Elektronik-Praktikum für Studierende der Physik (Analogteil) Versuch 3. Diodenkennlinien und Diodenschaltungen. Aufgaben

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1 Versuch 3 Diodenkennlinien und Diodenschaltungen Aufgaben Diodenkennlinien Aufnahme von Kennlinien verschiedener Diodentypen. Gleichrichterschaltungen Aufbau und Untersuchung einer Einweg-Gleichrichterschaltung mit und ohne Glättung. Aufbau und Untersuchung eines Brücken-Gleichrichters mit und ohne Glättung. Vorkenntnisse Aufbau und Funktion einer Diode p-n-übergang Kennlinien von Dioden Unterschied zwischen Germanium- und Siliziumdioden Schaltungen zum Gleichrichten einer Wechselspannung Literatur Physiklehrbücher, Abschnitte über Elektrodynamik K.-H. Rohe Elektronik für Physiker U. Tietze, Ch. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik Web-Ressourcen: Skripte Elektronik für Physiker, Naturwissenschaftler, Ingenieure usw. Themengebiet: Physikalische Grundlagen der Halbleiter-Bauelemente, Diodenschaltungen 1

2 1. Zielsetzung In diesem Versuch werden die Kennlinien verschiedener Dioden aufgenommen und miteinander verglichen. Dabei sollen unterschiedliche Diodentypen anhand ihrer Kennlinien analysiert und nach Möglichkeit identifiziert werden. Im zweiten Teil des Versuches wird das Gleichrichtverhalten von Dioden untersucht. Hierfür werden zunächst eine Einweg-Gleichrichterschaltung und schließlich ein Brücken- Gleichrichter aufgebaut. In beiden Fällen wird zusätzlich der Effekt der Glättung des Ausgangssignals durch Elektrolytkondensatoren unterschiedlicher Kapazität untersucht. 2. Vorkenntnisse Es wird vorausgesetzt und erwartet, dass folgende Themengebiete bekannt bzw. in Vorbereitung auf den Versuch wiederholt bzw. vertieft werden: Halbleiter p-n-übergänge. Aufbau und Funktionsweise einer Diode. Dioden-Kennlinien; charakteristische Größen wie Flußspannung und Durchbruchspannung. Verschiedene Diodentypen: Silizium-, Germanium-Dioden; Zener-Diode; Leuchtdiode (LED), Photodiode. Tunneldurchbruch bei Zener-Diode (Zener-Effekt). Gleichrichterschaltungen (Einweg- und Brückengleichrichter). Glättung mittels Kondensator parallel zum Lastwiderstand. In der Versuchsausarbeitung sind die oben genannten Themen auf jeden Fall in einem separaten Abschnitt über theoretische Grundlagen ausführlich zu behandeln. 2

3 3. Theorie Nachfolgend werden nur diejenigen Detailfragen zu den theoretischen Grundlagen des Versuches angesprochen, welche für die Formulierung der Aufgabenstellung unbedingt benötigt werden. Es bleibt daher seitens der Praktikumsteilnehmer unerlässlich, sich die erforderlichen theoretischen Grundlagen zum Versuch umfassend und eigenständig zu erarbeiten. Die bloße Abschrift des vorliegenden Kapitels im Theorieteil des Versuchsprotokolls ist weder erwünscht noch ausreichend Aufbau, Schaltzeichen und Gehäusebauform Die Halbleiterdiode ist ein nichtlineares elektronisches Bauelement. Sie besteht aus einem Halbleitermaterial der vierten Hauptgruppe (Silizium oder Germanium), welches in zwei Zonen mit unterschiedlicher Beimischung (Dotierung) von Fremdatomen eines dreiwertigen Elementes wie z.b. Aluminium, Bohr, Indium (man spricht von p-dotierung), sowie eines fünfwertigen Elements wie z.b. Phosphor, Arsen, Antimon (n-dotierung) aufgeteilt ist. An der Grenzschicht zwischen den unterschiedlich dotierten Zonen entsteht ein sogenannter Halbleiter p-n-übergang. Dieser hat die Eigenschaft, dass er den elektrischen Strom (fast) nur in eine Richtung leitet (siehe Kapitel 3.2). Abbildung 1 zeigt das Schaltsymbol der Diode, zusammen mit dem Prinzipaufbau und einer schematischen Darstellung einer häufig vorkommenden Gehäusebauform. p n + 1N Anode (A) + - Kathode (K) Abbildung 1 Schaltsymbol des Halbleiter p-n-übergangs als Diode (links) sowie Skizze einer gängigen Gehäusebauform mit Markierung der Kathode (rechts). Das Bauteil vom Typ 1N4001 kommt häufig zum Einsatz und wird auch im Rahmen dieses Versuchs mehrfach verwendet. Der mit dem p-dotierten Halbleiter verbundene Anschluss wird Anode und der mit dem n-dotierten Halbleiter verbundene Anschluss wird Kathode genannt. Diese Bezeichnungen stammen von der (älteren) Vakuumdiode. Die Form des Schaltzeichens (Pfeil bzw. Dreiecksspitze in Richtung Kathode) zeigt die technische Stromrichtung an, wenn die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird. Das Bauteil selbst wird zur Kennzeichnung der Durchlassrichtung mit einem Farbring oder Farbpunkt auf der Kathodenseite markiert. 3

4 3.2. Halbleiter p-n-übergänge Die vierwertigen Silizium- oder Germaniumatome des Dioden-Halbleitermaterials bilden Kristallgitter, wobei alle vier Valenzelektronen kovalente Bindungen mit den Nachbaratomen eingehen. Bei Zimmertemperatur reicht die thermische Energie vereinzelt aus, um Valenzelektronen aus ihrer Bindung zu lösen. Diese können als frei bewegliche Leitungselektronen zum Stromfluss durch den Halbleiter beitragen. Gleiches gilt für das positiv geladene Si- oder Ge-Gitterion (= Loch ), welches an der Stelle zurückbleibt, an welcher das Elektron frei geworden ist. Geht das freie Elektron eine Bindung an einer anderen Gitterstelle ein, spricht man von Rekombination. Die Leitfähigkeit von Halbleitern wird also von der begrenzten Verfügbarkeit freier Ladungsträger (Elektronen und Löcher) bestimmt. Durch die p- und n-dotierung von Halbleitern kann die Anzahl freier Ladungsträger erheblich erhöht werden. Bei fünfwertigen Fremdatomen ist das fünfte Valenzelektron im Gitter frei beweglich (n-halbleiter). Ebenso können sich die im p-halbleiter entstandenen Löcher fortbewegen. An der Grenzschicht zwischen n- und p-halbleiter diffundieren die freien Elektronen und rekombinieren mit den Löchern aus der p-schicht. Die p-n-grenzschicht wird dadurch elektrisch geladen. Diesen schmalen, geladenen Bereich zwischen beiden unterschiedlich dotierten Bereichen nennt man Raumladungszone. Aufgrund der Ladungstrennung baut sich eine Potentialschwelle auf ( Diffusionsspannung ) mit einem dazugehörigen elektrischen Feld, welches nach Erreichen eines Gleichgewichtszustands die weitere Diffusion von Ladungsträgern verhindert Diodenkennlinien in Durchlass- und Sperrrichtung In Durchlassrichtung schließt man eine externe Spannungsquelle so an, dass der Pluspol der Quelle mit dem p-halbleiter und der Minuspol mit dem n-halbleiter verbunden werden. Bei dieser Beschaltung werden die in der Raumladungszone jeweils fehlenden Ladungsträger permanent von der Quelle nachgeliefert und können in den benachbarten Bereich wieder eindiffundieren. Das äußere Potential der Quelle wirkt also der Diffusionsspannung entgegen, die Raumladungszone wird weitgehend abgebaut und es kann ein elektrischer Strom über die Diode fließen. In Sperrrichtung werden der Pluspol der Quelle mit dem n-halbleiter und der Minuspol mit dem p-halbleiter verbunden. Bei dieser Beschaltung wird durch das angelegte Potential der Quelle die Diffusionsspannung weiter erhöht, das elektrische Feld vergrößert und die Raumladungszone verbreitert. Die Diode sperrt. Die Diodenkennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen Diodenstrom und angelegter Diodenspannung. Wie man aus Abbildung 2 erkennt, hat die Diode ein ausgeprägtes nichtlineares verhalten, d.h. bei linearer Einteilung der Strom-Achse ist die Kennlinie stark gekrümmt. 4

5 I [ma] U [V] Abbildung 2 Kennlinie einer Si-Diode, berechnet nach der Shockley-Formel. Für beide Richtungen gilt in guter Näherung für die Strom-Spannungs-Kennlinie die Formel von Shockley: U AK I(U) = I S (T) e U T 1 = I S (T) e e 0 U AK kt 1 (1) Der exponentielle Kurvenverlauf rührt daher, dass die Potentialdifferenz an der Grenzschicht eine Verteilung der Energie der Leitungselektronen zur Folge hat, welche der Maxwell- Boltzmann-Statistik entspricht. Dieser Sachverhalt drückt sich in dem Faktor e e 0 U kt aus. Dabei ist e 0 die Elementarladung, k die Boltzmann-Konstante, I S (T) der temperaturabhängige Sperrstrom und U AK die in Durchlassrichtung positiv und in Sperrrichtung negativ angelegte Spannung an der Diode. Des Weiteren ist U T = kt e 0 die sogenannte Temperaturspannung. Bei T = 300 Kelvin ist U T = 26 mvolt, d.h. für angelegte Spannungen oberhalb von ca. 100 mv wird der Exponentialfaktor viel größer als 1, so dass man den Term 1 in der Shockley- Formel vernachlässigen kann. Für den Sperrstrom I S (T) setzt man I S (T) = I max /10 als typischen Wert an, wobei I max der Maximalstrom ist, welcher durch die Diode noch fließen darf (eine Überschreitung von I max könnte zu einer thermischen Zerstörung der Diode führen). Den dazugehörigen Spannungswert U S nennt man Schwellen-, Durchlass- oder Knickspannung. Das Wertepaar U S und I S charakterisiert demnach den sichtbaren Knick in der Diodenkennlinie, ab welchem der Strom in Durchlassrichtung stark anzusteigen beginnt. Charakteristische Werte für die Knickspannung sind U S 0,3 V für Germanium-Dioden und U S 0,7 V für Silizium-Dioden. Betreibt man die Diode in Sperrrichtung, so fließt ein relativ konstanter, niedriger Sperrstrom. Erhöht man die Sperrspannung über einen kritischen Wert U BR ( Durchbruchspannung ) hinaus, so steigt der Sperrstrom stark an. Man spricht vom Durchbruch der Diode. Bei diesem Vorgang kann die Diode ebenfalls zerstört werden. Es gibt zwei unterschiedliche Prozesse, welche zum Durchbruch führen können: Beim Lawineneffekt werden aufgrund der hohen Feldstärken Elektron-Loch-Paare erzeugt und beschleunigt, so dass diese ihrerseits weitere Elektron-Loch-Paare lawinenartig erzeugen. Beim Zener-Effekt können Elektronen direkt vom Valenz- ins Leitungsband tunneln. Zener-Dioden können daher zerstörungsfrei auch für längere Zeit bis zu einem Maximalstrom in Sperrrichtung betrieben werden (siehe nächstes Kapitel). 5

6 3.4. Verschiedene Diodentypen Silizium-Dioden werden insbesondere zum Gleichrichten von Wechselspannungen verwendet. Germanium-Dioden finden kaum noch Anwendung, weil sie einen viel weicheren Kennlinienknick im Vergleich zu Silizium-Dioden besitzen, welcher zudem schon bei der Knickspannung U S 0,3 V erfolgt. Schottky-Dioden basieren nicht auf den p-n-übergang, sondern auf einen Metall-Halbleiter Übergang als Majoritätsladungsträger. Sie haben dadurch den Vorteil, dass sie schneller zwischen Durchlass- und Sperrbetrieb geschaltet werden können. Zener-Dioden haben aufgrund der hohen Dotierung nur eine geringe Sperrschichtdicke. Sie lassen sich ohne Beschädigung auch in Sperrrichtung betreiben. Zener-Dioden können aufgrund ihrer Eigenschaften zur Stabilisierung und Begrenzung von Spannungen eingesetzt werden. Leuchtdioden (LED) bestehen meist aus einer Gallium-Verbindung, bei welcher die Elektronen beim Überqueren der Grenzschicht Energie in Form von Licht aussenden. Material und Dotierung beeinflussen die Frequenz des erzeugten Lichtes. Photodioden besitzen eine Leitfähigkeit, welche vom Lichteinfall abhängig ist. Trifft Licht auf die Photodiode, so werden zusätzliche Elektron-Loch-Paare erzeugt und somit Ladungsträger bereitgestellt Gleichrichterschaltungen Die einfachste Einweg-Gleichrichterschaltung besteht aus einer einzigen Diode, welche in Reihe mit einem Lastwiderstand R geschaltet und an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen wird (vgl. Abbildung 3). Der Lastwiderstand dient dabei nur zur Strombegrenzung, um die Diode vor thermischer Zerstörung zu schützen. Bei diesem Aufbau wird die positive Halbwelle des Eingangssignals an den Ausgang übertragen, während die negative Halbwelle von der Diode gesperrt wird. Man erhält eine pulsierende Gleichspannung. Da an der Diode selbst die Schwellen-Spannung U S (vgl. Kapitel 3.3) abfällt, ist das Ausgangssignal in Durchlassrichtung um genau diesen Betrag (0,7 V bzw. 0,3 V) kleiner als die Eingangsspannung. Der Brücken-Gleichrichter besteht aus vier Dioden, welche so angeordnet sind, dass beide Halbwellen der Eingangs-Wechselspannung U E ausgenutzt werden. Den Schaltungsaufbau zeigt Abbildung 4. Man kann sich die Funktionsweise dieser Schaltung klarmachen, indem man den Strompfad für beide Halbwellen verfolgt: Während der positiven Halbwelle von U E fließt der Strom I über zwei der vier Dioden und während der negativen Halbwelle leitet das andere Diodenpaar, wobei die Polarität der Ausgangsspannung U A erhalten bleibt. Durch Hinzufügen eines Glättungskondensators C parallel zum Lastwiderstand wird bei beiden Schaltungen erreicht, dass die Ausgangsspannung U A nicht auf 0 abfällt, sondern während des Abfallens der Eingangsspannung U E einen möglichst hohen Wert beibehält. Man 6

7 erhält demnach eine geglättete Spannung am Ausgang der Schaltung, welche im Idealfall zu einer Gleichspannung wird. Den verbleibenden Wechselspannungsanteil von U A nennt man Brummspannung. Die Glättung wird wie folgt erreicht: Der Kondensator C wird während des Anstiegs der Eingangsspannung bis auf den Maximalwert U A = U E U S im Falle des Einweg-Gleichrichters bzw. U A = U E 2 U S im Falle des Brücken-Gleichrichters aufgeladen. Während des Abfallens der Eingangsspannung U E entlädt sich der Kondensator über den Verbraucher R. Dabei fällt die Spannung am Kondensator exponentiell ab: U A (t) = U A,0 e t RC (2) Man muss die Kapazität des Glättkondensators groß genug wählen, so dass folgende Bedingung gilt: R C τ (3) Dabei ist ω = 2π τ die Kreisfrequenz des Eingangssignals. Da beim Brücken-Gleichrichter beide Halbwellen zur Verfügung stehen, verdoppelt sich in diesem Fall die Frequenz, so dass sich die Brummspannung um etwa die Hälfte reduzieren lässt. 7

8 4. Aufgaben 4.1. Diodenkennlinien Die erste Aufgabe besteht darin, die Kennlinien von ca. 5 verschiedenen Dioden mit dem Kennlinienschreiber (Curve Tracer HM6042 der Firma HAMEG Instruments) aufzunehmen. Die auszumessenden Dioden werden vor Beginn des Praktikums durchnummeriert (z.b. lfd. Nr. 1 bis 5). Die vergebenen Nummern müssen auch im Protokoll verwendet werden (z.b. als Legende bei der grafischen Darstellung), um die Dioden im Nachhinein eindeutig identifizieren zu können. Die meisten Dioden können direkt in die Anschlussbuchsen des Testadapters gesteckt werden. Die richtige Beschaltung in Durchlassrichtung ist wie folgt: C + - E Anode (A) Kathode (K) Es sind also die Anschlüsse C ( Collector ) und E ( Emitter ) zu verwenden. Die Nomenklatur richtet sich nach der Bezeichnung der Anschlüsse von Transistoren, deren Kennlinien ebenfalls mit dem Curve Tracer aufgenommen werden können. Ferner ist die Drucktaste BIP/FET in die Position FET zu bringen. Es handelt sich eigentlich um eine Taste zur Auswahl zwischen Bipolar- oder Feldeffekttransistoren. Im Falle von Dioden kann jedoch nur in der FET-Position gemessen werden. Achtung! Sollten bei einzelnen Dioden die Anschlussdrähte aufgrund ihrer Dicke nicht in die Adapteranschlüsse C und E passen, ist die Diode auf dem Steckbrett aufzubauen und die Verbindung zum Curve Tracer mittels langer Drähte aus dem Verdrahtungsset vorzunehmen. Ansonsten drohen die Dioden-Anschlüsse abzubrechen, wodurch die Anschlussbuchsen des Testadapters beschädigt werden! Zur Aufnahme der Diodenkennlinien sind der maximale Messstrom (Taste Imax ) sowie der Spannungsbereich (Taste Vmax ) geeignet zu wählen. Sinnvolle Einstellungen sind Imax = 200 ma und Vmax = 2 V oder 10 V, je nach Diode. Die maximale Messleistung (Taste Pmax ) kann u.u. vom Gerät selbst zurückgesetzt werden, um einzelne Dioden vor einer thermischen Beschädigung zu schützen. Mit der Cursor-Taste in Verbindung mit dem dazugehörigen Drehknopf können beliebige Punkte entlang der Kennlinie ausgewählt werden. Es sind Wertepaare U [V] und I [ma] aufzunehmen. Dabei ist zu beachten, dass insbesondere in der Umgebung der Knickspannung U S genügend Messpunkte aufgenommen werden. 8

9 Jede Diode ist auch in Sperrrichtung zu vermessen um zu überprüfen, ob ein Durchbruch zu beobachten ist. Anhand der Messergebnisse soll - soweit möglich der jeweilige Diodentyp identifiziert werden. Es kann z.b. aufgrund der Schwellspannung zwischen Silizium- (0,7 V) und Germaniumdioden (0,3 V) unterschieden werden. Außerdem kann die Zener-Diode anhand der beobachteten Durchbruchspannung in Sperrrichtung identifiziert werden. Alle Diodenkennlinien sind in eine gemeinsame Grafik einzutragen Gleichrichterschaltungen Einweg-Gleichrichter Als erstes wird das Gleichrichtverhalten einer einzelnen Diode ohne Glättungskondensator untersucht. Man baut die Schaltung gemäß Abbildung 3 auf. Als Diode verwendet man das Bauteil 1N4001. Als Lastwiderstand ist die im Gerätepult integrierte Widerstandskaskade zu verwenden (der Wert kann im Bereich 1 10 kω variiert werden). Ferner nimmt man als Wechselspannungsquelle 6 V (Effektivwert), ebenfalls aus dem Gerätepult. + - ; Abbildung 3 Einweg-Gleichrichterschaltung mit Glättung der Ausgangsspannung U A. Das Ausgangssignal U A ist am Oszilloskop, möglichst im direkten Vergleich mit dem Eingangssignal U E zu beobachten. Man überprüfe dabei das Gleichrichtverhalten der Diode. Die beobachteten Signalverläufe sind im Protokoll qualitativ zu skizzieren. Alternativ können auch Fotoaufnahmen vom Oszilloskopenbildschirm gemacht werden. Anschließend wird ein Glättungskondensator parallel zum Verbraucher geschaltet, wie in Abbildung 3 dargestellt. Hierfür sind nacheinander zwei verschiedene Elektrolytkondensatoren ( Elkos ) mit der Kapazität 1 µf bzw. 47 µf zu verwenden. Achtung! Bei den Elkos ist unbedingt auf die Polung zu achten! 9

10 Zusätzlich zur Kapazität kann die Größe des Verbraucherwiderstands (1 10 kω) variiert werden, so dass man insgesamt 20 verschiedene Werte für die charakteristische Zeitkonstante τ = R C einstellen kann. Man beobachte den Einfluss der Parameterwahl von τ = R C auf die Reduktion der Brummspannung und protokolliere die Beobachtungen ebenfalls in Form von Skizzen oder Fotoaufnahmen des Oszilloskopenbildschirms. Des Weiteren sind der Maximalwert der Ausgangsspannung U A sowie die Größe der Brummspannung U BR für verschiedene Werte von τ = R C am Oszilloskop abzulesen und zu protokollieren. Brücken-Gleichrichter Schließlich wird ein Brücken-Gleichrichter gemäß Abbildung 4 aufgebaut. Die Wahl der Parameter ist identisch mit der vorherigen Aufgabe, d.h. man verwendet vier baugleiche Dioden vom Typ 1N4001, baut die Schaltung mit und ohne Glättungskondensator auf (C = 1 µf bzw. 47 µf) und variiert den Lastwiderstand im Bereich 1 10 kω. Achtung! Beim Brücken-Gleichrichter können Ein- und Ausgang nicht gleichzeitig auf dem Oszilloskopenbildschirm angezeigt werden! Der Grund dafür ist, dass man einzelne Dioden über die (niederohmigen) Eingänge des Oszilloskops brücken würde, so dass diese aufgrund der hohen Ströme schon nach kürzester Zeit durchschmelzen würden. Es genügt daher, nur U A auf am Oszilloskop zu betrachten. + - Abbildung 4 Brücken-Gleichrichterschaltung mit Glättung der Ausgangsspannung U A. Die Aufgaben sind ebenfalls identisch mit den Aufgaben zum Einweg-Gleichrichter. Bei der Auswertung der Ergebnisse sollten die beobachteten Unterschiede zum Einweg- Gleichrichter hervorgehoben werden. 10