch und besitzen daher die gleichen Eigenschaften wie Wellen. Man bezeichnet sie deshalb als elektromagnetische Wellen . Die Grundlagen der Elektronik beschäftigen sich mit Bauelementen aus der Halbleitertechnologie wie etwa Dioden und Transistoren sowie den daraus anwendbaren Schaltungen .