Versuch 2 Halbleiterdioden II

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1 Versuch 2 Halbleiterdioden II

2 3.) usarbeitung 3.1.) Bestimmung der iffusionsspannung U a.) er C -2 = f(u) Verlauf ist darzustellen U C C -2 U C C -2 V pf *F -2 V pf *F -2-1,00 67,00 222, ,24 88,00 129, ,98 67,00 222, ,22 89,00 126, ,96 67,00 222, ,20 90,00 123, ,94 68,00 216, ,18 91,00 120, ,92 68,00 216, ,16 92,00 118, ,90 69,00 210, ,14 94,00 113, ,88 69,00 210, ,12 95,00 110, ,86 69,00 210, ,10 96,00 108, ,84 70,00 204, ,08 97,00 106, ,82 70,00 204, ,06 99,00 102, ,80 70,00 204, ,04 101,00 98, ,78 71,00 198, ,02 102,00 96, ,76 71,00 198, ,00 104,00 92, ,74 72,00 192, ,02 107,00 87, ,72 72,00 192, ,04 109,00 84, ,70 73,00 187, ,06 111,00 81, ,68 73,00 187, ,08 114,00 76, ,66 74,00 182, ,10 117,00 73, ,64 74,00 182, ,12 120,00 69, ,62 75,00 177, ,14 124,00 65, ,60 75,00 177, ,16 128,00 61, ,58 76,00 173, ,18 133,00 56, ,56 76,00 173, ,20 140,00 51, ,54 77,00 168, ,22 148,00 45, ,52 78,00 164, ,24 159,00 39, ,50 78,00 164, ,26 174,00 33, ,48 79,00 160, ,28 197,00 25, ,46 79,00 160, ,30 234,00 18, ,44 80,00 156,25 0,32 301,00 11, ,42 81,00 152, ,34 405,00 6, ,40 81,00 152, ,36 559,00 3, ,38 82,00 148, ,38 763,00 1, ,36 82,00 148, ,40 962,00 1, ,34 83,00 145, , ,00 0, ,32 84,00 141, , ,00 0, ,30 85,00 138, ,28 86,00 135, ,26 87,00 132,11784

3 C^-2 = f(u) C^-2/10 18*F^ y = -129,85x + 97,572 C^-2=f(U) Linear (C^-2=f(U) 0-1,50-1,00-0,50 0,00 0,50 1,00U/V -50 b.) ie iffusionsspannung U ist zu bestimmen ie iffusionsspannung U ist der x-chsen Schnittpunkt der Kurve C -2 = f(u). Zur Bestimmung haben wir aus den einzelnen Messwerten für C C -2 ausgerechnet und die usgleichsgerade gezeichnet. Laut Excel ist die Formel für die Gerade y=-129,85x + 91,572. Für y = 0 ergibt sich für den Schnittpunkt x = 91,572/129,85 = 0,705. Einheit der x-chse ist V, also beträgt U = 0,705 V. Bei dem selbst gezeichneten iagramm ergibt sich durch blesen für den Schnittpunkt der usgleichsgeraden mit der x-chse ein Wert für U = 0,71V. 3.2.) Bestimmung des differentiellen Leitwertes g 0 a.) er differentielle Leitwert g 0 ist zu berechnen und halblogarithmisch aufzutragen. Berechnungsbeispiel für die Messwerte bei U=0,6V: 19 q 1, s 4,94m g0 = I = = 195, 8mS kt 19 5 Vs 1, , K K Weitere Berechnungen in folgender Tabelle: U I g0 V m ms 0, ,3 0,002 0, ,35 0,013 0, ,4 0,057 2, ,45 0,204 8, ,5 0,646 25, ,55 1,76 69, , , ,6 4,94 195,

4 Zeichnung: (Siehe auch nlage!) g0 = f(u) g0 = f(u) 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,1 U/V 0,01 b.) iagramm: siehe nlagen! 3.3.) Bestimmung der usräumladung... durch auszählen der Flächeninhalte der iagramme aus 2.3.) us dem iagramm: Für f= 5, 10, 20 khz beträgt die Fläche 23,76 cm 2 Mit den Maßstäben 2m/cm und 2µs/cm ergibt sich für die Ladung Q = i dt = 23,76 4ns = 95, 04ns Für f = 50 khz beträgt die Fläche 30,72 cm² Mit den Maßstäben 2m/cm und 2µs/cm ergibt sich für die Ladung Q = i dt = 30,27 4ns = 121, 08ns ie Unterschiede zwischen den usräumladungen kommen zustande, da bei einer Frequenz von 50 khz nicht genügend Zeit zum vollständigen bbauen der Ladung Bleibt. ie Periodendauer der Rechteckspannung ist also kleiner, als die Zeit, die die iode braucht, die Ladung aus der iffusionskapazität auszuräumen.

5 4.) Verbindung zum Vorlesungsstoff - ie Sperrschichtkapazität ist die Kapazität zwischen node und Kathode einer Halbleiterdiode, wenn die iode in Sperrrichtung gepolt ist. In diesem Fall bildet die Stark ladungsträgerverarmte Übergangszone eine isolierende Schicht zwischen der gut leitenden P- und N- Zone, deren Breite von der angelegten Spannung abhängig ist. ie in Sperrrichtung gepolte Halbleiterdiode ist mit einem Plattenkondensator vergleichbar, dessen Plattenabstand bzw. Kapazität durch die Sperrspannung beeinflusst werden kann. urch anlegen der Sperrspannung werden die negativen Ladungsträger vom Pluspol und die positiven Ladungsträger vom Minuspol angezogen. adurch verarmt die Sperrschicht weiter an Ladungsträgern und wird breiter. (Bild 2) Ein Verbreitern der Sperrschicht bewirkt ein Verringern der Sperrschichtkapazität. araus lässt sich folgender Zusammenhang ableiten: ie Breite der Sperrschicht und die Kapazität des PN-Überganges hängen von der angelegten Spannung ab. ie Sperrschichtkapazität steigt mit kleiner werdender Sperrspannung. ie bhängigkeit zwischen Sperrschichtkapazität und Sperrspannung verläuft jedoch nicht linear. Zur Beschreibung nichtlinearer Kapazitäten wird nicht die "integrale" Kapazität C (C=Q/U), sondern die differentielle Kapazität verwendet, die den Zusammenhang zwischen Ladungs- und Spannungsänderung angibt. (c(u)=dq/du). ifferentielle Sperrschichtkapazität C S bei Belastung eines pn-übergangs in Sperrichtung Zur Berechnung der Sperrschichtkapazität wird diese Formel verwendet: c s = dq / du sp = q * * N * dw n / du sp Setzt man für die Sperrschichtausdehnung w n die folgende Gleichung ein: 2ε N N wn = so ergibt sich für die 2( N + N ) * ( U + U ) sp Sperrschichtkapazität schließlich : c S = ε qn N 2( N + N )( U + U sp )

6 - ie iffusionskapazität Bei Belastung eines pn-übergangs in urchlaßrichtung tritt neben der Sperrschichtkapazität eine weiterer Speichermechanismus, die iffusionskapazität auf. Unter der iffusionskapazität versteht man eine durch Änderung der Minoritätsträgerdichte entstandene Kapazität, die sich in den Bahngebieten befindet. Beim nlegen einer Spannung in urchlaßrichtung steigt durch Ladungsträgerdiffusion die Konzentration der Minoritätsträger am n- und p-seitigen Rand der Raumladungszone. ie Änderung der Minoritätsträgerdichte ( p n, n p ) bewirkt gleichzeitig eine Änderung der Ladungsmenge ( Q), so daß sich die iffusionskapazität bildet (C diff = Q/ U). Bei einer Erhöhung der Spannung um U wird die Zahl der Minoritätsträger im Bahngebiet um den schraffiert angedeuteten Betrag vergrößert. ies entspricht einer Ladungsspeicherung und somit einem kapazitiven Verhalten. nnäherungsweise lässt sich die iffusionskapazität mit 2 q qu Cdiff = L p p0 exp( ) kt kt beschreiben, wobei allerdings z.b. die Frequenzabhängigkeit nicht berücksichtigt wird. uf das Schaltverhalten einer iode übt die iffusionskapazität einen großen Einfluss aus. Wird ein pn-übergang vom urchlass in den Sperrbereich geschaltet, müssen erst die in den Bahngebieten gespeicherten Minoritätsladungsträger abfließen, bevor der stationäre Sperrzustand erreicht wird. Es werden jedoch nicht nur durch stationäre Vorgänge Trägheitseffekte verursacht, sondern auch durch die Schaltungselemente des äußeren Stromkreises. Wäre es möglich die Spannung sprunghaft von U f auf U sp zu ändern, würde damit die Randkonzentration sprunghaft auf null abgesenkt, so dass im ersten ugenblick des Umspringens von U f auf U sp der Konzentrationsgradient am Sperrschichtrand und damit der Strom in Sperrrichtung beliebig groß sein würde. Tatsächlich wird jedoch der Strom durch den Spannungsabfall am Widerstand des Bahngebietes, dem Bahnwiderstand, bestimmt, so dass der Spannungsabfall an der Sperrschicht sich nicht sprunghaft ändert.