EL1 - Die Diode. E1 - Die Diode Simon Schlesinger Andreas Behrendt

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1 EL1 - Die Diode Einleitung: In diesem Versuch beschäftigen wir uns mit der pn-halbleiterdiode. Im ersten Versuchsteil beschäftigen wir uns mit einer grundlegenden Eigenschaft, nämlich die Kennlinien einer Germaniumdiode und einer Siliziumdiode auszumessen. Später wollen wir noch einige praktische Anwendungen von Dioden betrachten, so können z.b. Gleichrichtungen, Glättungen von Wechselspannungen und der Bau eines spannungsstabilien Netzteils realisiert werden. Dafür werden aus Kondensatoren und einer Drosselspule Filterschaltungen gebaut sowie die Eigenschaft einer Zenerdiode ausgenutzt, sodass eine Spannungstabilisierung statt ndet. Doch zunächst etwas zum Aufbau einer Diode: Bestehend aus einer pn (Ladung: positiv-negativ)-grenzschicht, die durch Dotierung erzeugt wird, ist die Diode ein einfach zu realisierendes Bauteil: Skizze: Hier sehen wir eine pn-diode in Sperrrichtung, d.h. dass im n-bereich der Diode die Elektronen nach rechts angezogen werden und analog auf der anderen Seite sich der p-bereich ebenfalls verkleinert. In der Mitte entstehen so zwei Bereiche mit den Ladungsdichten und +, die sogar als Kondensator der Breite 2d angesehen werden können. Anders als im Plattenkondensator ist das elektrische Feld hier jedoch nicht homogen, sondern nimmt zunächst linear zur Mitte hin zu und dann genauso wieder ab, sodass an den Grenzübergängen zu der jeweiligen p- bzw n-schicht kein E-Feld vorhanden ist. Die Verwendung und Bestimmung des Kondensators sei hier jedoch nur kurz erwähnt, da sie in unserer Versuchsdurchführung keine Anwendung ndet. Wenn die Polaritäten an den Anschlüssen der Diode nun umgetauscht werden ist die Diode in Durchlassrichtung. Dann geht die Sperrschicht der Größe 2d gegen null und die Elektronen können über den p-bereich ab ießen. Es ießt folglich ein Strom, technisch betrachtet von "plus nach minus". Später in Aufgabenteil 1 werden wir feststellen, dass es eine "Durchbruchsspannung" gibt, bei der aus einer nichtleitenden Diode ein stromdurchlässiges Bauteil wird. Die Stromstärke verhält sich hierbei exponentiell, dass sich besonders nach dem Erreichen der Durchbruchsspannung bemerkbar macht. Dieses Verhalten ist an einer Kennlinie, die die Stromstärke gegen die Spannung aufträgt, gut erkennbar. Ebenfalls ist zu berücksichtigen, dass wir strengenommen eine Schar von Kennlinien erhalten würden, die vom Parameter T, der Umgebungstemperatur der Diode, abhängt. Eine einzelne Kennlinie lässt sich demzufolge nur für eine feste Temperatur T 0 feststellen. Teil 1- Messung von Dioden-Kennlinien Seite: 1

2 Wir wollen die Kennlinie einer Germanium-Diode und einer Solizium-Diode ausmessen. Dazu verwenden wir folgende Schaltung: Die Diode sei mit einem 400 Ohm Widerstand in Reihe geschaltet. Der Widerstand dient als Schutz, damit die Diode bei großen Stromstärken in Durchlassrichtung nicht zerstört wird. Mit einem Unigor-Drehspulmessinstrument messen wir die Spannung, die über U R abfällt, um so mit Hilfe des ohmschen Gesetzes auf den Strom zu schließen, der auch durch die in Reihe geschaltete Diode ießt. Wenn die Diode in Sperrrichtung betrieben wird, haben wir jedoch nur noch einen kleinen Reststrom/Kriechstrom, sodass die oben genannte Messmethode sehr unbefriedigend erscheint. Deshalb haben wir hier das Unigor-Messgerät als Amperemeter direkt in Reihe geschaltet. Die Messungenauigkeiten, die durch die die Voltmeter/Amperemeter enstanden sind, sind im R der Fehlerrechnung und in den Fehlerbalken der Diagramme berücksichtigt. Wir haben dabei als Messfehler angenommen: DVM: 0:5% Unigor: 1% Zunächst eine Tabelle mit unseren Messwerten für die Germanium-Diode: Seite: 2

3 Dabei bezeichen wir mit U die Spannung des Netzteils, die wir jedoch nur bis auf eine dezimale Stelle angegeben haben, da sie in den folgenden Rechnungen keine Rolle spielt. Mit U R R ist der Strom durch die Diode gekennzeichnet. Bevor wir unsere Werte inhaltlich auswerten, wollen wir den Strom U R R die Spannung U D graphisch auftragen: gegen Man erkennt bei einer Spannung U D von ca. 0,30V bis 0,35 V, dass der Strom I fortan stark ansteigt. Demzufolge liegt in diesem Bereich die Durchlassspannung, bei der die Diode von nichtleitend dann leitend wird. Halblogarithmisch aufgetragen erhalten wir folgenden Plot: Seite: 3

4 Der Verlauf der Stromstärke ist exponentiell. Gut daran zu erkennen daran, dass er in obigem halblogarithmischen Plot linear ansteigt. Wenn wir nun die Polaritäten umwechseln und die Diode in Sperrrichtung betreiben, erhalten wir folgende Messwerte: In einem Diagramm aufgetragen schaut das Ganze dann so aus: Wir waren leicht überrascht von diesen Ergebnissen, da wir auch hier ein Verhalten erwartet hätten, wie es eine exponentielle Funktion im negativen De nitionsbereich vorgibt: Wir hätten gedacht, dass für den Reststrom gilt: lim I! 0A U! 1 Seite: 4

5 Aus unseren Messungen geht jedoch eine betragsmässig ungefähr linear anwachsende Stromstärke im -Bereich hervor. Zum Vergleich zwischen verschiedenen Herstellungsmaterialien wurde die gleiche Versuchsdurchführung nochmal mit einer Silizium-Zener-Diode vollzogen: Zunächst wieder unsere Messungen in Durchlassrichtung: Im Diagramm aufgetragen erhalten wir: Wir erkennen hier, dass die Durchbruchsspannung / Durchlassspannung bei ca U=0,8V liegt. Dies entspricht ungefähr der typischen Kennlinienmessung einer Si-Diode, bei der die Durchlassspannung mit U=0,7V angegeben wird. Halblogarithmisch erhalten wir demzufolge: Auch hier ist zu erwähnen, dass die Stromstärke gut erkenntbar exponentiell mit der zunehmenden Spannung ansteigt. Seite: 5

6 Seite: 6

7 Betrachten wir nun die Silizium-Zener-Diode in Sperrrichtung: Unsere Messwerte sehen wie folgt aus: Au allend ist, dass der Strom betragsmässig bei immer negativeren Spannungen ( größer werdende Spannungen in Sperrrichtung ) wieder bis in den mv Bereich ansteigt. Plot: Dies lässt gerade erkennen, dass es sich um eine Zener-Diode handelt. In Flussrichtung identisch mit jeder anderen Diode lässt diese Art von Dioden bei immer größer werdenden Spannungen in Sperrrichtung den Kriechstrom wieder ansteigen, folglich wird sie also wieder niederohmig. Realisiert wird dies mit einer besonderen Dotierung von Si-Dioden, sodass die Sperrschicht sehr klein ist. Seite: 7

8 Teil 2 - Gleichrichtung und Glättung einer Wechselspannung sowie der Bau eines spannungsstabilisierten Netzteils 2.1 a) Zunächst wollen wir eine Einweggleichrichtung nach folgendem Plan aufbauen: Betrachten man den Spannungsverlauf von U A für ein maximales R L, so erhält man folgende Kurve: Skizze: In Aufgabenteil b) wollen wir nun noch einen Kondensator C L einbauen, um eine Glättung zu erhalten: Schaltplan: Seite: 8

9 1. C L = 15F Der Spannungsverlauf von U A gleicht dann dieser Skizze: Man kann erkennen, dass im Gegensatz zu vorher die Spannung relativ langsam absinkt. Messen wir nun den Restbrumm U~ und die Gleichspannung U= in Abhängigkeit von I. Dazu verändern wir einfach den Lastwiderstand R L. Wir erhalten damit als Messwerte: Das Verhältnis von U ~ U = liefert uns folgendes Diagramm: Seite: 9

10 Im zweiten Teil wollen wir nun einen Vergleich haben, wenn wir C L erhöhen auf C L = 100F Wir erhalten: Geplotted in einem Diagramm sehen unsere Werte folgendermaßen aus: Die Vergrößerung von C L ist letztendlich dadurch begrenzt, dass der Au adestrom bei steigender Kapazität auch zunehmen und die Diode früher oder später zerstört werden würde. Seite: 10

11 c) Nun wollen wir die Glättung durch das Hinzuschalten eines LC-Siebgliedes verbessern. Wir erweitern unsere Schaltung damit zu: Dabei seien folgende Werte konstant gehalten: C S = 100F L S = 10H C L = 100F Wir führen die gleichen Messungen durch wie in Teil b) und erhalten: Wir zeichen den dazugehörigen Plot: In Aufgabenteil 2.2 wollen wir nun einen Zweiweggleichrichter realisieren. Dies gelingt mit folgender Schaltung: Seite: 11

12 Wir messen analog wie in 2.1c) und erhalten: Der zugehörige Plot hat die Form: Nun wollen wir noch die Frequenz des Restbrumms bestimmen: Für die Frequenz gilt bekanntlich: f = 1 T = s = 100Hz Mit der entsprechenden Einstellung von t im Bereich von Millisekunden ließsich die benötigte Zeit für eine Wellenlänge sehr genau zu 10ms ablesen. 2.3 Spannungsstabilisierung Zum Schlußwollen wir noch ein spannungsstabilisierendes Netzteil realisieren: Folgende Schaltung erfüllt unsere Forderung: Seite: 12

13 Der Widerstand R V ist von großer Bedeutung, weil die Zener-Diode einen Widerstand braucht,. Anderenfalls könnte sie beschädigt werden. Das Netzteil kann als ein Spannungsteiler angesehen werden, bei dem die Spannung über U R geregelt werden kann. Falls die Spannung zwischen der Diode und der Erdung größer als 5V sein sollte, wird die Diode niederohmig. Sobald die Spannung jedoch kleiner wird sperrt sie und die Spannung fällt demzufolge über den Widerständen R V und R L ab. Unsere Messwerte: Der dazugehörige Graph hat die Form: Seite: 13

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