Verbundstudiengang Wirtschaftsingenieurwesen (Bachelor) Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik

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1 Verbundstudiengang Wirtschaftsingenieurwesen (Bachelor) Praktikum Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik Versuch 5 Untersuchungen an Halbleiterdioden Teilnehmer: Name Vorname Matr.-Nr. Datum der Versuchsdurchführung:

2 1 Untersuchungen an Halbleiterdioden Grundlagen 1. Allgemeiner Aufbau von Halbleiterbauelementen Elektrische Schaltungen, die Halbleiterbauelemente enthalten, bezeichnet man auch als elektronische Schaltungen. Halbleiterbauelemente bestehen grundsätzlich aus verschiedenartigen Schichten von Halbleiterstoffen. Als Grundmaterial verwendet man z. B. Silizium oder Germanium. Diese Stoffe sind vierwertig, enthalten also auf der äußeren Elektronenschale vier Elektronen. Fügt man diesem Material in sehr geringer Menge dreiwertigen Fremdstoff zu, so spricht man von einem P-dotierten Halbleiter. Da hierbei jedes Fremdatom ein Loch mitbringt, enthält das in dieser Weise dotierte Material viele Löcher. Fügt man andererseits dem Halbleitermaterial fünfwertigen Fremdstoff zu, so spricht man von einem N-dotierten Halbleiter. Hier bringt jedes Fremdatom ein freies Elektron mit, so dass der in dieser Weise dotierte Halbleiter viele freie Elektronen enthält. Halbleiterbauelemente bestehen grundsätzlich aus einer Aneinanderreihung von P- und N- dotierten Halbleiterschichten. Die dabei jeweils vorhandenen Übergänge der Schichten nennt man PN-Übergänge. 2. Aufbau und Funktion einer Diode Eine Diode besteht im Prinzip nach Bild 1a aus einer P- und einer N-dotierten Halbleiterschicht mit somit nur einem PN-Übergang. Der mit dem P-Gebiet verbundene elektrische Anschluss heißt Anode (A), der andere Anschluss Kathode (K). Bild 1b zeigt das für eine Diode verwendete Schaltzeichen. A A P N K a) b) K Bild 1: a) Aufbau einer Diode (P = P-dotierte Schicht, N = N-dotierte Schicht) b) Schaltzeichen einer Diode (A = Anode, K = Kathode) Das grundsätzliche Verhalten einer Diode ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromfluss nur von A nach K möglich ist. Diese Richtung nennt man deshalb Durchlassrichtung. In umgekehrter Richtung ist dagegen grundsätzlich kein Stromfluss möglich. Diese Richtung heißt daher Sperrrichtung.

3 2 3. Diodenkennlinie Wird eine Diode nach Bild 2a mit einer Spannungsquelle verbunden und wie dargestellt in Durchlassrichtung betrieben, so bekommt man für jede eingestellte Spannung U einen bestimmten Strom I. Trägt man dann nach Bild 2b den Strom I in Abhängigkeit von der Spannung U auf, so erhält man die im ersten Quadranten liegende Kennlinie. Die gekennzeichnete Spannung U S heißt Schleusenspannung. Sie hat zum Beispiel bei einer Siliziumdiode einen Wert von etwa 0,7 V. I I U U Z 0 0 U S U a) b) c) Bild 2: a) Schaltung zur Aufnahme einer Diodenkennlinie, b) Beispiel einer Diodenkennlinie, c) Schaltzeichen eine Zenerdiode Polt man in Bild 2a die Spannung um, betreibt man die Diode also in Sperrrichtung, so erhält man die in Bild 2b im dritten Quadranten dargestellte Kennlinie. Bei niedrigen Spannungen fließt kein Strom. Erst nach Erreichen einer relativ hohen Spannung U Z (bei einem Wert von z. B. 500 V) setzt nach Bild 2b ein Strom ein. Dies führt in der Praxis allerdings meist zu einer Zerstörung der Diode (infolge zu hoher Erwärmung) und muss daher vermieden werden. Die in Bild 2b gekennzeichnete Spannung U Z heißt Durchbruchspannung. Die gesamte in Bild 2b dargestellte Kennlinie nennt man Diodenkennlinie. 4. Zenerdioden Zenerdioden (auch kurz als Z-Dioden bezeichnet) sind im Prinzip genauso aufgebaut wie normale Dioden. Die Halbleiterschichten sind jedoch wesentlich stärker dotiert. Es wird also den Halbleiterschichten mehr Fremdstoff zugesetzt als das bei anderen Dioden der Fall ist. Dies hat zur Folge, dass die in Bild 2b gekennzeichnete Durchbruchspannung U Z, die bei Zenerdioden auch als Zenerspannung bezeichnet wird, sehr niedrig wird und manchmal nur wenige Volt beträgt. Dadurch können Zenerdioden in Sperrrichtung betrieben werden, ohne dass sie infolge zu starker Erwärmung zerstört werden. Angewendet werden Zenerdioden zum Beispiel zur Begrenzung oder zur Stabilisierung von Spannungen. Dabei werden sie grundsätzlich in Sperrrichtung betrieben. In Durchlassrichtung verhalten sich Zenerdioden wie normale Dioden. In Bild 2c ist das Schaltzeichen einer Zenerdiode dargestellt.

4 3 Versuchsdurchführung A I V U Ge Si Z3,6 Z8,2 Bild 3: Versuchsaufbau 1. Kennlinien einer Germanium- und einer Siliziumdiode Nehmen Sie die Kennlinien I = f(u) einer Germanium- und einer Siliziumdiode mit Hilfe der Schaltung nach Bild 3 zuerst bei 10 C und dann bei 60 C auf (I max = 20 ma). Tragen Sie die Werte direkt in ein vorbereitetes Diagramm ein. Millimeterpapier, Hochformat Empfohlener Maßstab für die waagerechte Achse: 1,6 V =ˆ 16 cm, Empfohlener Maßstab für die senkrechte Achse: 20 ma =ˆ 20 cm) Beschriften Sie die vier aufgenommenen Kennlinien und versehen Sie die gesamte Darstellung mit einer aussagefähigen Überschrift. 2. Kennlinien von Zenerdioden Nehmen Sie die Kennlinien I = f(u) der beiden Zenerdioden nach der Schaltung in Bild 3 bei 10 C im Bereich ( 10 ma < I < + 5 ma) auf. Tragen Sie die Werte direkt in ein vorbereitetes Diagramm ein. Da die Zenerdioden normalerweise in Sperrrichtung betrieben werden, muss in Durchlassrichtung nur eine Kennlinie aufgenommen werden und zwar die für die Diode Z3,6. Millimeterpapier, Querformat Waagerechte Achse von ( 9 V) bis (+ 1 V) beziffern, Maßstab:1 V =ˆ 2 cm Senkrechte Achse von ( 10 ma) bis (+ 5 ma) beziffern, Maßstab: 1 ma =ˆ 1 cm Beschriften Sie die aufgenommenen Kennlinien und versehen Sie die gesamte Darstellung mit einer aussagefähigen Überschrift.

5 4 3. Auswertung 3.1 Germanium- und Siliziumdiode Ermitteln Sie (näherungsweise) die Werte der Schleusenspannungen U S der Dioden bei 10 C und bei 60 C dadurch, dass Sie die bei dem Diodenstrom I = 0,1 I max = 2 ma jeweils auftretenden Diodenspannungen aus den aufgenommenen Kennlinien ablesen. Tragen Sie die Ergebnisse in die nachstehende Tabelle ein. (Bitte Einheiten und Vorzeichen mit eintragen!) Ge-Diode Si-Diode U S bei 10 C U S bei 60 C 3.2 Zenerdioden Ermitteln Sie die Zenerspannungen U Z der Zenerdioden dadurch, dass Sie die bei einem Strom von I = 5 ma jeweils auftretenden Diodenspannungen aus den Kennlinien ablesen. Tragen Sie die Ergebnisse in die nachstehende Tabelle ein. (Bitte Einheiten und Vorzeichen mit eintragen!) Z3,6 Z8,2 U Z bei 10 C

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