Das Termschema eines Atoms zeigt die erlaubten, diskreten Energiezustände des Elektrons. Beim Übergang vom Atom/dünnen Gas zum Festkörper/dichtes Gas verbreitern sich diese erlaubten Energiezustände zu sog. Bändern.
Das oberste noch voll mit Elektronen besetzte Band nennt man Valenzband (VB). Jenes darüber wird als Leitungsband (LB) bezeichnet. Bei Isolatoren und Halbleitern ist jenes Leitungsband leer. Zwischen VB und LB befindet sich beim Isolator eine breite Bandlücke, wohingegen diese bei Halbleitern weniger breit ist. Bei Metallen überlappen sich VB und LB bzw. das LB ist nicht komplett leer. Dies ist auch der Grund dafür, warum Metalle selbst bei geringen Temperaturen leiten, da sich eben frei bewegliche Elektronen im LB befinden. Bei Halbleitern müssen erst durch Zuführung von Energie in Form von Licht, elektrischer Spannung oder Wärme Elektronen vom VB über die Bandlücke hinweg ins LB gehoben werden. Dadurch steigt bei Halbleitern auch die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur, denn es befinden sich mit steigendem T immer mehr Elektronen im LB.
Bei einer Photodiode wird vereinfacht ausgedrückt ein Elektron durch ein absorbiertes Lichtteilchen (Photon) vom Valenzband ins Leitungsband gehoben. Dadurch ist an der Photodiode eine elektrische Spannung zu messen. Diese Spannung hängt von der Lichtintensität und von der Farbe (Wellenlänge) der Photonen ab.
Für folgenden Versuch nehmen wir anstelle von Photodioden gewöhnliche, verschiedenfärbige LEDs. Es wird aus diesen immer ein Paar gebildet, wobei eine LED an eine Spannungsquelle angeschlossen wird und Licht aussendet, während die andere LED dieses Licht gegebenenfalls absorbiert und an dieser dann eine Photospannung zu messen ist.
Damit auch wirklich nur das Licht der Sende-LED auf die Empfänger-LED trifft, werden beide in einen kurzen, schwarzen Silikonschlauch mit einem Innendurchmesser von 5 mm gesteckt. Diesen erhält man günstig auf ebay.
Nun ist für sämtliche Paarungen jeweils zu überprüfen, ob eine Photospannung gemessen werden kann. Die Ergebnisse trägt man in folgende Tabelle:
Jetzt beginnt die Auswertung für die Schüler. Sie sollen anhand der Tabelle folgende 2 Reihungen vornehmen:
1.) Sortiere die LEDs nach der Größe ihrer Bandlücke
2.) Sortiere die LEDs nach der Energie ihrer Photonen
Wenn die Schüler alles richtig gemacht haben können sie zeilenweise erkennen, dass die Bandlücke von UV zu IR abnimmt. Spaltenweise betrachtet müssten sie feststellen, dass die Photonenenergie von UV zu IR abnimmt.
Ein Vergleich mit dem Spektrum lässt erkennen, dass die Energie der Photonen mit der Frequenz f zunimmt. Dies drückt ja auch die bekannte Planck’sche Beziehung E = h·f aus.
Eine wichtige Schlussfolgerung ist aber auch, dass Lichtemission scheinbar als Sprung von oben nach unten im Termschema zu verstehen ist. UV-LEDs mit ihrer größeren Bandlücke benötigen also nicht nur Photonen größerer Energie/Frequenz um diese zu überwinden, sondern emittieren auch beim Sprung von Elektronen vom LB ins VB Photonen höherer Energie.
