Schulversuchspraktikum 2000 bei Mag. Monika TURNWALD. Günter EIBENSTEINER Matrikelnummer mit Christian J. ZÖPFL

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1 NTL Baukasten Elektronik Die DIODE Schulversuchspraktikum 2000 bei Mag. Monika TURNWALD Günter EIBENSTEINER Matrikelnummer mit Christian J. ZÖPFL

2 INHALTSVERZEICHNIS 1. Lernziele (Seite 3) 2. Stoffliche Grundlage mit didaktischer Aufbereitung in der Unter und Oberstufe 2.1 Unterstufe (Seite 3) 2.2. Oberstufe (Seite 6) 3. Durchgeführte Versuche und didaktische Aufbereitung 3.1. Diode in Sperr und Durchlassrichtung (Seite 11) 3.2. Durchlasskennlinie einer Germanium bzw. Silizium Diode (Seite 12) 3.3. Durchlasskennlinie einer Leuchtdiode mit Vorwiderstand (Seite 15) 3.4. Brückenschaltung (Seite 17) 3.5. Geglättete Gleichspannung (Seite 19) Seite 2

3 1. Lernziele Das Thema "Diode" wird in der 4. Klasse Unterstufe und in der 7.Klasse Oberstufe genauer behandelt. In diesem Kapitel der Physik lernt der Schüler ein neues elektronisches Bauelement, nämlich die Diode kennen. Nicht nur das Kennenlernen ist wichtig, sondern es sollen den Schülern auch die besonderen Eigenschaften einer Diode, anhand von Versuchen, nähergebracht werden. 2. Stoffliche Grundlagen mit didaktischer Aufbereitung in der Unter und Oberstufe 2.1. Unterstufe Die Diode besteht aus Halbleitermaterial wie etwa Silizium oder Germanium. Was sind aber Halbleiter? Wie schon der Name sagt, sind es Stoffe, die den elektrischen Strom wesentlich schlechter leiten als Metalle, aber immer noch besser als Isolatoren. Halbleiter weisen noch eine andere wichtige Eigenschaft auf: Ihre Leitfähigkeit nimmt mit der Temperatur stark zu. Am Beispiel Silizium soll nun gezeigt werden, wie die Physiker diese Erscheinung erklären. Bild 1 Silizium ist ein Element der 4. Hauptgruppe im Periodensystem und besitzt als solches 4 Elektronen in der äußersten Schale. Diese 4 Außenelektronen werden aber, wie Bild 1 zeigt, für den Kristallaufbau (Elektronenpaarbindung) benötigt. Dies ist der grund, warum nahe dem absoluten Nullpunkt freibewegliche Elektronen fehlen, reines Silizium also ein vollkommener Isolator ist. Aber was passiert bei höherer Temperatur, etwa bei Zimmertemperatur. Man muss dabei an die Wärmebewegung der kleinsten Teilchen denken. Aufgrund dieser Seite 3

4 Bewegung können sich Elektronen aus ihrer Bindung lösen und sich frei im Kristall bewegen. Sie sind Leitungselektronen geworden. Dort aber, wo ein Elektron fehlt, entsteht eine Elektronenlücke, ein sogenanntes Loch. Das Atom, welches dieses Elektron verlor, ist nun positiv geladen. Auch ein Loch kann wandern, und zwar dann, wenn es von einem Elektron eines Nachbaratoms aufgefüllt wird. Wohin ist das Loch jetzt gewandert? In Halbleitern gibt es zwei Arten von beweglichen Ladungsträgern: Elektronen und positive Löcher. Bei Zimmertemperatur leitet reines Silizium schlecht. Man hat aber gelernt, seine Leitfähigkeit durch Verfahren, das man Dotieren (lat. "dos" = Gabe ) nennt, zu verbessern. Auf Halbleitern dieser Art beruhen Dioden und Transistoren, die wichtigsten Bauelemente der modernen Elektronik. Wie funktioniert das sogenannte "Dotieren"? Was passiert, wenn in einem Silizium Kristallgitter Siliziumatome durch Atome mit 5 Außenelektronen ersetzt werden? Das kann dadurch geschehen, dass man dem Silizium eine winzige Menge Arsen oder Antimon beimengt (Dotierung). Die fünften Außenelektronen sind überzählig, sie werden zu frei beweglichen Elektronen. Die Situation ist ähnlich wie im Metall: Negative Ladungsträger stehen für Ströme zur Verfügung. Man sagt deshalb, ein solcher Kristall sei n leitend (n von negativ).n Leitung ist Elektronenleitung. Siehe Bild 2 Bild 2 Aber: Dotiertes Silizium leitet immer noch schlechter als Metall. Dotiert man Silizium etwa mit Indium, das nur 3 Außenelektronen besitzt, dann fehlt an der Dotierungsstelle ein Elektron, es entsteht ein Loch. Dieses verhält sich, wie eine positive Ladung. Schaltet man den Kristall in einen Stromkreis, wandern die Löcher zum Minuspol. Es gibt einen "Löcherstrom". Man spricht von einer p Leitung (p von positiv). p Leitung ist Löcherleitung. Siehe Bild 3. Seite 4

5 Bild 3 Die Halbleiterdiode besteht aus einem p Leiter und einem n Leiter, die miteinander verbunden sind: Man kann sie zusammenlegieren, man kann den einen Leiter auf den anderen aufdampfen, oder man kann die Kombination aus einem Stück herstellen, das abschnittsweise unterschiedlich dotiert ist. Was geschieht an der Grenzschicht zwischen beiden Leitern, dem sogenannten pn Übergang (Dicke etwa 1/1000 mm)? Aufgrund der Temperaturbewegung gelangen Elektronen aus dem n Bereich in den p Bereich und Löcher aus dem p Bereich in den n Bereich. Die Löcher werden jeweils von Elektronen aufgefüllt, wodurch die Grenzschicht an beweglichen Ladungsträgern verarmt und nur geringe Leitfähigkeit aufweist (Sperrschicht). Siehe Bild 4. Bild 4 Verbinden wir den p Bereich mit dem negativen und den n Bereich mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle, gelangen Elektronen von der Sperrschicht weg in das n Gebiet, Löcher ins p Gebiet. Die Ladungsträger werden aus der Grenzschicht völlig entfernt, die Diode sperrt. Bei entgegengesetzter Polung (n Schicht an Minus, p Schicht an Plus) werden Elektronen und Löcher in die Sperrschicht getrieben und "überschwemmen" diese. Die Diode leitet. Siehe Bild 5. Seite 5

6 Bild 5 Die Diode lässt Elektronen nur in einer Richtung fließen. Sie wirkt wie ein "Ventil" für Elektrizität. Wechselstrom wird durch die Diode gleichgerichtet. Es fehlt eine Hälfte der Wechselspannungskurve, weil die Diode den Strom in einer Richtung sperrt. Allerdings entsteht mit der Diode ein schubweise fließender Strom, ein sogenannter pulsierender Gleichstrom. Zusammenfassung Halbleiter sind nahe dem absoluten Nullpunkt Isolatoren. Bei höheren Temperaturen machen bewegliche Elektronen und Löcher den Kristall leitend. Beim Dotieren eines Halbleiterkristalles werden einige Atome mit 5 (n Leiter) oder 3 (p Leiter) Außenelektronen ersetzt. Eine Halbleiterdiode besteht aus einem p und einem n Leiter. Die Diode lässt Elektronen nur in einer Richtung fließen, Wechselstrom kann dadurch gleichgerichtet werden Oberstufe Die Kristalldiode besteht aus einem p Leiter und einem n Leiter. In Bild 1a ist angenommen, dass die Löcher im p Leiter und die Leitungselektronen im n Leiter vorerst gleichmäßig verteilt sind. Beide Leiter sind überall elektrisch neutral, weil auch die unbeweglichen Ionen gleichmäßig verteilt sind. Ihre Ladung wird durch die Farbe des Untergrundes angedeutet. Da sowohl die Leitungselektronen als auch die Löcher eine ungeordnete Bewegung ausführen, diffundieren an der Grenzschicht Leitungselektronen aus dem n Leiter in den p Leiter und ebenso Löcher aus dem p Leiter in den n Leiter. Die Grenzschicht erhält dadurch auf der Seite des p Leiters eine überschüssige negative Ladung, auf der Seite des n Leiters ist sie positiv geladen (Bild 1b). Die in Bild 1c dargestellte Ladungsverteilung ist mit der eines Plattenkondensators vergleichbar und führt zur Ausbildung des in Bild 1d schematisch Seite 6

7 dargestellten elektrischen Feldes. Dieses Feld wirkt der Diffusion entgegen. Es wird sich daher bei einer bestimmten Raumladungsverteilung ein thermodynamisches Gleichgewicht einstellen. Durchlaufen wir den Kristall von links nach rechts, so steigt das elektrische Potential in der Grenzschicht (wie zwischen Kondensatorplatten) an. Zwischen den beiden Halbleitern hat sich ein Kontaktpotential ausgebildet (Bild 1e). Die in den p Leiter gewanderten Elektronen fallen dort in die reichlich vorhandenen Elektronenlöcher, sie werden also zu fest gebundenen Valenzelektronen. Ebenso werden die in den n-leiter gewanderten Löcher dort von Leitungselektronen besetzt. Durch diese Vereinigung von Leitungselektronen mit Löchern wird zwar die in Bild 1c, e dargestellte Ladungs- und Potentialverteilung nicht geändert, die Grenzschicht verarmt aber an beweglichen Ladungsträgern und wird damit zu einer Sperrschicht sehr geringer Leitfähigkeit (Bild 1f). Bild 1 Legt man nun nach Bild 2a eine Spannung so an die Diode, dass der p-leiter negativ gepolt ist, so entsteht ein elektrisches Feld, das aus der Grenzschicht etwa noch vorhandene Löcher in den p-leiter und Leitungselektronen in den n-leiter treibt. Die gegengleichen Ladungen und die Dicke der Sperrschicht werden so weit vergrößert, dass an ihr eine zur angelegten Spannung U 0 fast gegengleiche Spannung auftritt, die den Strom fast sperrt. Eine geringe Stromstärke bleibt bestehen, weil in der Sperrschicht durch die Wärmebewegung stets neue Paare von Leitungselektronen und Löchern gebildet werden. Dieser Sperrstrom hängt daher Seite 7

8 kaum von der angelegten Spannung ab, er ist durch die Anzahl der pro Sekunde gebildeten Ladungsträger und somit durch die Temperatur bestimmt (Bild 4). Bild 2 Die Sperrschicht verhält sich also wie ein sehr hoher Widerstand. An ihr fällt daher die gesamte angelegte Spannung ab. Da die Schicht extrem dünn ist (um 1/1000 mm), treten in ihr extrem hohe Feldstärken auf. Die Sperrspannungen von Dioden können (je nach Material, Aufbau und Verwendungszweck) zwischen etwa 2 V und 700 V liegen. Die Feldstärke in der Sperrschicht kann Werte um 10 MV/m erreichen. Überschreitet die Feldstärke einen sehr scharf bestimmten Wert, so werden in der Sperrschicht Valenzelektronen aus ihren Bindungen gerissen, also ins Leitungsband gehoben. Das führt zu einem plötzlichen Durchbruch der Sperrschicht und zur Zerstörung der Diode durch zu große Erwärmung. Bei den sogenannten Zener-Dioden wird aber gerade dieser Effekt ausgenützt, um Spannungen auf einen bestimmten Wert zu begrenzen. Bild 3 Bild 4 Polt man die Kristalldiode nun so, dass der p-leiter am positiven Pol der Stromquelle liegt (Bild 3), so werden aus dem p-leiter Löcher und aus dem n-leiter Leitungselektronen in die Sperrschicht getrieben; sie wird schmäler und verschwindet schon bei recht kleiner angelegter Seite 8

9 Spannung (ca. 0,2 V bei Ge; 0,4 V bei Si; vgl. Bild 4). Bei noch höherer Spannung wird die Grenzschicht reichlich mit beweglichen Ladungsträgern versorgt, sie wird zu einer gut leitenden Schicht, die Stromstärke steigt steil an. Die Diode ist jetzt in Durchlassrichtung gepolt. Die Kennlinie der Diode zeigt den Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke (Bild 4). Mit der Schaltung in Bild 4 können Wertepaare (U, I) gemessen werden. Es ist darauf zu achten, dass in der Durchlassrichtung nur sehr kleine Spannungen an die Diode gelegt werden dürfen, da sonst die zulässige Stromstärke überschritten und die Diode durch zu hohe Temperatur zerstört wird. Die Kristalldiode ist ein elektrisches Ventil; sie lässt elektrischen Strom nur vom p-leiter zum n-leiter fließen, in der Gegenrichtung sperrt sie ihn fast vollständig. Gleichrichterschaltungen Die öffentliche Stromversorgung stellt uns nur eine harmonische Wechselspannung u = Um sin2πft (Um = 310 V, Scheitelspannung, f = 50 Hz) zur Verfügung. Fast alle elektronischen Geräte brauchen aber auch Gleichspannungen, die ein Netzteil bereitstellt. Dazu wird die Netzwechselspannung zuerst durch einen Transformator auf passende Scheitelspannung umgeformt (Bild 5). Beim Einweggleichrichter kann über die Kristalldiode elektrischer Strom nur während der positiven Halbperiode der Wechselspannung durch den Verbraucher fließen, man erhält (ohne den Kondensator) einen pulsierenden Gleichstrom. Der Kondensator wirkt als ausgleichender Ladungsspeicher: Er wird während der positiven Halbperiode geladen und während der Zeit, in der über die Diode kein Strom fließt, über den Verbraucher etwas entladen. Am Verbraucher erhält man so eine geglättete Spannung (Bild 5). Ohne Verbraucher steigt die Spannung am Kondensator bis zum Scheitelwert der Wechselspannung. Bild 5 Zweiweggleichrichter sind günstiger, weil sie beide Halbperioden der Wechselspannung nützen. Überzeuge dich davon, dass bei der meist benützten Grätzschaltung nach Bild 6 der Seite 9

10 Strom während beider Halbperioden in der gleichen Richtung durch den Verbraucher fließt und dass der Glättungskondensator nur über den Verbraucher entladen werden kann! Zusammenfassung Bild 6 Für die Funktion jeder Kristalldiode ist die Diffusion von Ladungsträgern in der sehr dünnen Grenzschicht zwischen einem p Leiter und einem n Leiter wesentlich. Ohne angelegte Spannung wird die Grenzschicht zu einer Sperrschicht. Sie kann durch Anlegen einer Spannung (Pluspol am n Leiter) noch vergrößert werden; dann sperrt die Diode den elektrischen Strom. Bei umgekehrter Polung wird die Sperrschicht beseitigt, die Diode ist leitend. Durch entsprechende Bauweise und Materialauswahl können Kristalldioden sehr zahlreichen Verwendungsmöglichkeiten angepasst werden. Seite 10

11 3. Durchgeführte Versuche und didaktische Aufbereitung Alle Versuch werden mit Hilfe des Leybold Elektronik Baukasten durchgeführt Versuch 1: Diode in Sperr und Durchlassrichtung Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Versuchsdurchführung: Als Diode wird eine Siliziumdiode verwendet. Spannungsquelle: Gleichspannung mit 6V Versuchsergebnisse: Beim 1. Versuch leuchtet das Lämpchen nicht, d.h. die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet. Beim 2. Versuch leuchtet das Lämpchen, d.h. die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet. Erkenntnisse aus dem Versuch: Den Schülern soll mit Hilfe dieses Versuchs, die Ventilwirkung einer Diode gezeigt werden. Es soll ihnen gezeigt werden, dass die Diode den Strom nur in einer Richtung passieren läßt (Durchlassrichtung: Anode positiv gepolt). Seite 11

12 3.2. Versuch 2: Durchlass Kennlinie einer Germanium und Siliziumdiode Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Versuchsdurchführung: Als Diode wird zuerst eine Germaniumdiode verwendet und dann wird der gleiche Versuch mit einer Siliziumdiode wiederholt. Widerstand: 500 Ω Spannungsquelle: Gleichspannung mit 0-10 V Versuchsergebnisse: Germaniumdiode: Wertetabelle: U D in V I in ma Graph der Kennlinie: Seite 12

13 Kennlinie Ge-Diode I in ma ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 U[D] in Volt Siliziumdiode: Wertetabelle: U D in V I in ma Graph der Kennlinie: Kennlinie Si-Diode I in ma ,2 0,4 0,6 0,8 1 U[D] in Volt Seite 13

14 Erkenntnisse aus dem Versuch: Die Kennlinie von Siliziumdioden verläuft in Durchlassrichtung steiler. Bei Zimmertemperatur setzt ein merkbarer Stromfluss bei Germaniumdioden erst ab etwa 0.3 Volt, bei Siliziumdioden erst ab etwa 0.6 Volt (Schleusenspannung) ein. Der Sperrstrom ist so gering, dass er mit unseren Messgeräten nicht gemessen werden kann. Die Größenordnung liegt für Ge Dioden bei µa, bei Si Typen bei na. Seite 14

15 3.3. Versuch 3: Durchlasskennlinie einer Leuchtdiode mit Vorwiderstand Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Versuchsdurchführung: Als Diode wird eine Leuchtdiode verwendet Widerstand: 500 Ω Spannungsquelle: Netzgerät stabilisierte Gleichspannung Versuchsergebnisse: Wertetabelle: U D in V I in ma Graph der Kennlinie: Seite 15

16 Kennlinie LED I in ma ,5 1 1,5 2 2,5 U[D] in Volt Erkenntnisse aus dem Versuch: Zu den bekanntesten Diodentypen gehören die Leuchtdioden (LED...Light Emitting Diode). Sie gibt es in den verschiedensten Farben und Formen. Leuchtdioden, die Infrarotstrahlung emittieren werden vorwiegend für Fernsteuerungen und Alarmeinrichtungen verwendet. Bei der sogenannten Siebensegmentanzeige werden Leuchtziffern aus sieben geeignet angeordneten Leuchtbalken zusammengesetzt. Infolge ihrer großen Erschütterungsfestigkeit und Langlebigkeit werden sie immer mehr anstelle von Glühlampen in Autoamaturenbretter und andere elektronische Geräte eingebaut. Wie andere Dioden leuchten Leuchtdioden nur, wenn sie in Durchlassrichtung betrieben werden. Die Schleusenspannung beträgt je nach Farbe 1.6V bis 2.7V. Halbleiterbauelemente haben einen negativen Temperaturkoeffizienten und deshalb können höhere Spannungen leicht zur Zerstörung dieser Bauteile führen. Leuchtdioden werden deshalb immer mit einem Vorwiderstand betrieben. Mit seiner Hilfe wird auch die gewünschte Helligkeit (eigentlich nur der Diodenstrom) festgelegt. Für Anzeigezwecke sind ma üblich. Seite 16

17 3.4. Versuch 4: Brückenschaltung Der deutsche Physiker Graetz erfand die Möglichkeit, beide Halbperioden der Wechselspannung für einen Stromfluss in gleicher Richtung nutzbar zu machen. Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Beim Aufbau ist besonders die Richtung der vier Dioden zu beachten! Versuchsdurchführung: Das Voltmeter (Messbereich 10V) misst die am Glühlämpchen auftretende Spannung. Nach Anlegen der Wechselspannung von 6V wird die Gleichspannung am Lämpchen gemessen. Sie beträgt 4.2 V. Dann wird eine der vier Dioden entfernt. Die Spannung am Lämpchen beträgt nun 2.1V. Jetzt stellt sich die Frage, ob man noch eine Diode entfernen kann, ohne dass sich etwas ändert? Jede beliebige Diode kann entfernt werden. Eine Richtung des Zweiweggleichrichters wird totgeschalten. Seite 17

18 Erkenntnisse aus dem Versuch: Den Schülern soll mit diesem Versuch klargemacht werden, dass die Zweiweggleichrichter oder Brückenschaltung eine Wechselspannung in eine etwa gleich große Gleichspannung umwandelt. Wird ein Zweig der Brückenschaltung unterbrochen, sinkt die Spannung auf die Hälfte. Seite 18

19 3.5. Versuch 5: Geglättete Gleichspannung Die Brückenschaltung zeigte, dass bei 50 Hz Wechselspannung 100 Halbperioden gleicher Stromrichtung entstehen. Das ist aber keine konstante Gleichspannung, wie sie z.b. von Batterien geliefert wird. Die zweiweggleichgerichtete Spannung muß noch geglättet werden! Versuchsaufbau: Der Aufbau erfolgt nach folgender Abbildung: Besonders auf die Richtung der vier Dioden und die richtige Polung des Kondensators ist zu achten! Versuchsdurchführung: Als Dioden werden Siliziumdioden verwendet Kondensator: 1000µF Spannungsquelle: Wechselspannung mit 6V Am Glühlämpchen wird die auftretende Spannung gemessen. Ein Messgerät zeigt die Wechselspannung, das andere die Gleichspannung. Seite 19

20 Versuchsergebnisse: 1. Versuch: Nach Anlegen der Wechselspannung 6V werden die Messgeräte abgelesen: Die Gleichspannung beträgt 6.6V Die Wechselspannung beträgt 0.4V 2. Versuch: Eine Diode wird entfernt. Die Messgeräte zeigen jetzt: Die Gleichspannung beträgt 6.4V Die Wechselspannung beträgt 0.5V 3. Versuch: Die Diode wird wieder richtig eingesteckt. Der Kondensator wird entfernt. Die Messgeräte zeigen nun: Die Gleichspannung beträgt 4.6V Die Wechselspannung beträgt 2.3V Erkenntnisse aus dem Versuch: Die Schüler sollen erkennen, dass die Brückenschaltung mit vier Dioden und anschließender Glättung durch einen genügend großen Kondensator eine reine Gleichspannung ohne Wechselspannungsanteil ergibt. Die Gleichspannung ist gegenüber der zugeführten Wechselspannung um den Faktor 16.5 höher. Seite 20

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