HSD FB E I. Hochschule Düsseldorf Fachbereich Elektro- und Informationstechnik. Datum: WS/SS Gruppe:

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1 HSD FB E I Hochschule Düsseldorf Fachbereich Elektro- und Informationstechnik Bauelemente-Praktikum Dioden Datum: WS/SS 2.. Gruppe: Teilnehmer 2 3 Name Matr.-Nr. Testat Versuchsaufbau Nr.: verwendete Geräte: Zur Versuchvorbereitung ist die zugeschnittene Größengleichung C D /pf(f r /khz) abzuleiten und in die unter 2. geforderte Form zu bringen. Die Berechnungen zur Herleitung der Gleichung sind (im Original) zum Praktikumstermin mitzubringen. Labor für elektronische Bauelemente und Schaltungen Prof. Dr. Lauffs Dipl.-Ing. Hein Raum M.3a/b Tel.: 2 / 43-38

2 Seite. Grundlagen Der Name Diode ist aus der griechischen Silbe di = zwei und der Endung des Wortes Elektrode entstanden. Dioden sind zweipolige Bauelemente mit nichtlinearer, unsymmetrischer Strom/Spannungs-Kennlinie. Sie werden als Vakuumdioden (Röhrendioden) und als Halbleiterdioden realisiert. Vakuumdioden sind nicht Bestandteil des vorliegenden Versuchs und sollen deshalb nicht weiter erörtert werden.. pn-dioden, Halbleiterdioden mit pn-übergang Materialen zur Herstellung von Halbleiterdioden sind Germanium (Ge), Silizium (Si) oder der Verbindungshalbleiter Galliumarsenid (GaAs). Gezielte Einbringung von Fremdatomen in die Kristallstruktur macht daraus p- oder n-halbleiter. Eine pn-diode ist ein mit Kontakten versehener Übergang zwischen einem p- und einem n-dotierten Halbleiter. Die Funktion einer pn-diode beruht auf der Ausbildung einer als Sperrschicht wirkenden Raumladungszone zwischen der p- dotierten Anode und der n-dotierten Kathode. Mit steigender Durchlaßspannung U F wird die Sperrschicht abgebaut und der Durchlaßstrom I F nimmt zu. Umgekehrt steigt die Breite der Sperrschicht mit zunehmender Sperrspannung U R an, so daß nur noch ein geringer Sperrstrom I R fließen kann. Bei einigen ma Durchlaßstrom liegt die Durchlaßspannung von Ge-Dioden im Bereich von,2 bis,4 V; bei Si-Dioden sind es, bis,8 V und GaAs erreicht,2 V. Ge- und Si-Dioden werden meist als Gleichrichterdioden eingesetzt. Dabei haben Ge-Dioden gegenüber Si-Dioden den Vorteil der kleineren Durchlaßspannung, verbunden mit dem Nachteil des größeren Sperrstroms und einer größeren Temperaturempfindlichkeit. GaAs-Dioden finden hauptsächlich als Lumineszenzdioden in der Optoelektronik Verwendung..2 Z-Dioden Überschreitung der maximalen Sperrspannung führt bei allen Dioden zum Spannungsdurchbruch und einem damit verbundenen steilen Anstieg des Sperrstroms. Z-Dioden sind speziell für diesen Betriebszustand ausgelegte Si-pn-Dioden mit genau definiertem Durchbruchsverhalten. Sie werden durch den Spannungsdurchbruch nicht zerstört, solange die zulässige Verlustleistung nicht überschritten wird. Spannungsdurchbrüche unter V beruhen auf dem Zener-Effekt (Clarence Zener, Festkörperphysiker, 9-993), darüber auf dem Avalanche-Effekt. Abhängig vom Effekt spricht man deshalb auch von Zener-Dioden oder Avalanche-Dioden. Entgegen weitverbreiteten Gepflogenheiten darf die Bezeichnung 'Z-Diode' aber keinesfalls mit 'Zener-Diode' gleichgesetzt werden! Vielmehr weist die Bezeichnung auf den definierten Z-förmigen Kennlinienverlauf hin. Im (veralteten) Symbol der Z-Diode ist ein stilisiertes Z wiederzuerkennen. Handelsübliche Z-Dioden haben Durchbruchsspannungen von 2 bis 3 V. Ihre Durchlaßspannung liegt, wie bei normalen Si-Dioden, bei, bis,8 V. Sie werden zur Spannungsbegrenzung und Spannungsstabilisierung eingesetzt. Dabei ist die Stabilisierung um so besser, je steiler der Strom im Durchbruch ansteigt; je kleiner also der differentielle Widerstand r z = U R / I R im Durchbruch ist..3 Schottky-Dioden (Walter Schottky, Festkörperphysiker, ) Schottky-Dioden (mit dem 'S' für Schottky im Symbol) besitzen statt des pn-übergangs einen Metall-Halbleiterübergang, der ebenfalls eine unsymmetrische Strom/Spannungs-Kennlinie mit Gleichrichtereigenschaften hat. Sie haben geringere Verzögerungszeiten beim Übergang vom Durchlaß- zum Sperrbetrieb als pn-dioden. Bei gleichem Strom und gleicher Querschnittsfläche zeichnen sie sich gegenüber Si-Dioden durch eine kleinere Durchlaßspannung, verbunden mit dem Nachteil des größeren Sperrstroms aus. Außerdem erreichen handelsübliche Si-Schottky-Dioden nur eine maximale Sperrspannung von V..4 Kapazitätsdioden Bei einer in Sperrichtung betriebenen Diode sind die gutleitenden p- und n-zonen durch die nichtleitende Sperrschicht getrennt. Die Sperrschicht verhält sich wie das Dielektrikum eines Kondensators. Da die Breite der Sperrschicht mit der Sperrspannung U R steigt und demzufolge die Sperrschichtkapazität der Diode C D sinkt, kann die Diode als spannungsabhängige Kapazität C D (U R ) eingesetzt werden. Literatur zu dem behandelten Themengebiet: K. Beuth: Elektronik 2 - Bauelemente, Vogel Buchverlag, Würzburg E. Böhmer: Elemente der angewandten Elektronik, Vieweg Verlag, Braunschweig/Wiesbaden B. Morgenstern: Elektronik - Bauelemente, Vieweg Verlag, Braunschweig/Wiesbaden U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiterschaltungstechnik, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg M. Reisch: Elektronische Bauelemente, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg

3 Seite 2 2. Versuchsvorbereitung und -durchführung Im Rahmen dieses Laborversuchs sind die Strom/Spannungs-Kennlinien einer Germaniumdiode, einer Siliziumdiode, einer Schottky-Diode und einer Z-Diode zu ermitteln. Außerdem ist die Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität einer Kapazitätsdiode von der Sperrspannung zu messen und als C(U)-Kennlinie darzustellen. Dazu steht ein Versuchsbrett zur Verfügung, das die Dioden und die Meßschaltungen enthält und nach folgender Abbildung mit den dargestellten Laborgeräten zu verbinden ist: Netzgerät analoges Multimeter PM 23 PHILIPS digitales Multimeter Funktionsgenerator sw bl rt rt sw rt sw f : khz Bereich, u ss = 2 V ~ Versuchsbrett Farben der Verbindungsleitungen (Laborleitungen, Meßleitungen): rot : + blau : schwarz : Masse -2V +2V A V U=...2V Spannungseinstellung R v D x Si/UF Si/U R Schottky/U F Ge/U R Schottky/U R Ge/U F Z-D/U F Z-D/U R Diodenwahlschalter G L Kapazitätsd./U R Oszilloskop Oszilloskop Gewöhnen Sie sich an, rote Verbindungsleitungen für die positive Betriebsspannung, blaue für die negative Betriebsspannung und schwarze für alle Masseleitungen zu verwenden! Es verbessert die Übersichtlichkeit und erleichtert eine evtl. Fehlersuche. Funktionsgenerator und Oszilloskop werden über BNC/Bananenstecker-Kabel angeschlossen. Auch hier gilt: schwarz = Masse! Das Versuchsbrett benötigt eine positive und eine negative Betriebsspannung von je 2 V, die dem Doppelnetzgerät zu entnehmen sind. Die Meßspannung für die Dioden wird intern im Versuchsbrett erzeugt und ist über den Drehknopf "Spannungseinstellung" zu variieren. Ob die Meßspannung als Durchlaßspannung U F oder als Sperrspannung U R an die jeweils ausgewählte Diode angelegt wird, hängt von der Stellung des "Diodenwahlschalters" ab. Der Vorwiderstand R V in Reihe zur Diode begrenzt den Diodenstrom und verhindert eine versehentliche Überlastung der Diode. Zur Diodenstrommessung über 3 na wird das analoge Multimeter als Amperemeter benutzt. Für Ströme unter 3 na ist das analoge Multimeter als Voltmeter im,3 V-Meßbereich in Reihe zur Diode zu schalten. Der durch den MΩ Innenwiderstand des Voltmeters fließende Strom errechnet sich dann zu I = U/ MΩ. Bei,3 V (Vollausschlag) Spannungsanzeige z.b. fließen dann 3 na durch das Instrument und damit auch durch die Diode. Die Diodenspannung ist mit dem digitalen Multimeter zu messen. Eine aktive Meßschaltung im Versuchsbretts sorgt dafür, daß dessen Eigenverbrauch die Strommessung nicht verfälscht. Die Kapazitätsdiode ist im Versuchsbrett Bestandteil eines Parallelresonanzkreises, der mit einer sinusförmigen Wechselspannung variabler Frequenz zu Schwingungen angeregt wird. Bei der Resonanzfrequenz f r erreicht die mit dem Oszilloskop über dem Resonanzkreis meßbare Spannung ihr Maximum. U R C 2 R nf C C D 6 pf L 2, mh C S 4 pf Thomson - Gleichung f r = 2π LC ges Die Diodensperrspannung U R wird über einen hochohmigen Widerstand R zugeführt, der den Kreis praktisch nicht bedämpft und die Resonanzfrequenz nicht beeinflußt. Der Resonanzkreis besteht aus einer Spule mit der Induktivität L und der Streukapazität C S, zwei Kondensatoren C und C 2 sowie der Kapazitätsdiode mit der Kapazität C D. C 2 verhindert den Kurzschluß der Diodensperrspannung über die Spule. Die kombinierte Reihen- und Parallelschaltung aller Kapazitäten ergibt die Gesamtkapazität C ges, aus der sich mit der Induktivität L nach der Thomson-Gleichung die Resonanzfrequenz f r berechnen läßt. Zur Darstellung der C(U)-Kennlinie muß aus der gemessenen Resonanzfrequenz f r die Diodenkapazität C D berechnet werden. Leiten Sie als Versuchsvorbereitung eine zugeschnittene Größengleichung C D /pf(f r /khz) ab und notieren Sie die Gleichung auf dem Arbeitsblatt 'Kapazitätsdiode', Abschnitt 2. in der dort geforderten Form!

4 Seite 3 2. Germaniumdiode Die Strom/Spannungs-Kennlinie einer Germaniumdiode ist in Durchlaß- und Sperrichtung zu messen und graphisch darzustellen. Schalten Sie dazu den Diodenwahlschalter auf Ge.Di.U F. Stellen Sie mit dem Drehknopf "Spannungseinstellung" auf dem Versuchsbrett die in der nebenstehenden Tabelle eingetragenen Werte der Durchlaßspannung U F ein und notieren Sie die gemessenen Durchlaßströme I F. Danach schalten Sie den Diodenwahlschalter auf Ge.Di.U R um, stellen die Sperrspannungen U R ein und messen die zugehörigen Ströme I R in Sperrrichtung. Zeichnen Sie die Durchlaß- und Sperrkennlinie der Diode! U F /V I F /ma U R /V I R /µa,2,3,4,6,9 2,2 2 I F /ma,,2,3,4,,6,7,8,9, U F /V,2 I R /µa U R /V 2

5 Seite Siliziumdiode Die Strom/Spannungs-Kennlinie einer Siliziumdiode ist in Durchlaß- und Sperrichtung zu messen und graphisch darzustellen. Schalten Sie dazu den Diodenwahlschalter auf Si.Di.U F. Stellen Sie zunächst die ersten beiden Werte der Durchlaßspannung U F aus der nebenstehenden Tabelle ein und notieren Sie die gemessenen Durchlaßströme I F. Dann verändern Sie U F, bis die vorgegebenen Tabellenwerte für I F erreicht werden und notieren die zugehörigen Meßwerte für U F. Schließlich schalten Sie den Diodenwahlschalter auf Si.Di.U R um, stellen die Sperrspannungen U R ein und messen die zugehörigen Ströme I R in Sperrichtung. Zur Messung der Sperrströme in der Größenordnung na benutzen Sie den,3 V-Bereich des Analogmultimeters, wie zu Beginn des Abschnitts 2 beschrieben. Zeichnen Sie die Durchlaß- und Sperrkennlinie der Diode! U F /V I F /ma U R /V I R /na,, 3 2 I F /ma ,,2,3,4,,6,7 UF /V,8 2 I R /na U R /V 2

6 Seite 2.3 Schottky-Diode Die Strom/Spannungs-Kennlinie einer Schottky-Diode ist in Durchlaß- und Sperrichtung zu messen und graphisch darzustellen. Schalten Sie dazu den Diodenwahlschalter auf Schottky.Di.U F. Stellen Sie zunächst die ersten drei Werte der Durchlaßspannung U F aus der nebenstehenden Tabelle ein und notieren Sie die gemessenen Durchlaßströme I F. Dann verändern Sie U F, bis die vorgegebenen Tabellenwerte für I F erreicht werden und notieren die zugehörigen Meßwerte für U F. Schließlich schalten Sie den Diodenwahlschalter auf Schottky.Di.U R um, stellen die Sperrspannungen U R ein und messen die zugehörigen Ströme I R in Sperrichtung. Zeichnen Sie die Durchlaß- und Sperrkennlinie der Diode! U F /V I F /ma U R /V I R /µa,,, I F /ma,,2,3 UF /V,4, I R /µa,8,7,6,,4,3,2, U R /V 2

7 Seite Z-Diode Die Strom/Spannungs-Kennlinie einer Z-Diode ist in Durchlaßund Sperrichtung zu messen und graphisch darzustellen. Schalten Sie dazu den Diodenwahlschalter auf Z-Di.U F. Stellen Sie zunächst die ersten beiden Werte der Durchlaßspannung U F aus der nebenstehenden Tabelle ein und notieren Sie die gemessenen Durchlaßströme I F. Verändern Sie U F, bis die vorgegebenen Tabellenwerte für I F erreicht werden und notieren die zugehörigen Meßwerte für U F. Für U R und I R schalten Sie den Diodenwahlschalter auf Z-Di.U R um und verfahren entsprechend. Zeichnen Sie die Durchlaß- und Sperrkennlinie der Diode und ermitteln Sie aus der Sperrkennlinie graphisch den differentiellen Widerstand r z der Z-Diode bei I R = ma! r z = U F /V I F /ma U R /V I R /ma,,6 4,,,,,,, I F /ma,,,,2,3,4,,6,7 U F /V,8 I R /ma 4 4,, 6 6, U R /V 7

8 Seite 7 2. Kapazitätsdiode Zur Aufnahme der Kapazitätsdiodenkennlinie C D (U R ) bleiben Multimeter und Netzgerät wie bei den vorhergehenden Messungen angeschlossen. Zusätzlich werden jetzt der Funktionsgenerator und das Oszilloskop benötigt. Stellen Sie die Ausgangsspannung des Funktionsgenerators unter Kontrolle auf dem Oszilloskop bei f = khz Sinus auf einen Spitze-Spitze-Wert u ss = 2 V ein. (Zur Einstellung ist das Oszilloskop kurzzeitig direkt mit dem Funktionsgeneratorausgang zu verbinden!) Schalten Sie den Wahlschalter auf Kapazitätsdiode und stellen Sie mit dem Drehknopf sukzessiv die in der nebenstehenden Tabelle eingetragenen Werte der Sperrspannung U R ein. Bei jeder Spannungseinstellung variieren Sie die Frequenz am Funktionsgenerator, bis die mit dem Oszilloskop über dem Resonanzkreis zu messende Spannung das Maximum erreicht. Tragen Sie die am Funktionsgenerator angezeigte Frequenz als Resonanzfrequenz f r neben der zugehörigen Sperrspannung in die Tabelle ein. Zur Auswertung benutzen Sie die von Ihnen als Versuchsvorbereitung abgeleitete Formel und berechnen aus der Resonanzfrequenz f r die Kapazität C D der Kapazitätsdiode. Tragen Sie die errechneten Werte in die Tabelle ein und zeichnen Sie die Kennlinie C D (U R )! Formel: C D /pf = ( f / khz) 2 Konstante Konstante Konstante U R /V f r /khz C D /pf,,,2,3,4,6,8, 2, 4, 6, 8, 2, 4 C D /pf U R /V 2