Versuchsprotokoll. Diodenkennlinien und Diodenschaltungen. Dennis S. Weiß & Christian Niederhöfer. SS 98 / Platz 1. zu Versuch 2

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1 Dienstag, SS 98 / Platz 1 Dennis S. Weiß & Christian Niederhöfer Versuchsprotokoll (Elektronik-Praktikum) zu Versuch 2 Diodenkennlinien und Diodenschaltungen 1

2 Inhaltsverzeichnis 1 Problemstellung 3 2 Physikalische Grundlagen Dotierte Halbleiter Halbleiterübergangsschichten Die Tunneldiode weitere Anwendungen Theorie von Shockley Schaltbilder Aufnahme von Durchlaß- und Sperrkennlinien Versuchsaufbau Messung Gleichrichterschaltungen Einweggleichrichter Zweiweggleichrichter Brückengleichrichter stabilisierte Gleichspannung mittels einer Zener-Dioden-Schaltung Heruntersetzen der Transformatorspannung Belastung der Schaltung Anhang 9 2

3 1 Problemstellung Über das öffentliche Stromnetz ist Wechselstrom praktisch überall verfügbar. Es gibt jedoch viele Geräte. die Gleichstrom benötigen. Solche Geräte besitzen ein sogenanntes Netzteil, welches einen Transformator und einen Gleichrichter enthält. Das wesentliche Bauteil in einem Gleichrichter ist eine sogenannte Diode. 2 Physikalische Grundlagen Die ersten Dioden wurden im Jahre 1904 von John Fleming entwickelt. Es handelte sich um Vakuumröhren mit zwei wichtigen Elementen, einer Kathode, die Elektronen emittiert, und einer Anode, die die emittierten Elektronen auffängt. Die wichtigste Eigenschaft einer Diode besteht darin, daß sie den elektrischen Strom nur in einer Richtung leitet. Heutzutage werden nahezu ausschließlich Halbleiterdioden eingesetzt. 2.1 Dotierte Halbleiter Die technisch angewandten Halbleiter sind sogenannte dotierte Halbleiter oder auch Störstellenhalbleiter. Bei diesen wird der Grundsubstanz, meist Silizium, ein geringer Anteil bestimmter Fremdatome zugesetzt. Diesen Prozeß nennt man Dotierung. Man kann z. B. einige Siliziumatome durch Arsenatome ersetzen. Arsen hat fünf Valenzelektronen, also eines mehr als Silizium. Vier der fünf Arsenelektronen nehmen an den kovalenten Bindungen zu den vier benachbarten Siliziumatomen teil. Das fünfte Elektron ist jedoch nur sehr schwach an das Arsenatom gebunden. Der geringe Anteil an Arsenatomen führt im Silizium zu einigen diskreten Energieniveaus dicht unterhalb des Leitungsbandes. Die Elektronen in diesen Niveaus können also sehr leicht in das Leitungsband angeregt werden, so daß sie zur elektrischen Leitfähigkeit beitragen. Diese Zustände nennt man Donator-Niveaus, weil sie Elektronen an das Leitungsband abgeben. Diesen Halbleitertyp nennt negativen Halbleiter oder n-halbleiter, weil fast alle Ladungsträger negativ sind. Ein anderer Halbleitertyp entsteht, wenn die Fremdatome, etwa Gallium, ein Valenzelektron weniger haben als die Grundsubstanz, etwa Silizium. Mit drei benachbarten Siliziumatomen bildet das Galliumatom kovalente Bindungen aus, und das fehlende vierte Elektron wird durch ein Elektron des Valenzbandes ersetzt, das dadurch ein Loch erhält. Die dicht über dem Valenzband liegenden Niveaus sind leer, weil die Galliumatome ein Valenzelektron zu wenig haben. Diese Niveaus nennt man Akzeptor-Niveaus, da sie Elektronen aus dem gefüllten Valenzband aufnehmen. Die dadurch im Valenzband entstehenden Löcher verhalten sich dann wie positive Ladungsträger. Deshalb spricht man hier von einem positiven Halbleiter oder p-halbleiter. 2.2 Halbleiterübergangsschichten In den technisch gebräuchlichen Halbleiterbauelementen, etwa Dioden, sind n- und p-halbleiter miteinander kombiniert. Meist wird hierfür ein Siliziumkristall auf einer Seite mit einem Donator dotiert und auf der anderen Seite mit einem Akzeptor. Dazwischen befindet sich die sogenannte Übergangszone. Wenn ein n- und ein p-halbleiter miteinander in Kontakt stehen, so gleichen sich die unterschiedlichen Konzentrationen von Elektronen und Löchern in beiden Gebieten aus, indem Elektronen solange 3

4 vom n- in das p-gebiet diffundieren (und Löcher in umgekehrter Richtung), bis sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat. Insgesamt wird also positive Ladung vom p- zum n-gebiet transportiert. Anders als bei Metallen, die Kontakt miteinander haben, können sich die Elektronen hier nicht weit von der Grenzfläche entfernen. Also bildet sich am Übergang zwischen p- und n-gebiet eine Ladungsdoppelschicht, vergleichbar mit einem Plattenkondensator. Durch die Ladungstrennung entsteht eine Potentialdifferenz, die den weiteren Ladungsfluß verhindert. Im Gleichgewicht hat die n-seite aufgrund ihrer positiven Nettoladung ein höheres Potential als die p-seite mit ihrer negativen Nettoladung. Im Übergangsbereich befinden jetzt nur wenige Ladungsträger, so daß er einen hohen Widerstand hat. Den Übergangsbereich nennt man auch ladungsarme Zone. Ein Halbleiter mit pn-übergang läßt sich als einfacher Diodengleichrichter verwenden. Wenn der positive Pol einer Spannungsquelle mit der p-seite des Übergangs verbunden ist, dann ist die Diode in Durchlaßrichtung geschaltet. Diese Art der Schaltung verringert die Potentialdifferenz im Übergangsbereich. Die Diffusion der Elektronen und der Löcher wird hierbei stärker (und zwar aufgrund des Bestrebens, den gleichgewichstzustand wiederherzustellen), so daß ein Strom resultiert. Wenn der aber der positive Pol der Spannungsquelle mit der n-seite des Übergangs verbunden ist, dann ist die Diode in Sperrichtung geschaltet. Hierbei wird die Potentialdifferenz in der ladungsarmen Zone erhöht und die Diffusion der Ladungsträger unterdrückt.der Übergang leitet nur in einer Richtung. I Durchlaßrichtung Sperrichtung Abbildung 1: Strom-Spannungs-Kennlinie Der Abbildung entnehmen wir, daß in Sperrichtung über einen weiten Spannungsbereich nur ein sehr kleiner Strom fließt. Wird jedoch eine hohe Spannung in Sperrichtung angelegt, nimmt der Strom stark zu. Der Grund dafür ist, daß bei einem starken elektrischen Feld Elektronen aus den atomaren Bindungen herausgerissen und durch den Übergangsbereich hindurch beschleunigt werden. Diese Elektronen lösen ihrerseits Elektronen durch Stoßionisation ab, und es kommt zum sogenannten Lawinendurchschlag. Dieser Effekt wird in den sogenannten Z-Dioden (früher: Zener-Dioden) ausgenutzt: sie werden zur Spannungsstabilisierung benutzt. 2.3 Die Tunneldiode Ein interessanter Effekt entsteht wenn beide Seiten eines pn-übergangs so stark dotiert sind, daß die Donatoren auf der n-seite so viele Elektronen liefern, daß der untere Teil des Leitungsbandes gefüllt ist, und die Akzeptoren auf der p-seite so viele Elektronen aufnehmen, daß der obere Teil des Valenzbandes nahezu leer ist. Da der Übergangsbereich hier sehr schmal ist, können Elektronen in die verbotene Zone leicht durchtunneln. Dieser Elektronenfluß wird Tunnelstrom genannt, und eine solche Diode nennt man daher Tunneldiode. Im Gleichgewicht, also ohne angelegte Spannung fließt in beide Richtungen ein gleich großer Tunnelstrom. Wird eine kleine Vorspannung an den Übergang angelegt, so wird der Tunnelstrom der 4

5 I A B Abbildung 2: Strom-Spannungs-Kennlinie einer Tunneldiode Elektronen von der n-seite zur p-seite größer, während er in Gegenrichtung abnimmt. Dieser Tunnelstrom ergibt, gemeinsam mit dem normalen Diffusionsstrom, einen beträchtlichen Gesamtstrom. Wird die Vorspannung etwas erhöht, dann wird der Tunnelstrom kleiner. Obwohl er Diffusionstrom ansteigt, nimmt der Gesamtstrom ab. Bei sehr hoher Vorspannung ist der Tunnelstrom vernachlässigbar, und der Gesamtstrom nimmt mit steigender Vorspannung zu, und zwar aufgrund der Diffusion, wie bei einem gewöhnlichen pn-übergang. 2.4 weitere Anwendungen Eine weitere Anwendung von pn-halbleitern ist die Solarzelle, die in diesem Versuch aber nicht näher untersucht werden soll, und die sogenannten Oberflächensperrschicht-Zähler. Leuchtdioden (LEDs, Lumineszenzdioden) sind pn-übergänge, an die eine hohe Spannung in Durchlaßrichtung angelegt wird. Daraus resultieren große Überschüsse von Elektronen auf der p- Seite und von Löchern auf der n-seite des Übergangs. Wird ein elektrisches Feld angelegt, bewegen sich Elektronen und Löcher aufeinander zu und rekombinieren. Dabei wird Licht emittiert, dessen Farbe vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängt. Es handelt sich dabei um die mkehrung des Vorgangs, der in der Solarzelle abläuft. 2.5 Theorie von Shockley Nach der Theorie von W. Shockley ist der Verlauf der Kennlinie gegeben durch: I = I Sp (T ) e AK T ; 1 (1) wobei I Sp der temperaturabhängige Sperrstrom ist, der bei (nicht zu großer) in Sperrichtung angelegter Spannung noch fließt. AK ist die an der Diode gemessene Spannung. T = kt e ist die sogenannte Temperaturspannung. Die Diodenformel berücksichtigt nicht den Spannungsabfall am Ohmschen Widerstand des Halbleitermaterials. 2.6 Schaltbilder Abbildung 3: Schaltbild einer Diode, Zener-Diode (v. l.) 5

6 3 Aufnahme von Durchlaß- und Sperrkennlinien 3.1 Versuchsaufbau Zu ntersuchung stehen folgende Dioden zur Verfügung: 1. Netzgleichrichterdiode 1N Germanium-Golddraht-Diode OA5 bzw. OA9 3. HF-Gleichrichter-Diode (Si) ähnlich 1N Lumineszenz-Diode rot 5. Lumineszenz-Diode gelb 6. Lumineszenz-Diode grün 7. Lumineszenz-Diode blau 8. Zener-Diode Intermetall Z6 bis Z8 9. Schottky-Diode HP Tunnel-Diode TFK AE 100 oder 1N Messung Zur Darstellung der Diodenkennlinien auf dem Oszillographen wird ein Kennlinienschreiber benutzt. Skizze siehe Anhang. Die Knickspannung S, ab der sich die Kennlinie fast linear verhält, kann für einen definierten Stromwert angegeben werden. Wie man dem Graph entnehmen kann, ist die Knickspannung bei allen Dioden (außer der Tunneldiode) bei I = 2mA bereits erreicht: T und I Sp sollen aus der Diode Knickspannung Diode Knickspannung 1 S =0 64 V 6 S =2 05 V 2 S =0 46 V 7 S =2 75 V 3 S =0 66 V 8 S =0 77 V 4 S =1 51 V 9 S =0 33 V 5 S =1 8V 10 Tabelle 1: Knickspannung Shockleyschen Diodenformel (1) bestimmt werden. Nach Berechnung von T = 2; 1 ln I 2 ;ln I 1 kann der Sperrstrom direkt durch ; 1 I Sp = I 1 e T bestimmt werden: Im Kennlinienfeld läßt sich T am differentiellen Widerstand im Durchlaßbereich ablesen. Wegen 1 r i = di 1 AK I = I Sp e T = d AK T T 6

7 Diode Temperaturspannung Sperrstrom 2 T =0 259 V I Sp =338A 3 T =57mV I Sp =18nA Tabelle 2: Temperaturspannung & Sperrstrom Abbildung 4: Temperaturspannung gilt T I r i. Die Temperaturspannung läßt sich also über ein Steigungsdreieck an der Kennlinie bestimmen.die Durchbruchspannung oder auch Zenerspannung wird gemessen. Dazu legt man eine Spannung an die Diode so an, daß sie in Sperrichtung geschaltet ist. Nicht aller Dioden haben eine Zenerspannung unter 40 V. Diode Zenerspannung 4 Z =19V 5 Z =26V 8 Z =8V Tabelle 3: Zenerspannung 4 Gleichrichterschaltungen Als Eingangssignal wird die sinusförmige Wechselspannung des Netztransformators verwendet. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen drei verschiedenen Gleichrichterschaltungen, wobei der Zweiweggleichrichter in diesem Versuch nicht näher betrachtet werden soll. Skizze siehe Anhang.Der gleichgerichteten Wechselspannung bleibt ungeregelten Lastzustand eine Wechselspannung überlagert, die durch das Entladen des Ladekondensators entsteht. Diese bezeichnet man als Brummspannung. 4.1 Einweggleichrichter Der Einweggleichrichter besitzt lediglich eine Diode, läßt also immer nur eine Halbwelle der angelegten Wechselspannung passieren. Mit Kondensator, aber ohne einen Lastwiderstand lädt sich der Kondensator auf und es liegt eine Gleichspannung an. Schaltet man einen Lastwiderstand ein, so 7

8 Abbildung 5: Einweggleichrichter, Zweiweggleichrichter, Brückengleichrichter (v. l.) entlädt dieser den Kondensator. Die Güte dieser Gleichspannung ist abhängig von der Größe des Kondensators. 4.2 Zweiweggleichrichter Der Zweiweggleichrichter verhält sich wie der Brückengleichrichter, benötigt aber einen Mittelabgriff am Transformator. Deshalb muß der Transformator bei gleicher Leistung die doppelte Windungszahl haben, was u.. sehr teuer sein kann. Bei den heutigen Preisen von Dioden ist der Einsatz eines Brückengleichrichters effizienter. 4.3 Brückengleichrichter Der Brückengleichrichter läßt beide Halbwellen der angelegten Wechselspannung passieren. Mit Kondensator, aber ohne einen Lastwiderstand lädt sich der Kondensator auf und es liegt eine Gleichspannung an. Schaltet man einen Lastwiderstand ein, so entlädt dieser den Kondensator. Die Güte dieser Gleichspannung ist hier nicht so stark von der Größe des Kondensators abhängig, wie beim Einweggleichrichter, da eine zusätzliche Halbwelle zur Verfügung steht. Eine weitere Skizze zeigt den Verlauf der Brummspannung gegenüber der Gleichspannung, die der Schaltung entnommen werden kann. Mit steigender Belastung überwiegt die Brummspannung recht schnell die Ausgangsgleichspannung. 4.4 stabilisierte Gleichspannung mittels einer Zener-Dioden-Schaltung m dem Problem der Brummspannung zu entgehen verwendet man ein geregeltes Netzteil. Abbildung 6: Zener-Dioden-Schaltung 8

9 Der Netztrafo liefert eine Spannung von ef f = 12 6 V, was einer Amplitude von b p = V 17 8 V entspricht. An der Zener-Diode fällt eine Spannung von Z = 8V ab, so daß am Widerstand eine Spannung von = 9 8 V abfällt. Bei einem Vorwiderstand von R V = 47 fließt also ein maximaler Strom von I R = R = 208 V ma. Dieser Wert liegt unter dem zulässigen Maximalstrom von 220 ma Heruntersetzen der Transformatorspannung Beim Anlegen einer Transformatorspannung von ef f = 12 6 V liefert die Schaltung eine stabile Gleichspannung, da die Zener-Diode zu jedem Zeitpunkt geöffnet ist. Auch ein Heruntersetzen auf ef f = 8 6 V ändert daran nichts, da die angelegte Spannung zu jedem Zeitpunkt größer als die Durchbruchspannung der Diode ist Belastung der Schaltung Wird ein Lastwiderstand eingeschaltet, so fällt ein Teil der Spannung nicht mehr an der Diode ab, sondern am Lastwiderstand. Bei einer Transformatorspannung von ef f =12 6Vfällt noch genügend Spannung an der Diode ab, so daß diese geöffnet bleibt. Beim Absenken der Transformatorspannung auf ef f = 8 6 V war dies nicht mehr der Fall, so daß die Diode gesperrt hat und somit die ganze Stabilisierung zusammengebrochen ist. 5 Anhang 1 Abbildungsverzeichnis 1 Strom-Spannungs-Kennlinie Strom-Spannungs-Kennlinie einer Tunneldiode Schaltbild einer Diode, Zener-Diode (v. l.) Temperaturspannung Einweggleichrichter, Zweiweggleichrichter, Brückengleichrichter (v. l.) Zener-Dioden-Schaltung Tabellenverzeichnis 1 Knickspannung Temperaturspannung & Sperrstrom Zenerspannung ich wollte schon immer mal die Tricks von L A TEX2 " ausprobieren... 9