Fachbereich Elektrotechnik u. Informatik Praktikum Elektronik I

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1 Fachbereich Elektrotechnik u. Informatik Praktikum Elektronik I Fachhochschule Münster niversity of Applied Sciences Versuch: 1 Gruppe: Datum: Antestat: Teilnehmer: Abtestat: (Name) (Vorname) Versuch 1: Halbleiterdioden: I() Kennlinien Voraussetzung für die Durchführung dieses Versuchs ist die Kenntnis folgender Themen: Entstehung des pnübergangs Kennlinie und Kennliniengleichung des pnübergangs Bestimmung des Sättigungsstroms I o Aufbau und Durchbruchsmechanismen von Zenerdioden Literaturempfehlung zur Vorbereitung: Beuth, Bauelemente, Kap , Einführung In diesem Versuch lernen Sie die Kennlinien von Halbleiterdioden kennen. Sie vermessen Geund SiDioden bei unterschiedlichen Temperaturen und lernen eine Methode zur Bestimmung des Sättigungsstroms kennen. Weiterhin untersuchen Sie das unterschiedliche Temperaturverhalten von Zener und Lawineneffekt. Anwendung: Wichtigste Anwendung von pndioden ist die Gleichrichtung von Wechselspannung (z.b. in Netzteilen). Weiter werden sie eingesetzt zum Verpolungsschutz oder auch zur Spannungsbegrenzung am Eingang von empfindlichen Geräten. Zenerdioden werden zur Spannungsstabilisierung eingesetzt.

2 1.1 Dotierung von Halbleitern Reine Halbleiter (z.b. Silizium) besitzen bei Raumtemperatur eine geringe Leitfähigkeit. Allerdings bieten sie die Möglichkeit, die elektrischen Eigenschaften durch Dotierung gezielt zu beeinflussen. Darunter versteht man das Einbringen von Fremdatomen in den Kristall. Im Fall der ndotierung wird ein 5wertiges Atom (z.b. Phosphor) an die Stelle eines 4wertigen Siliziumatoms gebracht. Da für die Kristallbindung jeweils nur vier Elektronen benötigt werden, ist das fünfte Valenzelektron des Phosphoratoms nur leicht an das Gitter gebunden. Daher wird es bereits bei Raumtemperatur aus der Bindung gerissen und steht als freies Elektron zur Stromleitung zur Verfügung (siehe Abbildung 1). Zurück bleibt ein Phosphoratom, das ein Elektron abgegeben hat; wir nennen es ionisiertes Donatoratom, da es positiv geladen ist. ndotierung: Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si freies Elektron Loch pdotierung: Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si PhosphorAtom (5wertig) Si Si Si Si Si BorAtom (3wertig) Abb. 1: Darstellung von n und pdotierten Kristallen Im Fall der pdotierung wird ein dreiwertiges Atom (z.b. Bor) in den Kristall eingebaut. Das fehlende Elektron erzeugt eine Lücke im Kristallgitter, dieses nennen wir Loch. Sobald dieses Loch durch ein Elektron aufgefüllt wird, hat sich ein ionisiertes Akzeptoratom gebildet. 1.2 Der pnübergang Ein pnübergang entsteht, wenn zwei unterschiedlich dotierte Gebiete (p, ndotiert) aneinandergrenzen (Abb.2). Der Überschuss der freien Elektronen im ngebiet führt im Grenzbereich zu einer Diffusion der Elektronen in das pgebiet. Zurück bleiben die ortsfesten positiv geladenen Donatoratome. Auf der pseite fallen die Elektronen in die freien Löcher und bilden dort ortsfeste negative Akzeptoratome. Es bildet sich somit eine Raumladungszone (RLZ) aus. Das in der RLZ entstehende Feld bewirkt wiederum einen Elektronentransport in die Gegenrichtung. Solange von außen keine Spannung anliegt, heben sich Diffusionsstrom und Feldstrom im Mittel auf. Die über der RLZ entstehende Spannung wird Diffusionsspannung D genannt. Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 2

3 nbereich elektr. Feld pbereich Raumladungszone Zeichenkonvention: : ortsfestes Teilchen : freies Teilchen Abb. 2: Entstehung der Raumladungszone im pnübergang 1.3 Verhalten bei anliegender Spannung Wird an den pnübergang ( Diode ) eine Spannung in Vorwärtsrichtung ( > 0, das heißt Plus an p, Minus an n, siehe Abbildung 3) angelegt, so strömen Elektronen von der Spannungsquelle ins ngebiet. An der RLZ werden sie vom elektrischen Feld aufgehalten. Erst wenn die außen anliegende Spannung die interne Diffusionsspannung D übersteigt, wird die RLZ vollständig abgebaut und die Diode beginnt zu leiten. I n p Kathode Anode Abb. 3: pnübergang und Schaltsymbol Im Fall der Sperrpolung ( < 0) werden Elektronen aus dem ngebiet in Richtung Spannungsquelle abgesaugt. Dies führt im Bereich des Übergangs zu einer weiteren Verarmung an freien Ladungsträgern: die RLZ verbreitert sich. Als Strom fließt lediglich ein geringer Sperrstrom, der durch thermisch erzeugte ElektronLochPaare gebildet wird: die Diode sperrt. Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 3

4 1.4 Kennlinie und Kennliniengleichung einer Diode I Tangente I max Sperrpolung Flusspolung I S 0 Abb. 4: Kennlinie einer Halbleiterdiode mit Definition der Schleusenspannung S Im einfachsten Fall ergibt sich ein Zusammenhang zwischen Strom I und der Spannung nach Gleichung (1): mit: Für T gilt: I = I 1 0 e T Kennliniengleichung eines pnübergangs (1) I 0 = Sättigungsstrom und T = Temperaturspannung mit: kt T = ( 26 mv bei Raumtemperatur) (2) q k = 8, ev/k q = 1, As Boltzmannkonstante Elementarladung T = absolute Temperatur (z.b. Raumtemperatur = 25 C T 300 K) Für große positive Spannungen, d.h. für >> T kann die 1 in Gleichung (1) vernachlässigt werden, damit ist der Stromanstieg proportional zu T e. Für große Sperrspannungen gilt: I(<<0) = I 0, dem Sperrsättigungsstrom. 1.5 Schleusenspannung S Bei linearer Auftragung der Kennlinie entsteht der Eindruck, als ob für > 0 der Strom erst nach Überschreitung einer Schleusenspannung S stark ansteigen würde (siehe Abbildung 4). Sie entspricht vom Betrag her etwa der internen Diffusionsspannung D. Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 4

5 Zur Bestimmung von S legt man eine Tangente durch den linearen Teil der Kennlinie. Der Schnittpunkt dieser Tangente mit der xachse ergibt dann die Schleusenspannung. (Alternative Definition in vielen Lehrbüchern: S ist die Spannung, bei der der Durchlassstrom einer Diode 10 % seines Maximalwertes I max erreicht. ) 1.6 Bestimmung von I 0 Wird die Kennlinie des pnübergangs für > 0 halblogarithmisch aufgetragen, so ergibt sich für >> T ein geradliniger Verlauf (Abb. 3). Eine Extrapolation des geradlinigen Kennlinienasts auf = 0 ermöglicht die Bestimmung des Sättigungsstroms I 0. Bei realen Dioden ist allerdings zu beachten, dass bei hohen Strömen ein merklicher Spannungsabfall am Bahnwiderstand der Dioden auftritt. Hierdurch wird der Verlauf bei hohen Strömen nach rechts verbogen. Zur Bestimmung von I 0 sollte man daher eine Tangente an die Kurve im Bereich kleiner Ströme (z.b. für S ) wählen. log I I 0 >> T linearer Bereich Einfluss des Bahnwiderstands R B ideale Diode Bahnwiderstand ideal Abb. 5: Halblogarithmische Darstellung der I () Kennlinie zur Bestimmung von I 0. Rechts ist das Ersatzschaltbild bei Beachtung des Bahnwiderstandes angegeben. 1.7 ZenerNennspannung pnübergänge können nicht mit beliebig hohen Sperrspannungen ( << 0) belastet werden, ohne dass sogenanntes Durchbruchverhalten auftritt. Ab einer bestimmten Sperrspannung steigt der Betrag des Stromes stark an. Dieser Teil der Kennlinie wird bei besonders dafür ausgelegten Zenerdioden (ZDioden) ausgenutzt. Zenerdioden werden besonders hoch dotiert, um so kleine Sperrschichtweiten und damit schon bei kleinen Sperrspannungen hohe Feldstärken zu erhalten. Als Kenngröße von Zenerdioden verwendet man die ZenerNennspannung ZN, diese wird üblicherweise als die Sperrspannung definiert, bei der ein Zenerstrom von 5 ma fließt (siehe Abbildung 6). Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 5

6 I ZN 5 ma Abb. 6: Kennlinie einer Zenerdiode 1.8 Durchbruchsmechanismen Bei Zenerdioden unterscheidet man zwei Durchbruchsmechanismen: Beim Zenerdurchbruch führt das hohe elektrische Feld dazu, dass Elektronen aus dem Kristallverbund herausgerissen werden und so als freie Elektronen zum Stromfluss beitragen können (Zenereffekt). Beim Lawinendurchbruch werden dagegen bereits vorhandene freie Elektronen durch das elektrische Feld so stark beschleunigt, dass sie weitere Elektronen aus dem Kristallverband herausschlagen können. Diese werden wiederum beschleunigt und schlagen weitere Elektronen heraus usw. (Lawineneffekt). Dioden mit relativ kleinen Durchbruchsspannungen haben aufgrund ihrer hohen Dotierung auch eine kleine Raumladungszone. Für Dioden mit ZN < 6 V ist die RLZ so klein, dass die Beschleunigungsstrecke zu kurz ist, um den Lawineneffekt auszulösen. Bei derartigen Dioden überwiegt daher der Zenereffekt. Im Fall von Dioden mit Durchbruchsspannungen über 6 V überwiegt dagegen der Lawineneffekt. Die Temperaturabhängigkeiten von Zener und Lawineneffekt sind aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Prozesse gegenläufig. Im Fall des Zenereffekts sind die im Atomgitter gebundenen Elektronen bei höherer Temperatur durch die stärkeren Gitterschwingungen lockerer gebunden und können so schon bei einer geringeren Feldstärke aus den Bindungen gelöst werden. Im Gegensatz dazu führen die stärkeren Gitterschwingungen beim Lawineneffekt dazu, dass die beschleunigten Elektronen häufiger mit dem Gitter zusammenstoßen und somit im Mittel eine niedrigere Geschwindigkeit erhalten. Hier ist eine höhere Feldstärke notwendig, um sie auf die für die Stoßionisation notwendige Mindestgeschwindigkeit zu bringen (siehe auch Vorlesung bzw. Beuth). Hinweise zur Spannungsbeschaltung Vor dem Aufbau und dem mstecken des Versuches sowie nach erfolgtem Versuch sind die Potentiometer auf Null zu drehen und die Spannungsversorgungen auszuschalten. Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 6

7 Hinweise zur Temperatureinstellung m die Dioden bei verschiedenen Temperaturen betreiben zu können, befindet sich hinter der Halteplatte ein Peltierelement, das von einem Temperaturcontroller angesteuert wird. Über einen Temperatursensor wird gleichzeitig die aktuelle Temperatur gemessen, so dass ein geschlossener Temperaturregelkreis entsteht. Temperatureinstellung mit dem Controller LDT 5910 der Firma Lightwave: Nach Einschalten des Gerätes mit der Taste POWER, kontrollieren ob die LOCK Taste aus ist (LED leuchtet nicht). Jetzt die Taste SET TEMP drücken und mit dem Drehknopf die gewünschte Temperatur einstellen, z. Beisp. 10 C. Nun müssen die Tasten LOCK, ATO und ON gedrückt werden, so dass die dazu gehörigen LED`s leuchten. Ist der Wert ziemlich konstant, ± 2 Grad, kann die Messung beginnen. Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 7

8 Im Fall des Messaufbaus mit dem Temperaturregler der Firma Light Control wird beim Einstellen der Temperatur folgendermaßen vorgegangen: 1.Vorwählen der gesuchten Temperatur (Taste Display auf Preset): mit Rändelrad 2.Anzeigen der aktuellen Temperatur: Taste Display auf Sensor 3.Output auf On Die Temperatur muss nur auf ± 2 Grad genau eingestellt werden Im Fall des Messaufbaus mit dem Temperaturregler ITC 502 gilt Folgendes: Zur Durchführung des Versuches wird nur die linke Bedienhälfte des Reglers benutzt. Durch Drehen des Schlüsselschalters nach rechts wird der Controller eingeschaltet. Durch mehrmaliges Drücken des linken Tasters (Feld Sensor) wird das Gerät auf den Sensor AD590 eingestellt. Jetzt wird die mittlere Taste (Feld Display) einmal gedrückt, damit die LED neben T Set, aufleuchtet. Mit Hilfe des linken Drehknopfes (Feld Adjust) wird die gewünschte Temperatur in Grad Celsius eingestellt und auf dem obigen Display abgelesen. Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 8

9 Mit der rechten Taste (Feld Display) wird die Anzeige umgeschaltet. Auf dem Display erscheint die aktuelle Temperatur. Die LED neben T ACT leuchtet. Nachdem die Taste oberhalb des linken Drehknopfes (Feld Adjust) gedrückt wurde und die LED ON leuchtet, stellt sich die angestrebte Temperatur ein. Ist der Wert ziemlich konstant, ± 2 Grad, kann die Messung beginnen. Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 9

10 2. Versuchsdurchführung R 1 I ma 0 10V V D Ge Si Z3,6 Z8,2 Abb. 7: Versuchsaufbau 2.1 Kennlinien von Germanium und SiliziumDioden a) Bereiten Sie zunächst das I = f() Diagramm vor. Zeichnen Sie dazu auf Millimeterpapier folgendes Achsenkreuz: yachse: 0 bis 20 ma; 1 ma = 1 cm; xachse: 0 bis 1,6 V; 0,1 V = 1 cm) b) Nehmen Sie die Kennlinien I = f() einer Ge und einer SiDiode nach der Schaltung in Abb. 7 jeweils zuerst bei 10 C und dann bei 60 C auf (I max = 20 ma!) und tragen Sie diese Werte in das beigefügte Tabellenblatt ein. Für die Auftragung der Kennlinien sind mindestens 5 Messpunkte pro Stromdekade erforderlich.stellen Sie mit Hilfe des Potentiometerdrehknopfes an der Stromquelle, die folgenden Werte ein. I in ma (0,01; 0,02; 0,03; 0,05; 0,07; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 0,7; 1; 2; 3; 5; 7; 10; 15; 19;) c) Zeichnen Sie die Kennlinien in das vorbereitete Diagramm. ( Die Zeichnung ist gleichzeitig während des Messens zu erstellen! ) 2.2 Kennlinien von Zenerdioden a) Bereiten Sie zunächst das I = f() Diagramm vor. Zeichnen Sie dazu auf Millimeterpapier folgendes Achsenkreuz (Querformat): yachse: 10 ma bis 5 ma; 1 ma = 1 cm; xachse: 9 V bis 1 V; 1 V = 2 cm) b) Nehmen Sie die I() Daten der beiden Zenerdioden bei 10 C und dann bei 60 C für den Bereich 10 ma < I < 5 ma auf und tragen sie diese Werte in das beigefügte Tabellenblatt ein. (Da die ZDioden normalerweise nur in Sperrrichtung betrieben werden, muss nur ein positiver Ast aufgenommen werden.) c) Zeichnen Sie die Kennlinien in das vorbereitete Diagramm. Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 10

11 3. Ausarbeitung: 3.1 Ge und SiDioden Für die in 2.1 untersuchten Dioden sind folgende Auswertungen durchzuführen: a) Die Schleusenspannungen für beide Temperaturen und deren Temperaturabhängigkeit S / T sind zu bestimmen (bitte Einheiten und Vorzeichen mit eintragen!): GeDiode SiDiode S bei 10 C S bei 60 C S / T b) Die Kennlinien sind halblogarithmisch für > 0 aufzutragen. (Maßstab: 0,1 V = 1 cm) c) Die Sättigungsströme I 0 sind zu bestimmen (bitte Einheiten mit eintragen!): GeDiode SiDiode I 0 bei 10 C I 0 bei 60 C 3.2 Zenerdioden Für die vermessenen Zenerdioden sind die ZenerNennspannungen (I = 5 ma) bei beiden Temperaturen zu bestimmen und deren Temperaturabhängigkeit anzugeben (bitte Einheiten und Vorzeichen mit eintragen!): Z3,6 Z8,2 ZN bei 10 C ZN bei 60 C ZN / T Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 11

12 4. Verbindung zum Vorlesungsstoff (Antworten bitte in die freien Felder eintragen!) 4.1 Wie entsteht die Sperrschicht eines pnübergangs? 4.2 Wie hängt die Schleusenspannung S mit der Diffusionsspannung D zusammen? Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 12

13 4.3 Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie: a) Wie verändert sich der Sperrstrom mit der Temperatur und warum (physikalische Erklärung)? b) Wie verändert sich die Durchlasskurve mit der Temperatur und warum (physikalische Erklärung)? 4.4 Wie ist die Temperaturabhängigkeit der Durchbruchkennlinie bei Zener und Lawinendurchbruch zu erklären? Praktikum Elektronik Versuch 1 Seite 13

14 Messprotokoll zu Versuch 1, Aufgabe 2.1 Ge 10 C Ge 60 C Si 10 C Si 60 C Nr in V I in ma in V I in ma in V I in ma in V I in ma

15 Messprotokoll zu Versuch 1, Aufgabe 2.2 > 0 < 0 Nr Z3,6 10 C Z3,6 10 C Z3,6 60 C Z 8,2 10 C Z 8,2 60 C in V I in ma in V I in ma in V I in ma in V I in ma in V I in ma