Arbeitsblatt: U-I-Kennlinien von Dioden

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1 Arbeitsblatt: U-I-Kennlinien von Dioden Mit dem folgenden Versuch soll die U-I-Kennlinie von Dioden (Si-Diode, Leuchtdiode, Infrarot-Diode (IR-Diode) aufgenommen werden. Aus der Kennlinie der IR-Diode können später die Betriebsdaten für den Bau der IR-Lampe gewonnen werden. Schaltskizze: Messung: Wir messen die Stromstärke durch die IR-Diode in Abhängigkeit von der Spannung, die über der IR-Diode abfällt. 1. Wähle vor Beginn der Messreihe einen geeigneten Messbereich für die Stromstärke, damit sie ohne Wechsel des Messbereichs für Spannungen von 0V 1,4V gemessen werden kann! 2. Skizziere den Verlauf der U/I-Kennlinie der IR-Diode! 3. Was kannst du daraus schließen? U in V I in ma

2 U-I-Kennlinie der IR-Diode 4. IR-Diode: Erhöhe bei der IR-Diode solange die Spannung, bis die Stromstärke den Wert 100mA annimmt. Gib den Wert der zugehörigen Spannung an! U =... I = 100mA

3 Lösung U in V 0,00 0,34 0,80 1,20 1,27 1,3 1,32 1,33 I in ma 0,00 0,00 0,00 0,23 2,42 5,16 9,66 13, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 Der Verlauf bei Halbleiter Dioden ist immer ähnlich! Und der Verlauf kann wie folgt abgekürzt werden und verglichen werden: Si-Diode(0,6 V) IR-Diode(1,3 V) LED-Diode(1,6 V) IR-Diode: U = 1,6V I = 100mA

4 Der pn-übergang Eine pn-schicht verhält sich im übertragenen Sinne wie eine intaktes Luftventil. Der Durchfluss ist nur in eine Richtung gewährleistet. In die entgegen liegende Richtung sperrt es. Daher spricht man beim pn Übergang auch von einem Ventilcharakter. Die beiden Halbleiter im vereinfachten System: Vereinfacht kann man beim n-halbleiter davon ausgehen, dass sich enthaltene Elektronen frei auf einer positiven geladenen ortsfesten Fläche bewegen. Der p-hableiter besteht aus einem ortsfesten negativ geladenen Untergrund, auf dem sich positiv geladene Löcher frei bewegen. Bringt man nun einen p-halbleiter und einen n-halbleiter in Kontakt, so treten freie Elektronen aus dem n-gebiet in das p-gebiet und auch Löcher aus dem p-gebiet in das ngebiet. Es kommt an der Grenzschicht der Materialien zu Rekombinationen Elektronen füllen Löcher auf und neutralisieren sich so - und somit zum Verschwinden der beweglichen Ladungsträger im Grenzgebiet. Nahe der Kontaktzone bleiben im n-halbleiter die ortsfesten positiven und im p-halbleiter die ortsfesten negativen Ladungen zurück. Diese festsitzenden Ladungen verhindern, dass sich nicht sämtliche Elektronen der n-zone mit allen Löchern der p-zone neutralisieren. Die festsitzenden Ladungen einer Zone stoßen die beweglichen Ladungen der anderen Zone ab. Auf diese Weise bildet sich in der Grenzschicht eine von beweglichen Ladungsträgern freie Zone aus, die sogenannte Raumladungszone. Dadurch ist die Grenzschicht ohne äußere elektrische Beschaltung nicht leitend. Sperrrichtung Wird der Pluspol der Stromquelle an die n-schicht angeschlossen, so fließt kein Strom: Polung in Sperrrichtung Die n-schicht ist mit dem positiven Pol einer Quelle verbunden, die pschicht mit dem negativen Pol der Quelle. In der n-schicht wirken nun auf die freien Elektronen elektrische Feldkräfte Richtung Pluspol. Statt in den Löchern des p-kristalls zu rekombinieren, werden sie nun zum positiven Pol der Quelle hin "abgesaugt". Umgekehrt kommen Elektronen vom negativen Pol der Quelle und besetzen die "Löcher" in der pschicht. Alle Bindungen sind nun wieder besetzt. In der p-schicht gibt es aber keine freien Löcher, die weitere Elektronen besetzen könnten. Der pn-übergang sperrt.

5 Polung in Durchlassrichtung Wird der Pluspol der Spannungsquelle an die p-schicht angeschlossen, so fließt Strom: Polung in Durchlassrichtung Die n-schicht ist mit dem negativen Pol der Quelle verbunden und die p-schicht mit dem positiven Pol. Die freien Elektronen in der nschicht werden durch die elektrischen Feldkräfte in Richtung der Löcher in der p-schicht oder auch weiter zum positiven Pol der Quelle gezogen. Durch die elektrischen Feldkräfte werden auch weitere Löcher in p-schicht dadurch erzeugt, dass Bindungen aufreißen und die Bindungselektronen zum positiven Pol abgesaugt werden. Weitere Elektronen, die vom negativen Pol der Quelle über die n-schicht kommen, können diese besetzen. Insgesamt wandern Elektronen vom negativen zum positiven Pol der Quelle und Löcher in umgekehrter Richtung vom positiven Pol zum negativen Pol. Der pn Übergang leitet.

6 Zusammenspiel IR-Diode und C-MOS-Kamera Empfindlichkeit der Kamera im IR-Bereich: Relative Strahlungsintensität der IR-Diode Im Bereich 880nm hat die CMOS-Kamera eine gute Empfindlichkeit.

7 Schaltbilder für die IR-Leuchte

8 Berechnung der Leistung von Kamera und IR-Dioden Betriebsdaten IR-Diode: U=1,6V; I=100mA; P = 0,16W Netzgerät: U=9V; I=0,6A --> Leistung P = 5,4W (P = U * I) Da die Dioden in einer Parallelschaltung angeordnet sind, ergeben sich folgende Werte für die Leistung: Ein Strang mit 5 Dioden: P5_Dioden = 5 * 0,16W = 0,8 W --> P4_Stränge = 0,8 W x 4 = 3,2 W Leistungsaufnahme der Kamera: U=9V; I = 0,18A; --> P = 0,162W > Leistungen insgesamt: Pgesamt = 3,2 W + 0,2 W = 3,4 W Berechnung des Vorwiderstands Netzgerät: U = 9V Betriebsdaten IR-Diode: U=1,6V; I=100mA U5_Dioden = 5 * 1,6V = 8V Für den Widerstand gilt: UR = 9V - 8V = 1V IR = 100mA R= U 1V = =10 I 0,1 A Bild1: Platine Bild2: IR-Leuchte mit CMOSKamera in der Mitte

4. Dioden Der pn-übergang

4. Dioden Der pn-übergang 4.1. Der pn-übergang Die Diode ist ein Halbleiterbauelement mit zwei Anschlüssen: Eine Diode besteht aus einem Halbleiterkristall, der auf der einen Seite p- und auf der anderen Seite n-dotiert ist. Die

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