Versuch: Kennlinien von Widerständen und Halbleiterphysik

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1 Labor Physik und Grundlagen der Elektrotechnik Versuch: Kennlinien von Widerständen und Halbleiterphysik Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach Dipl.-Phys. Dipl.-Ing(FH) Frank Gölz Blankenbach / halbleiterphysik_eigeberwärmung.doc 1

2 Kennlinien von Widerständen und Wärmelehre Bei diesem Versuch lernen Sie verschiedene Temperaturabhängigkeiten von Widerständen kennen. Von großer praktischer Bedeutung ist die Auslegung von Kühlkörpern und der Einsatz von Lüftern. Sie müssen bei den Messungen immer das thermische Gleichgewicht 'abwarten'! Stichworte zur Vorbereitung: - Temperaturabhängige Widerstände - Wärmelehre - Kühlkörper und Luftströmung Versuchsablauf: Eigenerwärmung Messen Sie Strom und Spannung von einem 'normalen' Widerstand, dem NTC und dem PTC. Diese sind in einem Gehäuse untergebracht und nicht gekennzeichnet. Identifizieren Sie anhand der zu messenden Kennlinie die Bauteile. Sie sollten ca. 15 Meßwerte pro Widerstand notieren (im interessanten Bereich kleinerer Abstand). Hierzu schließen Sie die Widerstände über ein Amperemeter an die Stromversorgung an, deren Ausgangsspannung Sie ebenfalls mit einem Multimeter messen. Damit bei höheren Spannungen keine Zerstörung der Bauteile eintritt, müssen Sie fortlaufen die Verlustleistung berechnen. Bei ca. 100 mw ist die Stromversorgung sofort zu unterbrechen Sie werden feststellen, das bei konstanter Spannung, der Strom sich mit der Zeit ändert. Sie müssen warten, bis die Messung jeweils im Sättigungsbereich (Thermisches Gleichgewicht) liegt. Achtung: Leistung fortlaufend ermitteln, P max = 0,1W!! Blankenbach / halbleiterphysik_eigeberwärmung.doc 2

3 Halbleiterphysik Der Versuch behandelt grundlegende Halbleitereigenschaften am Beispiel von Germanium. Aus den Messungen wird der Bandabstand bestimmt. Stichworte zur Vorbereitung: - Halbleiter - Theorie - Bändermodell - Dotierung Versuchsablauf: 1.Eichung des IR-Temperatursensors Der IR-Temperatursensor von FLUKE für Multimeter-Anschluß ist auf schwarze Emissionsflächen geeicht. Da der Germanium - Kristall aber silbern glänzt, muß zuerst eine Temperatureichung durchgeführt werden. Verwenden Sie hierzu den bereitliegenden Hochlast-Widerstand, und bringen Sie diesen in thermischen Kontakt mit dem Multimeter- Temperaturfühler. Messen Sie beide Temperaturen bei Zimmertemperatur. Dann schließen Sie den Widerstand an die Stromversorgung an und steigern die Stromstärke in ca. 5 Schritten bis auf 100 C. Sie müssen allerdings nach jeder Stromänderung warten, bis das System wieder im thermischen Gleichgewicht ist (ca. 2 min.). Blankenbach / halbleiterphysik_eigeberwärmung.doc 3

4 Sie erhalten dann eine Eichtabelle für die Auswertung (zu Hause). Fitten Sie die Messpunkte an eine geeignete Kurve und geben deren Gleichung im Ergebnisprotokoll an. Für die weiteren Messungen genügt es, die abgelesenen IR-Werte zu erfassen. 2.Messung des Bandabstandes Achtung: Der HL-Kristall ist sehr empfindlich, nicht berühren oder Trägerplatte mechanisch beanspruchen! Bauen Sie den Versuch wie in der Beschreibung angegeben auf. Die eigentliche Messung weicht jedoch etwas von den Beschreibungen ab: Beginnen Sie die Messung der Leitfähigkeit bei Zimmertemperatur. Steigern Sie dann die Temperatur durch Anlegen einer Heizspannung in 10 Stufen von ca. 30 C bis 120 C (Spannung T). Überwachen Sie die Temperatur mit dem IR-Fühler. Bevor Sie Spannung, Strom und Temperatur notieren, muß das System im thermischen Gleichgewicht sein - die gemessene Temperatur auf der Kristalloberfläche bleibt ca. 30 s auf ± 0,5 C konstant. Bei der höchsten erreichbaren Temperatur (limitiert durch die Stromversorgung der Heizwicklung) warten Sie ca. 60 s. Bestimmen Sie die Meßparameter und schalten Sie den Heizstrom ab. Während des langsamen Abkühlens führen Sie ca. 20 Messungen durch (einer für die Temperatur - der andere für den Strom und die Spannung). Prüfen Sie bei der Auswertung, ob Sie Hystereseeffekte gemessen haben, falls ja, warum. Blankenbach / halbleiterphysik_eigeberwärmung.doc 4

5 Anhang: Blankenbach / halbleiterphysik_eigeberwärmung.doc 5

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