2. Halbleiterbauelemente

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1 Fortgeschrittenpraktikum I Universität Rostock» Physikalisches Institut 2. Halbleiterbauelemente Name: Daniel Schick Betreuer: Dipl. Ing. D. Bojarski Versuch ausgeführt: 20. April 2006 Protokoll erstellt: 22. April 2006

2 Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsbeschreibung Ziel Aufgaben Untersuchung des Schaltverhaltens Theoretische Grundlagen Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Durchführung Untersuchung einer Gleichrichterschaltung Theoretische Grundlagen Oszillografieren der Ströme Oszillografieren der Ausgangsspannung

3 1 Versuchsbeschreibung 1.1 Ziel Bestimmung der statischen und dynamischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen. Untersuchung von Gleichrichterschaltungen. 1.2 Aufgaben 1. Bestimmen Sie die Sperrverzögerungszeit einer Leistungsdiode in Abhängigkeit a) vom Durchlassstrom und b) vom Sperrstrom 2. Oszillografieren Sie in den Schaltungen entsprechend Abbildung 6 a) und b) den Ausgangsstrom, den Kondensatorstrom und den Diodenstrom bei R L = 1kΩ und U e = 6V / 50Hz. Bestimmen Sie den Stromflusswinkel. 3. Oszillografieren Sie die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung entsprechend Abbildung 6 a), b) und c) sowie Abbildung 9 bei U e = 6V / 50Hz. 3

4 2 Untersuchung des Schaltverhaltens 2.1 Theoretische Grundlagen Statisches Verhalten Dioden bestehen aus einem n- und einem p-halbleiter. Durch die sich an der Grenze beider Halbleiter ergebende Schicht leiten Dioden Strom in eine bevorzugte Richtung. Legt man eine Spannung U AK > 0, also in Durchlassrichtung, an die Diode, steigt der Durchlassstrom I = I(U AK ) schon bei kleinen Spannungen auf hohe Werte an. Der Strom darf einen Maximalwert I max nicht überschreiten, da die Diode sonst thermisch zerstört wird. Eine charakteristische Größe für eine Diode ist die Duchlassspannung U D, bei der die Ströme in der Größenordnung von 0, 1 I max liegen. Bei einer Spannung U AK < 0, fließt durch die Diode nur ein sehr kleiner Sperrstrom, der meist einige Zehnerpotenzen kleiner ist als der maximal zulässige Durchlassstrom. Legt man jedoch eine Spannung U AK > U sperr max an, steigt der Sperrstrom auf Werte des Durchlassstromes an. Bei normalen Dioden führt dies jedoch zur Zerstörung. Zener-Dioden bilden dabei eine Ausnahme, da sie auch in Sperrrichtung einen steil ansteigenden Sperrstrom zulassen (Zener-Durchbruch). Sie werden deshalb vorrangig zur Stabilisierung von Gleichspannung verwendet. In Abbildung 1 ist der typische Verlauf I(U AK ), die so genannte Kennlinie, dargestellt. I max I U sperr max I D U D U AK Abbildung 1: Kennlinie I(U AK ) einer typischen Diode 4

5 2.1.2 Dynamisches Verhalten Beim Anlegen einer Rechteckspannung an eine Diode fließt der Strom abwechselnd in Sperr- und in Durchlassrichtung. Bei genauer Betrachtung erkennt man jedoch, dass es eine Zeitverzögerung des Sperrstromes beim Wechsel von Durchlass- zu Sperrrichtung gibt, denn die im pn-übergang der Diode gespeicherten Ladungen benötigen eine bestimmte Sperrverzugszeit t s bis sie vollständig abgeflossen sind. Die Sperrverzugszeit ist umso länger je größer der Durchlassstrom vorher war. Nachdem alle Ladungen abgeflossen sind, bildet sich in der Diode eine Sperrkapazität. Erst nach deren vollständigem Aufladen, ist der endgültige Sperrzustand erreicht. Die für das Aufladen benötigt Zeit wird als Aufladezeit t f bezeichnet. Die so genannte Erholzeit ergibt sich als t E = t s + t f. Es ist leicht verständlich, dass die Periodendauer der Eingangsspannung U e wesentlich größer sein muss als die Sperrverzugszeit t s, da sonst der Gleichrichtereffekt verschwindet. Wechselt die Rechteckspannung wieder in Durchlassrichtung, besitzt die Diode aufgrund der Ladungsträgerarmut am pn-übergang einen sehr großen Widerstand. Erst mit zunehmendem Durchlassstrom geht dieser auf den ursprünglich kleinen Diodenwiderstand zurück. Die dabei auftretende Zeitverzögerung wird als Durchlassträgheit t d bezeichnet. 2.2 Durchführung Es wurde eine Schaltung wie in Abbildung 2 aufgebaut. Mit Hilfe des Oszillgrafen wurde der zeitliche Verlauf der Spannung über der Diode aufgenommen. Der Widerstand R wurde mit 10kΩ so gewählt, dass bei einer maximalen Spannung von U max < 5V der Durchlassstrom mit 0, 5mA in dem für die Diode geeigneten Betriebsbereich liegt. Die Frequenz der Eingangsspannung U e hat mit 20kHz immer noch eine Periodendauer von ca. 500µs, die deutlich über der typischen Sperrverzugszeit einer Diode liegt. R U e U D Abbildung 2: Schaltplan zum Schaltverhalten Um die Sperrverzugszeit in Abhängigkeit vom Durchlassstrom bzw. vom Sperrstrom zu messen, wird die anliegende Eingangsspannung U e variiert und gleichzeitig die über 5

6 der Diode abfallende Spannung U Diode am Oszillografen gemessen. Um während der Messung den Durchlassstrom zu variieren und den Sperrstrom konstant zu halten (und umgekehrt), wird am Funktionsgenerator die Amplitude der Eingangsspannung U e verändert wobei gleichzeitig der Offset der Spannung verschoben wird. Die Sperrverzugszeit t s wird dann am Oszillografen über die Zeitcursor bestimmt als Zeit von der absteigenden Flanke der Eingangsspannung bis zum Nulldurchgang der Diodenspannung U Diode. Abbildung 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Diodenspannung U Diode (oben) und den der Eingangsspannung U e (unten). Abbildung 3: Bestimmung der Sperrverzugszeit t s U Durch = 1, 187V = const. U Sperr /V t s /µs 0, 813 2, 000 1, 156 1, 580 1, 437 1, 160 1, 875 0, 900 2, 344 0, 680 2, 906 0, 480 3, 344 0, 400 U Sperr = 0, 875V = const. U Durch /V t s /µs 1, 094 1, 460 1, 375 1, 990 1, 906 3, 090 2, 469 4, 320 2, 938 5, 360 3, 438 6, 340 4, 219 7, 600 6

7 2,2 2,0 1,8 1,6 t s (U Sperr ) exponetieller Fit t s (U Durch ) linearer Fit t s / μs 1,4 1,2 1,0 t s / μs 5 4 0,8 3 0,6 2 0,4 0,2-3,5-3,0-2,5-2,0-1,5-1,0-0,5 U Sperr / V 1 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 U Durch / V Abbildung 4: U Durch = const. Abbildung 5: U Sperr = const. Bei konstanter Durchlassspannung und damit auch Durchlassstrom erkennt man deutlich einen exponentiellen Abfall der Sperrverzugszeit t s mit wachsender negativer Sperrspannung U Sperr. Dies ist einfach damit zu erklären, dass mit steigender Sperrspannung die Ladungen am pn-übergang bei Umpolung schneller abfließen können. Ein umgekehrtes Verhalten zeigt sich bei konstanter Sperrspannung. Hier wächst die Sperrverzugszeit linear mit ansteigender Durchlassspannung. Anschaulich wird durch eine höhere Durchlassspannung eine größere Ladungsmenge im pn-übergang deponiert, die dann natürlich mehr Zeit benötigt um bei Umpolung abzufließen. Das akkumulieren der Ladungen verhält sich dabei ähnlich wie bei einem Kondensator, also linear mit der angelegten Spannung. 7

8 3 Untersuchung einer Gleichrichterschaltung 3.1 Theoretische Grundlagen Der einfachste Fall einer Gleichrichterschaltung ist der in Abbildung 2 Seite 5 dargestellt Einweg-Gleichrichter. Diese Schaltung lässt nur eine Halbwelle einer Wechselspannung passieren. Der sogenannte Stromflusswinkel ϕ, die Zeit der Periode in der die Diode Strom führt, beträgt also weniger als 180. Um auch die andere Halbwelle nutzen zu können, werden Doppelweg-Gleichrichter oder auch Brückenschaltungen verwendet, siehe Abbildung 6. Es entsteht somit eine glattere Ausgangsspannung (geringere Brummspannung), welche durch zusätzlich parallel zum Ausgang der Schaltung platzierte Siebkondensatoren nochmals geglättet werden kann. 3.2 Oszillografieren der Ströme Um den Diodenstrom I D, den Kondensatorstrom I C und den Ausgangsstrom I a zu messen, wurde die in Abbildung 6 gezeigte Schaltung verwendet, um den Strömen proportionale Spannungen zu oszillografieren. Dazu wurde die Diodenspannung U D über dem R = 39Ω Widerstand gemessen, Die Ausgangsspannung U a über dem Lastwiderstand R L = 1kΩ und die Kondensatorspannung U C über einem zusätzlich in Reihe zu dem Kondensator geschalteten R = 39Ω Widerstand (Widerstandsdekade). Um auch die Richtung der Spannungen bei der Messung zu berücksichtigen, muss die Diodenspannung invertiert werden, das sie sonst die falsche Richtung besitzt. Die Schaltung wird mit einer 6V/50Hz Wechselspannung betrieben. R = 39Ω C 1 R L U a a) C = 0µF 1 b) C = 10µF 1 c) C = 100µF 1 U e Abbildung 6: Gleichrichter-Brücke Für die erste Messung soll die Kapazität des Kondensators 0µF betragen. Dazu wird 8

9 er einfach aus der Schaltung weggelassen. In Abbildung 7 ergibt sich somit ein zeitlich gleicher Verlauf für die Diodenspannung U D (unten) und die Ausgangsspannung U a (oben) mit natürlich unterschiedlichen Amplituden. Der Stromflusswinkel beträgt ca. ϕ = 169 und die Brummspannung liegt bei etwas 9V. Diode Ausgang R 39Ω 1kΩ U avg 0, 204V 4, 761V I avg 5, 230µA 4, 761µA Abbildung 7: Ausgangs- und Diodenstrom bei C = 0µF Bei der zweiten Messung wurde ein 10µF -Kondensator verwendet. In Abbildung 8 sind die Ausgangsspannung (oben), die Diodenspannung (mitte) und die Kondensatorspannung (unten) dargestellt. Der Kondensator wird während jeder Halbwelle der Eingangsspannung ge- und entladen. Während des Ladens fließt auch ein zeitlich ähnlicher Strom über die Dioden. Während des Entladen des Kondensators wird die Lücke zwischen den Halbwellen geglättet. Es fließt dabei kein Strom durch die Dioden. Die Ausgangsspannung besitzt mit 3, 75V eine wesentlich kleinere Brummspannung als zuvor. Der Stromflusswinkel beträgt ca. ϕ = 88. Diode Kondensator Ausgang R 39Ω 39Ω 1kΩ U avg 0, 254V 0, 013V 6, 1261V I avg 6, 513µA 0, 333µA 6, 126µA 9

10 Abbildung 8: Ausgangs-, Dioden- und Kondensatorspannung bei C = 10µF 3.3 Oszillografieren der Ausgangsspannung Um die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von vorgeschalteten Kondensatoren zu untersuchen, wurde neben der in Abbildung 6 verwendeten Schaltung auch eine weitere Schaltung, s. Abbildung 9 genutzt. R = 39Ω C 1 C 2 R L U a C = 100µF 1 C = 100µF 2 U e Abbildung 9: Gleichrichter-Brücke mit Sieb-Glied In Abbildung 10 sind von oben nach unten die Ausgangsspannungen der Varianten a), b) und c) von Abbildung 6 und Abbildung 9 dargestellt. 10

11 Abbildung 10: Ausgangsspannungen Es zeigt sich deutlich, dass mit steigender Kapazität des ersten Kondensators die Brummspannung deutlich abnimmt. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Kapazität nicht zu hoch gewählt wird, da sonst der hohe Ladestrom die Dioden zerstören würde. Zusätzliche Glättung erhält man durch Sieb-Glieder in Form eines RC-Gliedes. 11