Halbleiterbauelemente

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1 Halbleiterbauelemente Martin Adam 9. November 2005 Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsbeschreibung Ziel Aufgaben Vorbetrachtungen 3 3 Durchführung Untersuchung des Schaltverhaltens Untersuchung einer Gleichrichterschaltung Auswertung Schaltverhalten Untersuchung Gleichrichterschaltung

2 1 Versuchsbeschreibung 1.1 Ziel Bestimmung der statischen und dynamischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen. Untersuchung von Gleichrichterschaltungen. 1.2 Aufgaben 1. Untersuchung des Schaltverhaltens. Bestimmen Sie die Sperrverzögerungszeit einer Leistungsdiode in Abhängigkeit a) vom Durchlassstrom und b) vom Sperrstrom 2. Untersuchung einer Gleichrichterschaltung. Oszillografieren Sie in den Schaltungen entsprechend Abbildung 1a) und 1b) den Ausgangsstrom, den Kondensatorstrom und den Diodenstrom bei R L = 1kΩ und U e = 6V/50Hz. Bestimmen Sie den Stromflusswinkel. 3. Oszillografieren Sie die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltungen entsprechend Abbildung 1a), b) und c) sowie Abbildung 2 bei U e = 6V/50Hz. 2

3 2 Vorbetrachtungen Dioden sind Baulelemente, die den Strom bevorzugt in einer Richtung fließen lassen, sie sind Halbleiter. Sie bestehen unter anderem aus einer Anode A und einer Kathode K. Legt man eine Spannung U AK > 0 an, wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben, hingegen bei U AK < 0 in Sperrrichtung; es fließt kein Strom. Der maximale Sperrstrom ist im Allgemeinen einige Zehnerpotenzen kleiner als der maximal zulässige Durchlassstrom. Dieses Verhalten wird in der Abbildung 1 veranschaulicht, sie wird auch die Kennlinie I = I(U AK ) genannt. Abbildung 1: Kennlinie Es ist zu erkennen, dass schon bei kleinen Spannungen der Durchlassstrom auf hohe Werte ansteigt. Dieser darf einen bestimmten Wert I max nicht überschreiten, da sonst die Diode thermisch zerstört wird. Weiterhin ist die Sperrspannung sehr hoch gegenüber der Durchlassspannung bevor in Sperrrichtung ein Strom fließt. Beim dynamischen Betrieb mit Rechteck- und Impulsspannungen zeigen Halbleiterdioden eine gewisse Schaltträgheit. Das bedeutet, dass mit dem Wechsel der Steuerspannung von Durchlass- in Sperrrichtung dieser Zustand der Diode verzögert eintrifft. Es vergeht also eine endliche Ausräum- oder Sperrerholzeit t s bis der PN-Übergang unter dem Einfluss der Sperrspannung von Ladungsträgern geräumt ist. Wenn ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband überwechselt, hinterlässt es im Valenzband eine Fehlstelle, ein Loch. Dieses Loch wird höchstwahrscheinlich durch ein anderes benachbartes Valenzelektron aufgefüllt. Dieses Nachbarvalenzelektron hinterlässt wiederum ein Loch und wird aufgefüllt. Somit kann das Loch durch den Kristall diffundieren. Ist eine Spannung angelegt, driften Löcher und Elektronen in entgegengesetzter Richtung. Die Bewegung der Löcher kann formal als Bewegung positiver Ladung p = +e angesehen werden. In reinen Halbleitern findet der Ladungstransport also durch frei bewegliche Elektronen und durch frei bewegliche Löcher statt; N- und P-Leitung. [n] ist die Anzahldichte der e und [p] die der Löcher [n] = [p]. 3

4 Man kann nun durch Dotierungen anderswertiger Atome einen Kritall zum N- oder P-Leiter machen. Grenzen in einem Kritall eine P- und eine N-leitende Zone aufeinander, so diffundieren freie Elektronen in Richtung ihres Konzentrationsgefälles aus dem N-leitenden in den P-leitenden Teil, umgekehrt Löcher von P nach N. Die Folge dieses Diffusionsstromes I diff über den PN-Übergang ist, dass die N-Zone an negativen Ladungen verliert und somit ein positiver Überschuss zurückbleibt. Ebenso bildet sich in der P-Zone eine negative Raumladung aus. Es entsteht somit eine Diffusionsspannung U diff. Legt man eine Spannung U an den Kristall mit dem negativen Pol an der P-Zone und dem positiven Pol an der N-Zone, werden die freien Ladungsträger vom PN-Übergang weggezogen. Die äußere Spannung unterstützt die rücktreibende Wirkung der inneren Diffusionsspannung U diff. Der Diffusionsstrom I diff nimmt ab. Die Anzahl der freien Ladungsträger in der PN-Schicht nimmt ab und es kann kein nennenswerter Strom über den PN-Übergang fließen. Sperrrichtung Bei umgekehrter Polung der äußeren Spannung wird das innere rücktreibende elektrische Feld kompensiert. Dadurch können die Elektronen und Löcher verstärkt über den PN-Übergang diffundieren. Durchlassrichtung Ein wichtiges Anwendungsgebiet für Dioden ist die Gleichrichtung von Wechselspannungen. Hierzu sind vorallem Si-Dioden mit großflächigem PN-Übergang geeignet. Sie erlauben große Durchlassströme und können mit großen Sperrspannungen gebaut werden. Der einfachste Fall ist der in Abbildung 2 dargestellte Einweg-Gleichrichter. Die Diode lässt hierbei nur die oberen Halbwellen durch. Mabn nennt den Stromflusswinkel die Zeit der Periode, in der der Halbleiter Strom führt. Abbildung 2: Gleichrichter einfach 4

5 Legt man an solchen Gleichrichter eine Rehteckspannung an, erhält man für den Diodenstrom und die Diodenspannung folgende Grafen (t s ist die Sperrverzögerungszeit): Abbildung 3: Brückenschaltung - Abbildung: Konsultation Bojarski Will man einer Gleichrichterschaltung größere Gleichströme entnehmen, ist es sinnvoll, beide Halbwellen der Eingangswechselspannung auszunutzen. Dazu kann u.a. eine Brückenschaltung dienen (Abbildung 4). Abbildung 4: Brückenschaltung 5

6 Eine Brückenschaltung hat den Vorteil, dass man beide Halbperioden der Eingangsspannung nutzt. Dabei ist der Kondensator parallel zum Lastwiderstand R 2 der Ladekondensator, der eine Glättung der Ausgangsspannung U a bewirkt. 3 Durchführung 3.1 Untersuchung des Schaltverhaltens Die Schaltung wurde folgendermaßen aufgebaut und es wurde der Spannungsabfall U D an der Diode mittels Oszillographen gemessen. Mit Hilfe des Widerstandes und der Regler Amplitude und Offset am Frequenzgenerator wurde die Spannung so variiert, dass nur der Durchlassstrom oder nur der Sperrstrom verändert wurde. Die Zeit t S wurde mit Cursormessung am Oszillographen bestimmt (siehe Anhang). Abbildung 5: Schaltplan Schaltverhalten U D in V t S in µs U D in V t S µs Sperrrichtung Durchlassrichtung -13,28 2,400 7,969 8,000-12,03 2,950 7,188 7,000-7,500 6,040 6,562 6,160-2,656 15,44 3,750 3,000-1,250 26,50 1,406 0,452 Tabelle 1: Schaltverhalten 6

7 Abbildung 6: Sperrzeit t S Sperrrichtung Abbildung 7: Sperrzeit t S Durchlassrichtung 7

8 3.2 Untersuchung einer Gleichrichterschaltung Die erste Schaltung wurde gemäß Abbildung 4 aufgebaut und C 1 = {0µF, 10µF, 100µF } eingestellt. Es ergaben sich folgende Graphen, mit der Ausgangsspannung jeweils in der Mitte. Der Stromflusswinkel ist jeweil in der Grafik unter dem Schaubild als t abzulesen. Abbildung 8: C 1 = 0µF Abbildung 9: C 1 = 10µF 8

9 Abbildung 10: C 1 = 100µF Für die dritte Aufgabe wurden die Kapazitäten laut Aufgabenstellung eingestellt sowie die Schaltung laut Bild 2 aus der Aufgabenstellung aufgebaut und alle Graphen über die Speicherfunktion des Oszilloskops in ein Bild getan. Abbildung 11: C 1 = 100µF = C 2 9

10 4 Auswertung 4.1 Schaltverhalten Anhand der Grafphen ist zu erkennen, dass sowohl bei steigender Sperrspannung als auch bei steigender Durchlassspannung die Sperrverzögerungszeit anwächst. Fließt ein Durchlassstrom wird der PN-Übergang in der Diode aufgeladen. Das Verhalten ähnelt dem des Kondensators, je größer der Strom, desto größer die deponierte Ladungsmenge. Es besteht also ein proportionaler Zusammenhang. Wird nun umgepolt, muss der PN-Übergang erst wieder entladen sein, damit sich das Sperrverhalten einstellt. Diese Entladung geschieht schneller, je größer der anfängliche Sperrstrom ist. 4.2 Untersuchung Gleichrichterschaltung In der Schaltung ohne Kondensator C 1 = 0µF sieht die Ausgangsspannung wie die Ausgangsspannung beim Einweggleichrichter aus, nur dass beide Halbwellen der Eingangsspannung genutzt werden. Der Kondensator bewirkt nun eine Glättung der Ausgangsspannung, so dass bei Erhöhung der Kapazität der Ausgangspannungsverlauf sich der Gleichspannungform annähert. Sehr gut ist dies in der letzten Abbildung zu erkennen wie eine periodische Eingangsspannung in eine Gleichspannung gerichtet wird. 10