Statische Kennlinien von Halbleiterbauelementen

Transkript

1 Elektrotechnisches rundlagen-labor I Statische Kennlinien von Halbleiterbauelementen Versuch Nr. 9 Erforderliche eräte Anzahl ezeichnung, Daten L-Nr. 1 Netzgerät V Netzgerät V Vielfachmessgeräte 129/130/131 1 Widerstand 22Ω, 5W 1 Diode 1 Zenerdiode 1 Transistor Transistor PY 62 1 asis-spannungsteiler 1 Abdeckkappe schwarz 1 Rohr 10cm mit Lampe (7V/0,1A) 1 Rohr 5cm mit Lampe (7V/0,1A) 1 Steckbrett mit Transistorfassung 6 Verbindungsleitungen 0,6m 6 Verbindungsleitungen 0,3m Datum: Name: Versuch durchgeführt:

2 1 Theoretische rundlagen 1.1 Statische Kennlinien von Halbleiterbauelementen Im folgenden Versuch soll das leichstromverhalten der Halbleiterbauelemente Diode, Z-Diode, Transistor und Fototransistor messtechnisch untersucht werden. Dabei sollen vorrangig das elektrische Verhalten sowie die technischen Eigenschaften dieser auelemente erklärt werden. Eine Erklärung der physikalischen Vorgänge im Halbleiter kann der angegebenen Literatur entnommen werden. 2 Halbleiterbauelemente 2.1 Halbleiterdiode Vorbemerkung Halbleiterdioden sind Halbleiterbauelemente mit einem pn-übergang, die den Strom bevorzugt in einer Richtung fließen lassen. ild 1 zeigt das Schaltsymbol einer Diode. Die beiden Anschlüsse einer Diode werden als Anode A und Katode K bezeichnet. Ist die Spannung U > 0, so wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben. ei negativen Spannungen U < 0 sperrt die Diode. A I U K ild 1 Schaltsymbol einer Halbleiterdiode Die Diode ist ein weitverbreitetes auelement. Am häufigsten werden Dioden eingesetzt als leichrichter, z.. zur Erzeugung von leichstrom aus Wechselstrom und zur Signaldetektion Kennlinie und charakteristische rößen einer Halbleiterdiode Das elektrische Verhalten einer Halbleiterdiode wird durch die Kennlinie I = f (U) beschrieben. Der typische Verlauf der Kennlinie einer Halbleiterdiode ist in ild 2 dargestellt. Wird die Diode in Durchlassrichtung betrieben, d.h. U > 0, so steigt der Strom I stark an. Er darf einen Maximalwert I max nicht überschreiten, da die Diode sonst thermisch zerstört wird. Eine weitere charakteristische röße der Kennlinie ist 2

3 die Durchlassspannung U D bei der der Strom I in der rößenordnung von 0,1 Imax liegt. Typische Werte für die Durchlassspannung U D liegen bei ermaniumdioden im ereich von 0,2 bis 0,4V und bei Siliziumdioden im ereich von 0,5 bis 0,8V. Wird die Diode im Sperrbereich betrieben, d.h. U < 0, so fließt ein Sperrstrom I s, dessen etrag um einige Zehnerpotenzen kleiner ist als der maximal zulässige Strom I max. Typische Werte für den Sperrstrom I s und den maximal zulässigen Strom I max liegen für ermaniumdioden bei I s = 100nA und I max = 100mA und für Siliziumdioden bei I s = 10pA und I max = 100mA. Der Sperrstrom ist also bei Siliziumdioden wesentlich kleiner als bei ermaniumdioden. Für Spannungen U kleiner als die maximale Sperrspannung U spmax steigt der etrag des Sperrstroms sehr stark an. Normale Halbleiterdioden dürfen in diesem ereich nicht betrieben werden, weil sonst lokale Erwärmungen zur Zerstörung der Diode führen können. Die maximale Sperrspannung U spmax ist stark von der auart der Diode abhängig und liegt zwischen 5V und 10kV. I I max U Spmax I 0 U 0 U ild 2 Kennlinie einer Hableiterdiode Dioden mit speziellen Eigenschaften Schottky-Dioden sind Dioden mit sehr kurzen Schaltzeiten, die vorrangig im Hochfrequenzbereich eingesetzt werden. Sie haben einen Metall-Halbleiter-Übergang, der ebenfalls leichrichterwirkung besitzt. Ein weiteres Merkmal ist die im Vergleich zu Siliziumhalbleiterdioden kleinere Durchlassspannung U D von ca. 0,3V. Das Schaltsymbol einer Schottky-Diode zeigt ild 3. A K ild 3 Schaltsymbol einer Schottky-Diode 3

4 Die Sperrschichtkapazität einer Diode nimmt mit zunehmendem etrag der Sperrspannung ab. Dioden, die diesen Effekt besonders ausgeprägt zeigen, heißen Kapazitätsdioden. Das Schaltsymbol einer Kapazitätsdiode ist in ild 4 dargestellt. Kapazitätsdioden werden vorrangig im UHF-ereich zur Realisierung von Schwingkreisen mit spannungsgesteuerter Resonanzfrequenz eingesetzt. A K ild 4 Schaltsymbol einer Kapazitätsdiode Der etrag des Sperrstroms I s steigt für Spannungen U < U spmax stark an. ei der Z- Diode ist die maximale Sperrspannung U spmax, bei der dieser steile Anstieg des Sperrstroms erfolgt, genau spezifiziert. Die Spannung U spmax wird bei der Z-Diode auch als Z-Spannung U Z bezeichnet. Z-Dioden sind für Z-Spannungen U Z von 3 bis 200V erhältlich. Die Durchlassspannung U D beträgt bei Z-Dioden ca. 0,6V. Z-Dioden werden hauptsächlich zur Stabilisierung von leichspannungen eingesetzt. Das Schaltsymbol einer Z-Diode zeigt ild 5. A K ild 5 Schaltsymbol einer Zenerdiode Die Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement, dessen pn-übergang dicht unter der Oberfläche des Kristalls liegt. Die Sperrschicht ist dadurch dem Licht zugänglich. Die Fotodiode wird stets in Sperrrichtung betrieben. Die durch das einfallende Licht in der Sperrschicht freigesetzten Ladungsträger bewirken eine Vergrößerung des Sperrstroms. Der Sperrstrom oder Fotostrom I P erhöht sich linear mit der estrahlungsstärke. ild 6 zeigt das Schaltsymbol einer Fotodiode. A K ild 6 Schaltsymbol einer Fotodiode 4

5 2.2 ipolare Transistoren Vorbemerkung ipolare Transistoren sind Halbleiter-Dreischicht-auelemente. Jede der drei Halbleiterschichten ist mit einer Elektrode verbunden. Der bipolare Transistor hat zwei pn- Übergänge. Die Elektrode, die mit der mittleren Halbleiterschicht verbunden ist, wird als asis bezeichnet. Die beiden anderen Elektroden heißen Emitter E und Kollektor. Transistoren werden in zwei unterschiedlichen, zueinander komplementären Schichtenfolgen hergestellt: als npn- bzw. als pnp-typ. ild 7 zeigt den schematischen Aufbau, das Diodenersatzschaltbild und das Schaltzeichen eines bipolaren npn-transistors. Im normalen etrieb wird die Emitter-asis-Strecke in Durchlassrichtung und die Kollektor-asis-Strecke in Sperrrichtung betrieben. ipolare Transistoren werden zum Verstärken und Schalten elektrischer Signale eingesetzt. n p n E E E a) b) c) ild 7 npn-transistor a) schematischer Aufbau b) Diodenersatzschaltbild c) Schaltzeichen Kennlinien und charakteristische rößen eines bipolaren Transistors Das Verhalten eines Transistors wird durch seine Kennlinienfelder beschrieben. Die folgenden etrachtungen gelten für npn-transistoren. ei pnp-transistoren kehren alle Spannungen und Ströme ihr Vorzeichen um. 5

6 Fließt durch Anlegen einer Eingangsspannung U E ein asisstrom I und misst man den Ausgangsstrom I als Funktion der Ausgangsspannung U, so erhält man das in ild 7 dargestellte Ausgangskennlinienfeld I = f (U ) mit I als Parameter. Man erkennt, dass der Kollektorstrom I oberhalb einer bestimmten Ausgangsspannung, die als Sättigungsspannung U sat bezeichnet wird, nur wenig von U abhängig ist. Kleine Änderungen des asisstroms I bewirken eine große Kollektorstromänderung. Diese Eigenschaft lässt sich noch deutlicher an der Stromsteuerkennlinie I = f (I) mit U als Parameter ablesen. Im egensatz zur Elektronenröhre lässt sich ein Transistor nicht stromlos steuern. Dies erkennt man an der Eingangskennlinie I = f (U E ) mit U als Parameter, die ebenfalls in ild 8 dargestellt sind. Stromsteuerkennlinie I = f(i ) U = 6V I ma 100 Ausgangskennlinienfeld I = f(u ) 0,45 0,4 0,35 0,3 U = 1V 0,25 0,2 50 0,15 0,1 0,05 I = 0,025 ma I 0,5 0,4 0,3 0,2 0, U ma U = 6V 0,5 Eingangskennlinie I = f(u E ) 1 U E ild 8 Kennlinienfeld eines bipolaren Siliziumtransistors 107 6

7 Transistoren werden häufig als lineare Verstärker betrieben. Das ist näherungsweise möglich, indem man einen bestimmten Arbeitspunkt I A, U A vorgibt und eine kleine Aussteuerung um diesen Arbeitspunkt vornimmt. Zur erechnung solcher linearen Verstärkerschaltungen ersetzt man die Kennlinien in der Umgebung des Arbeitspunkts durch ihre Tangenten. Die Steigungen der Tangenten bezeichnet man als differenzielle Kenngrößen des Transistors. Die Abhängigkeit des Kollektorstroms I von der Kollektor-Emitter- Spannung U wird durch den differenziellen Ausgangswiderstand r δ U = (1) δ I I = const. charakterisiert. Man erkennt in ild 8, dass r bei größeren Kollektorströmen kleiner wird, da die Steigung der Ausgangskennlinien zunimmt. Der Kollektorstrom I ist in erster Näherung zum asisstrom I proportional, wie die Stromsteuerkennlinie in ild 8 zeigt. Das Verhältnis I = (2) I heißt statische Stromverstärkung. Zur erechnung der Stromänderung in einem Arbeitspunkt definiert man die differenzielle Stromverstärkung δ I β = (3) δ I U = const. Zur harakterisierung der durch den Eingangsstrom I bedingten elastung definiert man den differenziellen Eingangswiderstand r E δ U E = (4) δ I U = const. Die Änderung des Kollektorstroms I als Folge einer Änderung von U E wird durch die Steilheit δ I S = (5) δu U = const. E charakterisiert. Eine weitere wichtige Kenngröße eines Transistors ist die maximal zulässige Verlustleistung P vmax. Unter der Verlustleistung P v versteht man die im Transistor in Wärme umgesetzte Leistung P = U I + U I U I (6) v E 7

8 Da die Temperatur der Sperrschicht einen bestimmten Wert ϑ j nicht überschreiten darf, ist die maximal zulässige Verlustleistung P vmax von der Kühlung abhängig. 2.3 Fototransistor Der Fototransistor besteht aus einer Fotodiode und einem bipolaren Transistor. Die Fotodiode ist in dem bipolaren Transistor als dessen Kollektordiode integriert. ild 9 zeigt das Schaltsymbol und das Ersatzschaltbild eines Fototransistors. I P E E a) b) ild 9 Fototransistor a) Schaltsymbol b) Ersatzschaltbild Im Prinzip entspricht ein Fototransistor nach ild (8b) einer Fotodiode mit nachgeschaltetem Transistor als Verstärker. ei eleuchtung der Kollektorsperrschicht erhöht sich der Fotostrom I P. Dieser Fotostrom I P hat die gleiche Wirkung wie ein asisstrom. Das Ausgangskennlinienfeld I = f (U ) ist in ild 10 dargestellt. Schon bei geringer Spannung U erreicht der Kollektorstrom I seinen Sättigungswert, d.h. der Strom I ist dann von der angelegten Spannung U nahezu unabhängig. Der Kollektorstrom I ist in diesem Sättigungsbereich nur vom Fotostrom I P abhängig, der als asisstrom wirkt und der estrahlungsstärke E proportional ist. 8

9 I E E = const. U ild 10 Prinzipieller Verlauf des Ausgangskennlinienfeld I = f (U ) eines Fototransistors mit der estrahlungsstärke E als Parameter 3 Literatur [1] Müller, R. rundlagen der Halbleiter-Elektronik Springer Verlag, New York, 7. Auflage 1995 Fachbereichsbibliothek: ELT 530/004 [2] Tietze, Ulrich; Schenk, hristoph: Halbleiter-Schaltungstechnik Springer Verlag, 11. Auflage 1999 Fachbereichsbibliothek: ELT 530/001 9

10 4 Fragen und Aufgaben 1. Was versteht man unter einem p-halbleiter? 2. Was versteht man unter einem n-halbleiter? 3. Nennen Sie wichtige Halbleiterbauelemente und ihre Anwendungen! 4. Wie kann man mit einem Widerstandsmessgerät die Polarität einer Halbleiterdiode feststellen? 5. Üblicherweise ist bei Transistoren der Emitter gekennzeichnet. Wie kann man mit einem Widerstandsmessgerät feststellen, ob es sich um einen pnp- oder npn-typ handelt? 6. Erklären Sie die Funktion des Fototransistors anhand seines Ersatzschaltbildes! Wie sieht das Kennlinienfeld I = f (I ) mit der estrahlungsstärke E als Parameter aus? 5 Versuchsanleitung 5.1 Halbleiterdiode Stellen Sie mit dem Widerstandsmessgerät die Polarität der zu untersuchenden Diode fest! auen Sie die bei Diagramm 1 dargestellte Schaltung auf und messen Sie die Kennlinie I = f (U) der Serienschaltung des ohmschen Widerstands und der Diode! Die Kennlinie soll in Diagramm 1 eingetragen werden. Im Durchlassbereich sind Spannungsschritte von 0,25V, im Sperrbereich von 1V empfehlenswert. Im Durchlassbereich ist die Spannung 2V, im Sperrbereich ist die Spannung 6V nicht zu überschreiten. Zur Strommessung ist das Vielfachmessgerät zu verwenden. auen Sie die bei Diagramm 2 dargestellte Schaltung auf und messen Sie die Kennlinie I = f (U) der Diode! Die Kennlinie soll in Diagramm 2 eingetragen werden. Im Durchlassbereich sind Spannungsschritte von 0,1V, im Sperrbereich von 1V empfehlenswert. Im Durchlassbereich ist die Spannung 0,8V, im Sperrbereich ist die Spannung 6V nicht zu überschreiten. Zur Strommessung ist das Vielfachmessgerät zu verwenden. 10

11 5.2 Z-Diode Stellen Sie mit dem Widerstandsmessgerät die Polarität der zu untersuchenden Zenerdiode fest! auen Sie die bei Diagramm 3 dargestellte Schaltung auf und messen Sie die Kennlinie I = f (U) der Z-Diode! Die Kennlinie soll in Diagramm 3 eingetragen werden. Im Durchlassbereich sind Spannungsschritte von 0,1V, im Sperrbereich von 1V empfehlenswert. Im Durchlassbereich ist die Spannung 0,8V, im Sperrbereich ist die Spannung 4,8V nicht zu überschreiten. Zur Strommessung ist das Vielfachmessgerät zu verwenden. 5.3 Transistor auen Sie die bei Diagramm 4 oben dargestellte Schaltung mit dem Transistor 639 auf! ei den folgenden Messungen dürfen die Kollektor-Emitter-Spannung den Wert U = 16V und der asisstrom den Wert I = 0,6mA nicht überschreiten. Es sind folgende asisströme einzustellen: I /ma = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4. Messen Sie für jeden dieser asisströme den Kollektorstrom I abhängig von der Kollektor-Emitter-Spannung U! Es ist zweckmäßig, U in Schritten von 1V zu ändern. Die Ausgangskennlinien I = f (U ) mit I als Parameter sind in den ersten Quadranten von Diagramm 4 einzutragen. auen Sie die bei Diagramm 4 unten dargestellte Schaltung auf! Messen Sie für jeden der oben angegebenen asisströme I die asis-emitter-spannung U E abhängig von U! Es ist zweckmäßig, U in Schritten von 1V zu ändern. Die Kennlinien U E = f (U ) mit I als Parameter sind in den vierten Quadranten von Diagramm 4 einzutragen. 5.4 Fototransistor auen Sie die bei Diagramm 5 dargestellte Schaltung mit dem Fototransistor PY 62 auf! Der Transistor kann mit einem Rohr lichtdicht abgedeckt oder mit in Rohre eingebauten Lampen (7V/0,1A) beleuchtet werden. Zum eleuchten ist jeweils ein Rohr mit der Länge l 1 = 10cm und der Länge l 2 = 5cm vorhanden, von denen in jedes die gleiche Lampe eingebaut ist. ei den folgenden Messungen darf die Kollektor-Emitter-Spannung den Wert U = 16V, die asis-emitter-spannung den Wert U E = 0,7V und der asisstrom den Wert I = 12µA nicht überschreiten. 11

12 Messen Sie den Kollektorstrom I bei I = 8µA abhängig von der Kollektor-Emitter- Spannung U für jeden der drei untengenannten eleuchtungszustände (a), (b) und (c)! Tragen Sie die drei Kennlinien I = f (U ) in den ersten Quadranten von Diagramm 5 ein! a) Transistor abgedeckt, b) Transistor beleuchtet, Rohrlänge l 1 = 10cm, c) Transistor beleuchtet, Rohrlänge l 2 = 5cm. Stellen Sie die Kollektor-Emitter-Spannung U = 7V ein und messen Sie den Kollektorstrom I abhängig vom asisstrom I bei den drei eleuchtungszuständen! Tragen Sie die drei Kennlinien I = f (I ) in den zweiten Quadranten von Diagramm 5 ein! 12