Forschungsbericht Projekt Halbleiter

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Forschungsbericht Projekt Halbleiter

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Aus dem Einleitungstext:

Die Physikepoche in der 11. Klasse, wie sie an vielen Freien Waldorfschulen unterrichtet wird, umfasst zahlreiche Aspekte der Elektrizität, insbesondere die Begriffe Strom und Spannung sowie elektrisches und magnetisches Feld. Eines der mächtigsten Gebiete der uns umgebenden elektrischen Welt bleibt allerdings nach wie vor im Dunkeln: die Halbleiterelektronik. Diese fest an den Kristall gebundene elektrische Erscheinungsform bestimmt immer stärker unser Leben. Smartphones, kleine Computer, mit denen man auch telefonieren kann, Computer, vorgedrungen in sämtliche Lebensbereiche, und elektronische Medien sind allgegenwärtig und durch die Funktionen der Halbleiter bestimmt. Ingenieure und Techniker legen sich meist keine Rechenschaft mehr ab, was genau in den Halbleitern vorgeht. Sie kümmern sich lediglich um die Funktion der einzelnen Komponenten wie Transistoren und Dioden oder ganzer Schaltkreise, d.h. insbesondere um die Spezifikationen, wie sie in den jeweiligen Datenblättern angegeben sind. Die theoretische Betrachtung bleibt einigen hochqualifizierten Spezialisten vorbehalten, die in den Universitäten Festkörperphysik betreiben oder in der Halbleiterindustrie neue Designs für integrierte Schaltungen entwickeln.

Das Verhältnis zur Materie bzw. zur stofflichen Welt kommt in der 11. Klasse lediglich in der Gasentladung zum Vorschein. Was dort als Kanal-, Kathoden- und Röntgenstrahlung auftritt, bildet eine Hinführung zur Radioaktivität, wo Alpha-, Beta- und Gammastrahlung in vergleichbarer Weise die Anbindung oder Verbindung der Elektrizität an oder mit der Materie aufzeigen.

Die Prozesse im Halbleiter finden dagegen in Kristallen statt, die mit bestimmten Substanzen kunstvoll in mikroskopischen Strukturen präpariert wurden. Es spielt die Stofflichkeit also stark herein, so dass wir als Lehrende in einer 11. Klasse einiges an Vorarbeit leisten müssen um ein Verständnis zu erlangen. Diese beiden Aspekte: Aus dem stofflichen Zusammenhang losgelöste Elektrizität mit ihren elektromagnetischen, in den Raum propagierenden Wellen, und die an die Stoffe der Halbleiter gebundene Elektrizität finden wir in einer technischen Vervollkommnung im Smartphone wieder, welches die Schülerinnen und Schüler als einen überaus wichtigen, zugleich aber auch fragwürdigen Begleiter ihres jungen Lebens ansehen.

Im Folgenden wird anhand von Versuchsreihen aufgezeigt, wie sich Elektrizität mit der Materie verbindet und welche Erscheinungen dabei hervorgebracht werden. Dabei kann auch erkannt werden, wie sich atomare Begriffe aufdrängen und „in die Welt kommen“ und was sie aussagen. Auch werden nach und nach Hinweise und Indizien gesammelt, die uns wie Detektive auf die Spuren der verborgenen Vorgänge im Inneren dieser geheimnisvoll präparierten Kristalle führen können. Wollen wir die Vorgänge in den Halbleitern sukzessiv phänomenologisch erfassen, ist es zunächst angebracht, die Frage der elektrischen Erscheinungen aus dem Blickwinkel aufzugreifen, wie er in der Literatur zur 11. Klasse bereits umrissen ist (Mackensen/Schulz 2001, Sommer 2018). Dort liegt das Augenmerk auf dem Feldaspekt der Elektrizität und der didaktische Weg führt von der Konfiguration des elektrischen Feldes anhand der vorgegebenen Konduktorgeometrie über die Anbindung von Magnetfeldern an Stromkreise zum Propagieren sich gegenseitig bedingender elektrischer und magnetischer Felder in der elektromagnetischen Welle. In der elektromagnetischen Welle propagiert ein Erregungszustand des Raumes mit Lichtgeschwindigkeit ohne eine zugrundeliegende Materie, in diesem hat sich die elektrische Erscheinung aus oder von der Materie „befreit“.

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