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Elektrochemische und elektronische Grundlagen zur Sensorik

Leitfähigkeit in Festkörpern

In Festkörpern liegen unterschiedliche Leitfähigkeiten vor. Hier können sowohl Elektronen und Löcher als auch Ionen zur Leitfähigkeit beitragen.

Elektronen- und Löcherleitung

Die unterschiedliche Leitfähigkeit von Metallen, Halbleitern und Isolatoren lässt sich durch das Bändermodell erklären. Halbleiterstrukturen können als Transducer zur Miniaturisierung (Feldeffekttransistoren) und als sensitive Schichten eingesetzt werden. Dabei ändert sich die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der zu messenden Konzentration.

Ionenleitung

Die Ionenleitung im Festkörper wird durch Defekte im Gitter ermöglicht. Sind keine Defekte vorhanden, liegt also ein idealer Kristall vor, tritt keine Leitfähigkeit auf. Kristalldefekte (Punktfehlstellen) sind eine thermodynamische Größe. Bei Raumtemperatur liegen deshalb keine idealen Kristalle vor.

Das Ion wandert auf die Zwischengitterplätze. Dadurch entsteht ein neuer Defekt. Es wandern also Defekte im Kristallgitter. Diese Transportvorgänge können nur bei hohen Temperaturen stattfinden, da nur dann die Konzentration von Fehlstellen und die thermische Energie der Ionen groß genug sind, um Leitfähigkeit zu erzeugen. Die Sensoren müssen geheizt werden.

Der wohl bekannteste auf Ionenleitung basierende Sensor ist die λ-Sonde. Große technische Bedeutung haben Rauchgassensoren auf der Basis von Ionenleitern.

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